DE4235376A1 - Verfahren zur herstellung einer solarzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle aus kristal­ linem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus Silizium.

Es sind eine ganze Reihe von Solarzellen aus Silizium unter­ schiedlichster Bauart bekannt.

Die höchsten Wirkungsgrade einfach aufgebauter Solarzellen (keine Tandemzellen) sind erreichbar, wenn einkristalline Scheiben verwendet werden. Eine ganz wesentliche Einfluß­ größe für den Wirkungsgrad ist die Ladungsträgerlebensdauer. Diese ist bei einkristallinem Grundmaterial mit den relativ höchsten Werten erzielbar. Ein Nachteil besteht darin, daß die Herstellung von Einkristallen und das nachfolgende Auf­ trennen in Scheiben sehr kostenaufwendige Arbeitsschritte sind. Um die Kosten zu minimieren, wurden weitere Realisie­ rungsmöglichkeiten für Solarzellen erforscht. Das führte zum Einsatz von polykristallinem (grob- und feinkristallinem Ma­ terial) und amorphem Silizium. Damit verbunden ist zwar, daß sich der Wirkungsgrad verringert, aber über die wesentlich niedrigeren Materialkosten kann dieser negativ wirkende Fak­ tor überkompensiert werden, so daß eine Solarzellenfertigung aus anderem als einkristallinem Material durchaus ökonomisch sein kann.

Die Vorteile des Einkristallsiliziums sind auch nur dann er­ zielbar, wenn die sonstige Herstellungstechnologie auf die weitestgehende Erhaltung der hohen Werte der Ladungsträger­ lebensdauer ausgerichtet ist, womit auch eine Kostenerhöhung einhergeht. Die Herstellung des pn-Überganges im Inneren des Halbleitermaterials, der für die Trennung der durch das ab­ sorbierte Licht erzeugten Ladungsträger notwendig ist, er­ folgt gewöhnlich durch Diffusion, wobei solche Temperaturen zur Anwendung kommen, die ladungsträgerlebensdauerreduzie­ rende Kristalldefekte entstehen lassen. Praktisch ist eine Defektbildung bei der Diffusion nicht zu vermeiden. Die an­ gewendeten Temperaturen liegen z. B. bei der Phosphordiffu­ sion zur Herstellung eines pn-Überganges in p-leitendem Ein­ kristallmaterial bei ca. 800°C. Zur Erzielung einer hohen Lichtausbeute (Mehrfachreflexionen der einfallenden Licht­ strahlen) werden Extramaßnahmen vorgesehen, z . B. das aniso­ trope Anätzen der Oberflächen und damit die Ausbildung von Ätzpyramiden bei {100}-Oberflächen, abgesehen vom Aufbringen von sogenannten Antireflexschichten. Hierfür ist ein gewis­ ser Aufwand nötig, der nicht unerheblich ist.

In US-PS 43 90 743 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle beschrieben, bei dem die Nachteile einer bekann­ ten polykristallinen Si-Schicht-Solarzelle überwunden und Herstellungskosten gesenkt werden sollen. Hierzu wird vor­ geschlagen, als mechanischen Träger der Solarzelle ein nie­ derohmiges Si-Substrat mittels Pulvermetallurgie herzustel­ len und auf diesem eine aktive Si-Schicht durch Aufbringen von Si in Pulverform auf diesem Substrat und einer anschlie­ ßenden Sinter- oder Schmelzbehandlung (bei gleichzeitiger Einwirkung von mechanischem Druck) anzuordnen. Diese aktive Schicht muß durch nachfolgende Verfahrensschritte wie z. B. Diffusion oder Ionenimplantation oder Aufbringen dünner Me­ tall- oder Halbleiterschichten behandelt werden, um die für eine Solarzelle notwendigen Funktionen zu erzielen.

Bekannte Verfahren zur Erzeugung dünner, feinkristalliner Halbleiterschichten sind aufwendig und kostspielig, da bis zum Erhalt einer fertigen Solarzelle eine Vielzahl technolo­ gisch komplizierter Verfahrensschritte notwendig ist. Die Kosten erhöhen sich noch, wenn es sich um eine definierte, unterschiedliche Dotierung nach Leitungstyp und Leitfähig­ keit mehrerer, sich überlagernder Einzelschichten handelt.

