DE4336825A1 - Element einer photovoltaischen Solarzelle und Verfahren zu seiner Herstellung sowie deren Anordnung in einer Solarzelle - Google Patents

Element einer photovoltaischen Solarzelle und Verfahren zu seiner Herstellung sowie deren Anordnung in einer Solarzelle

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Description

Die Erfindung betrifft ein Element einer Photovoltai­ schen Solarzelle mit mindestens einer langgestreckten bzw. stab- oder draht- (bzw. faden-) oder bandförmigen Elektrode, welche auf ihrer Oberfläche mindestens eine photovoltaisch wirksame Beschichtung aufweist sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie deren Anordnung in einer photovoltaischen Solarzelle.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein bezügl. seiner Her­ stellungskosten und seines Wirkungsgrades verbessertes Element für photovoltaische Solarzellen sowie eine dementsprechend verbesserte Solarzelle zu schaffen.
Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß die Elektrode aus einem elektrisch gut leitenden Material, insbeson­ dere unreinem Silicium mit multikristallinem, vor­ zugsweise monokristallinem Gefüge und die Beschichtung aus einem auf der Oberfläche der Elektrode mono- oder multikristallinem photovoltaisch wirksamen Material, insbesondere Silicium mit einer bestimmten Dotierung (p- oder n-Dotierung) besteht.
In erster Linie besteht also sowohl die den Strom leitende Elektrode als auch deren Beschichtung aus Silicium, jedoch mit unterschiedlichem Aufbau, nämlich der Elektrode aus unreinem, gut Strom leitendem und der Beschichtung aus möglichst reinem, aber zwecks photovoltaisch optimaler Wirksamkeit gezielt dotiertem Silicium höheren Reinheitsgrades.
Grundsätzlich würde eine einzige solche Beschichtung auf einer Siliziumelektrode ausreichen, indem das in der Beschichtung gebildete Ladungsfeld (p oder n) mit den entgegengesetzten Ladungsträgern innerhalb der Elek­ trode das photovoltaische Spannungsfeld bzw. die zwei entgegengesetzten Ladungsfelder bildet, während die demgegenüber überschüssigen, d. h. gegenüber dem quanti­ tativ in der Beschichtung gebildeten Ladungspotential zusätzlich in der Elektrode gegebenen frei beweglichen Ladungsträger der verbesserten elektrischen Leitfähig­ keit der Si-Elektrode dienen.
Sinngemäß kann der Randbereich in der Elektrode bei entsprechender Zusammensetzung des Siliciums ein posi­ tives oder negatives Ladungsfeld und die Beschichtung entsprechend entgegengesetzt (p- oder n) dotiert sein.
Bei der Verwendung von Silicium als Elektrodenmaterial kann das Elektrodengefüge multikristallin aufgebaut sein, so daß die Beschichtung aufgrund epitaktischer Wirkung entsprechend grob-kristallin, insbesondere auch monokristallin aufgebaut sein kann.
Analoge Effekte können auch mit anderen Materialien zum Einsatz gebracht werden.
Die Erfindung ist mit den Merkmalen der Patentansprüche 2 und 3 modifizierbar und besteht in einer Solarzellenanordnung gemäß den Patentansprüchen 4 bis 10 und umfaßt auch das Herstellungsverfahren gemäß den weiteren Patentansprüchen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von Fig. 1-8 naher erläutert:
Gemäß Fig. 1 und 2 ist im Längsschnitt und im Querschnitt eine aus Silicium gezogene langgestreckte bzw. geformte langgestreckte Elektrode 2 mit einer photovoltaisch wirksamen Beschichtung 3 versehen, welche aus einer radial inneren Lage 5 und einer darauf angebrachten äußeren Lage 6 bestehen kann, wobei die Lagen 5 und 6 entgegengesetzt dotiert sind (p bzw. n).
In den Fig. 3 und 4 ist analog eine Elektrode 2 jedoch mit nur einer Beschichtung 3 aus nur einer ein­ zelnen Lage bestimmter Dotierung (p- oder n - hier p) dargestellt. Dabei kann sich beidseits der Beschich­ tungsgrenze auf der Oberfläche der Elektrode eine La­ dungsfeldtrennung aus Elektronen 12 (-) und - in der Beschichtung 3 - aus "Löchern" (p) bzw. + bilden, wäh­ rend ein Elektronenüberschuß 13 einer Erhöhung der elek­ trischen Leitfähigkeit des Siliciums dienen kann.
Auch kann durch Diffusionseinwirkung eine Dotie­ rungsschicht 14 in die Oberfläche der Elektrode 2 hin­ einverlagert werden, insbesondere nach vorheriger Dif­ fusionsreinigung bzw. Beeinflussung dicht unter der Oberfläche des Elektrodenmaterials.
Beim Aneinanderfügen zweier Elemente aus beschichteten 3 Elektroden 2 gemäß den Fig. 5 und 6 bildet sich zwischen den Elektroden 2 bzw. als Anordnung zweier jeweils als Elektrode 2 und Gegenelektrode 7 mit jeweils entgegenge­ setzter Dotierung ihrer Beschichtungsoberflächen eine photovoltaische Solarzelle, so daß der Strom radial durch die Beschichtungen 3 zwischen den Elektroden 2 und 7 fließt.