Das technische Problem, mit dem sich die Erfindung befaßt, besteht im wesentlichen darin, ein kostengünstiges und tech­ nologisch einfach handhabbares Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit akzeptablen technischen Parametern an­ zugeben. Das Verfahren soll auch für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen anwendbar sein.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem für die Herstellung von Solarzellen dadurch gelöst, daß die mindestens zwei Halblei­ terschichten, die in der Solarzelle die Potentialbarriere bilden, durch Aufbringen von Kristallpulvern und anschlie­ ßender thermischer Behandlung erzeugt werden. Die Körner der verwendeten Kristallpulver weisen solche Oberflächen­ eigenschaften auf, daß eine gute Kontaktformierung sowohl zwischen den beiden halbleitenden Schichten als auch zwi­ schen halbleitender und metallischer Schicht gewährleistet ist. Außerdem besitzt das aufzubringende Kristallpulver die für die Funktion einer Ladungsträger trennenden Schicht not­ wendigen Eigenschaften.

Das Kristallpulver wird z. B. durch Zerkleinern des entspre­ chenden Einkristalls gewonnen. Da dieses ja bereits spezi­ fische Eigenschaften hinsichtlich der zukünftigen physika­ lischen Funktion besitzt, sind technologisch aufwendige und teure Nachbehandlungen nicht notwendig. So weisen die für die Ausbildung der Halbleiterschichten verwendeten Kristall­ pulver einen unterschiedlichen Leitungstyp auf oder sie be­ sitzen unterschiedlich breite verbotene Energiebänder oder stellen ein Gemisch aus verschiedenen Kristallpulvern dar, die alle unterschiedlich breite verbotene Energiebänder aufweisen.

Die thermische Behandlung der für die die Potentialbarriere bildenden Halbleiterschichten aufgebrachten Kristallpulver kann sowohl gemeinsam in einem Verfahrensschritt erfolgen als auch jeweils nach Aufbringen nur eines Kristallpulvers.

Vorteilhafte Weiterbildungen für die Herstellung einer So­ larzelle sehen vor, daß die an die Grundelektrode angren­ zende Halbleiterschicht als Substrat ausgebildet und hier­ für ein einkristallines oder polykristallines Material ver­ wendet wird und daß die Oberfläche des Substrats eben poliert wird oder ein Profil aufweist.

Durch die definierte Auswahl des Kristallmaterials, insbe­ sondere grob- bzw. einkristallines, aus dem das Kristallpul­ ver durch Zerkleinern gewonnen wird, und das auf das Sub­ strat aufgebracht und bei relativ geringen Temperaturen thermisch behandelt wird, bestehen die mit der Erfindung er­ zielbaren Vorteile darin, daß die Ladungsträgerlebensdauer­ werte im Inneren der Körner im wesentlichen erhalten blei­ ben. Der Herstellungsprozeß eines pn-Übergangs ist relativ einfach, ökonomisch und für eine Massenproduktion geeignet. Weitere Vorteile bestehen in der guten Lichtabsorption durch Mehrfachreflexion der einfallenden Lichtstrahlen und in der relativ einfachen Weise der Erzeugung von Hetero­ übergängen. Die Vorteile insgesamt, insbesondere die der Ökonomie, überwiegen die Nachteile der mit feinkristallinem Material vergleichbaren hohen Rekombinationsrate der Kristallpulverschicht. Zur Absenkung derselben sind ver­ gleichbare Methoden wie für mikrokristallines Material anzuwenden.

Zur Verbesserung des Kontaktwiderstandes ist in einer Ausge­ staltung vorgesehen, mindestens eine zusätzliche Halbleiter­ schicht durch Aufbringen von Kristallpulver aus einem die notwendigen elektrischen Eigenschaften aufweisenden Material und anschließende thermische Behandlung auszubilden. Auch hierbei kann die thermische Behandlung sowohl in einem gemeinsamen Verfahrensschritt als auch jeweils nach Aufbringen nur eines Kristallpulvers erfolgen.

Weiterhin ist vorgesehen, daß das Kristallpulver in einer im festen Zustand die Eigenschaften eines Isolators aufwei­ senden Trägersubstanz eingebettet und nach der thermischen Behandlung überschüssiges Material entfernt wird. Durch die Einbettung des Kristallpulvers in eine Trägersubstanz ist die Herstellung der gewünschten Halbleiterschichten sehr ein­ fach. Man kann das Aufbringen dieser das Kristallpulver mit den spezifischen Eigenschaften enthaltenden Trägersubstanz auf eine andere Schicht mit dem Anstreichen, Aufrollen einer Farbschicht vergleichen. Wie bei einem Farbanstrich ist auch hier das Aufbringen von Kristallpulvern mit verschiedenen Eigenschaften in einer Trägersubstanz in lokal begrenzten Bereichen möglich.

Als Trägersubstanz wird vorzugsweise Kunstharz, z. B. ein Ge­ misch aus thermoplastischen, duroplastischen oder elastome­ ren Kunstharzen, mit Füllstoffen, insbesondere Al₂O₃- oder SiO₂-Pulver, verwendet. Die Trägersubstanz ist deshalb vor­ teilhafterweise ein elektrisch und chemisch neutral wirken­ des Medium, damit die elektrischen Eigenschaften der Körner an ihren Oberflächen nicht beeinflußt werden. Halbleiterphy­ sikalisch ausgedrückt sollen sogenannte Flachbandbedingungen herrschen.

Sofern durch spezifische Oberflächeneigenschaften der Körner diese Bedingungen nicht gewährleistet sind, besteht die Mög­ lichkeit, durch gezielte Oberflächenbehandlungen, wie z. B. durch Ätzen in bestimmten Säure- oder Laugengemischen, kom­ biniert mit angepaßten Spülungen und Trocknungen, die ge­ wünschten elektronischen Eigenschaften der Kornoberflächen einzustellen.

Als Trägersubstanz sind Flüssigkeiten günstig, die nach dem Aushärten durch eine gewisse Schrumpfung einen Oberstand der einzelnen Körner über die Filmoberfläche der Trägersub­ stanz gewährleisten. Restschichten der Trägersubstanz auf den überstehenden Kornoberflächenanteilen werden durch bekannte Verfahren, wie Ätzen oder Sandstrahlen im Luft- oder Flüssigkeitsstrahl, entfernt. Die Schichteigenschaften zur Erzeugung eines die Ladungsträger trennenden elektrischen Feldes werden durch einseitiges oder beidseitiges Aufbringen weiterer Schichten, die dotierend oder über eine veränderte Gap-Breite wirken, generiert. Zur Metallisierung werden übliche Verfahren angewendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Solar­ zelle gestattet eine kostengünstige Herstellung, da durch die gezielte Wahl der aufgetragenen Kristallpulvermateria­ lien mit definierten, für die Funktion der aktiven Schicht erforderlichen Eigenschaften, die u. a. resultieren aus der Breite des verbotenen Energiebandes und des Leitungstyps, die bisher dem Stand der Technik nach bekannten Nachbehand­ lungen (z. B. Diffusion, Inonenimplantation) entfallen kön­ nen. Außerdem ist es möglich, mit einem solchen Verfahren auch weitere Halbleiterschichten mit für eine Solarzelle günstigen physikalischen Eigenschaften (wie z. B. zur Verbes­ serung des Kontaktwiderstandes) zwischen Elektrode und be­ nachbarte Halbleiterschicht auszubilden.

In den folgenden Ausführungen werden bevorzugte Ausgestal­ tungen näher erläutert.

Auf eine vorbereitete Substratscheibe aus p-leitendem ein­ kristallinem Silizium mit störungsfreier, sauberer Oberflä­ che wird ein durch Zerkleinern eines n-dotierten Einkri­ stalls gewonnenes Kristallpulver (Korngröße im µm-Bereich) auf die Scheibenoberfläche, z. B. durch Aufstreuen, aufge­ bracht. Anschließend wird die beschichtete Scheibe in einem Schutzgasofen bei 500°C ca. 2 h getempert (z. B. N₂-reinst, Normaldruck). Durch Auftrag und Ansintern einer zweiten Schicht in einem Schritt, z. B. einem Pulver aus einem stark dotierten Kristall gleichen Leitungstyps (n⁺-Dotierung) kön­ nen günstige Verhältnisse für einen niedrigen Kontaktwider­ stand geschaffen werden. Danach wird der nicht haftende Kornanteil beseitigt und die Scheibe mit üblichen Verfahren metallisiert.

In einem anderen Beispiel wird auf einen metallischen Grund­ körper der Dicke 1 mm, z. B. ein Aluminiumblech, der als Elektrode der Zelle dient, eine ca. 10 µm dicke Schicht eines mit Al-Pulver gefüllten Leitklebers zur Verbesserung der Haftung gegeben, nach dessen Aushärten die eigentliche, photoelektrisch aktive Schicht in einer der Körnungsab­ messung vergleichbaren Dicke aufgetragen wird, z. B. durch Rollen.

Die photoelektrische Schicht besteht aus einem lufttrocknen­ den, anorganischen Klebstoff, basierend auf Wasserglasformu­ lierungen (Fa. Panasol-Elosol GmbH, Frankfurt/M. , Type GERA- STIL C-7 ohne Füllmittel) , der anstelle des Füllmittels mit Si-Körnern aus p-leitendendem Si (ca. 10 Ω cm, Korndurchmes­ ser ca. 50 µm) Mischungsverhältnis 100 : 10 = Gew.-% Pulver zu Flüssigkeit, versetzt wird. Das Gemisch wird bei 50°C vorgetrocknet und bei 600°C 24 h lang gesintert. Dabei wird der Kontakt der Körner zum Grundkörper formiert. An­ stelle einer bisher durchgeführten Ionenimplantation zur Ausbildung der die Ladungsträger trennenden Schicht wird alternativ in gleicher Weise eine Kristallpulverschicht aus n-leitendem Silizium aufgebracht. Eine Folgeschicht zur Verbesserung des Kontaktwiderstandes wird durch Auftragen eines n⁺-Kristallpulvers mit anschließender thermischer Be­ handlung hergestellt. Auf die n⁺-Schicht wird ein Kontakt­ bahnsystem aufgetragen (z. B. durch Drucken einer Ag- oder Al-gefüllten Leitpaste) . Damit ist die zweite Elektrode der Zelle geschaffen, die bei ca. 300°C eingetempert wird. Zur geraderen Ausbildung des pn-Überganges kann sowohl die p- als auch die n-Schicht poliert werden. Als Abschlußbehand­ lung der Oberfläche wird eine Strukturätzung zur Erhöhung der Effektivität der Solarzelle durchgeführt. Das Versie­ geln der Zelle erfolgt in üblicher Weise durch luftdichte Glasabdeckung mit Siliconlack. Die verschiedenen Kri­ stallpulverschichten können nach dem jeweiligen Auftragen und Austrocknen bei ca. 300°C gemeinsam einer Temperaturbe­ handlung bei 600°C unterzogen werden.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, bei der eine Halbleiteranordnung aus mindestens zwei aus pulverisierten Halbleitermaterialien gebildeten Schichten mit einer Poten­ tialbarriere zwischen einer Grund- und einer Deckelektrode ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die die Potentialbarriere bildenden Halbleiter­ schichten durch Aufbringen von Kristallpulver und an­ schließende thermische Behandlung erzeugt werden, wobei die Oberflächeneigenschaften der Körner der Kristallpulver eine gute Kontaktformierung zwischen benachbarten Schichten der Solarzelle gewährleisten und die Kristallpulver die für eine Funktion einer Solarzelle notwendigen elektrischen Eigenschaften einer Ladungsträger trennenden Schicht auf­ weisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung der für die die Potentialbarriere bildenden Halbleiterschichten aufgebrachten Kristallpulver gemeinsam in einem Verfahrensschritt erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nach Aufbringen eines Kristallpulvers zur Erzeugung einer die Potentialbarriere bildenden Halbleiterschicht die thermische Behandlung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der die Potentialbarriere bildenden Halblei­ terschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften Kristall­ pulvermaterialien unterschiedlichen Leitungstyps verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der die Potentialbarriere bildenden Halbleiter­ schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften Kristallpul­ vermaterialien mit unterschiedlich breiten verbotenen Ener­ giebändern verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der die Potentialbarriere bildenden Halblei­ terschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften ein Gemisch von Kristallpulvermaterialien mit unterschiedlichen elektri­ schen Eigenschaften verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Grundelektrode benachbarte Halbleiterschicht als Substrat ausgebildet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Einkristall verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Polykristall verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufbringen der als Substrat ausgebildeten Halbleiter­ schicht die Oberfläche derselben poliert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Substrats mit einem Profil ausgebildet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Kontaktwiderstandes mindestens eine zusätzliche Halbleiterschicht durch Aufbringen von Kristall­ pulver aus einem die notwendigen elektrischen Eigenschaften aufweisenden Material und anschließende thermische Behand­ lung ausgebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung aller die Halbleiterschichten bil­ denden aufgebrachten Kristallpulver in einem gemeinsamen Verfahrensschritt erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nach Aufbringen eines Kristallpulvers zur Erzeugung einer den Kontaktwiderstand verringernden Halbleiterschicht die thermische Behandlung erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallpulver in einer im festen Zustand die Eigen­ schaften eines Isolators aufweisenden Trägersubstanz einge­ bettet und nach der thermischen Behandlung überschüssiges Material entfernt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägersubstanz Kunstharz mit Füllstoffen verwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß lokal begrenzte Bereiche unterschiedlicher elektrischer Eigenschaften durch Auftragen von Trägersubstanzen mit ein­ gebetteten Kristallpulvern unterschiedlicher elektrischer Eigenschaften oder Gemischen solcher Kristallpulver ausge­ bildet werden.