Gemäß Fig. 7 können jeweils zwei auf der Oberfläche ihrer Beschichtung 3 entgegengesetzt dotierte Elemente 1 auf einer metallischen Fläche (die auch reflektierend ausgeführt sein kann) entweder auf Abstand 8 oder auch aneinander (analog Fig. 5 und 6) elektrisch leitend verbunden angebracht sein.
Gemäß Fig. 8 kann die Fläche 9 als photovoltaisches Element auf der den Elementen 1 zugewandten Seite eben­ falls mit einer photovoltaisch wirksamen Beschichtung 3 versehen sein, auf der die Elemente 1 elektrisch leitend angebracht sind. Dabei wirkt die photovoltaisch beschichtete Fläche 10 als Gegenelektrode, während die Elemente 1 mit zur Oberfläche der photovoltaischen Be­ schichtung entgegengesetzt dotierter Beschichtungsober­ fläche auf lateralen Abstand (8 analog Fig. 7) auf der Oberfläche der photovoltaischen Beschichtung elektrisch leitend verbunden sind.
Die Beschichtung der langgestreckten draht-, stab- (bzw. laden-) oder bandförmigen Elektrode kann am einfachsten mittels liquid phase epitaxy (LPE) erfolgen, bei dem eine insbesondere makrokristalline, vorzugsweise sehr weitgehend monokristalline Siliziumbeschichtung auf folgende Weise gebildet wird:
Für p-Siliziumschichten wird Silizium, auch gleich zusammen mit der benötigten Dotierung in flüssigem INDIUM oder GALLIUM oder auch Wismut oder Legierungen aus dieser gelöst, und zwar vorzugsweise gesattigt oder übersättigt, die zu beschichtende Oberfläche unter reduzierender Atmosphäre, wie zum Beispiel in Wasserstoffgas, in die Schmelze derart eingebracht, daß bei Senkung der Temperatur an der Drahtoberfläche das Silizium in weitgehend monokristalliner Form mitsamt des Dotierungsmittels in gewünschter Dotierungskonzentration abgeschieden wird.
Für eine Beschichtung in n-dotierter Form wird eine AsIn-Schmelze als Lösungsmittel für das Silizium samt Dotierungsmittel bevorzugt.
Der für das Kristallwachstum verwendete Temperaturbereich kann zwischen 250-940°C liegen, bei mit einer Abkühlungsrate von 5 bis 16 C/h. Die Kristallorientierung des Substrats kann bei [100] m [111] oder in anderer Lage liegen.
Für die Abscheidung von Gallium-Arsenide Schichten werden analog Ga, GaGe oder GaSi-Legierungen als Lösungsmittel eingesetzt, wobei der Schichtwachstums-Tempera­ turbereich bei 300-750°C bei gleicher oder ähnlicher Abkühlungsgeschwindigkeit liegt und die bevorzugte Substrat-Orientierung [100] oder [111]. Auf diese Weise können auch mehrere Schichten nacheinander übereinander auf die Drahtoberfläche aufgetragen werden. Auch kann erfindungsgemäß zunächst die Oberfläche des Substrats chemisch verändert oder diffusionsmäßig dotiert bzw. zu einer ersten integrierten photovoltaischen Schicht (p oder n) umgewandelt werden, bevor - ggf. nach Reinigung der Oberfläche z. B. in einer Ziehdüse bzw. einem zieh- oder Abstreifstein - die Siliziumschichten in vorstehender Weise aufgebracht werden.
Auch können dabei profilierte bzw. texturierte Oberflächen gebildet werden, beispielsweise Draht- oder langgestreckte Profile mit längsverlaufenden Rillen.
Mit dem genannten Verfahren können z. B. Schichtdicken zwischen 0,5 µ und 100 µ abgeschieden werden. Verfahrensgemäß wird ein Draht, beispielsweise ein Siliziumdraht, zunächst oberflächenmäßig gereinigt (auch z. B. durch Ziehen in einem Ziehstein bzw. Ziehprofil oder mittels Ätzen) und dann durch nacheinander geschaltete Abscheidebädern durchgezogen, in denen - bei wahlweiser Geschwindigkeit und Einwirkungs- bzw. Eintauchlänge - die Siliziumbeschichtung mit - je nach Folge der Abscheidebäder - wahlweiser Schichtdicke und Aufeinanderfolge der n- und der p-Schicht erfolgt. Der auf diese Weise beschichtete Formdraht kann anschließend mittels Ziehen durch einen Ziehstein gefügeverfestigt werden.
Eine besonders vorteilhafte Schichtfolge liegt in einer Siliziumbeschichtung eines auf seiner Oberfläche verchromten oder auch verzinkten oder cadmierten drahtförmigen bzw. langgestreckten Substrats (auch aus C-Faser), wobei zugleich eine radialinnere Hinterspiegelung der photovoltaischen Schichten mit entsprechend hohem Wirkungsgrad gegeben ist.
Ähnliche photovoltaische Beschichtungen sind mit Molekularstrahl Epitaxy-Verfahren erzielbar.

Claims (16)

1. Element einer photovoltaischen Solarzelle mit mindestens einer langgestreckten bzw. stab- oder draht- (bzw. faden-) oder bandförmigen Elektrode, welche auf ihrer Oberfläche mindestens eine photovoltaisch wirksame Beschichtung aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektrode (2) aus einem elektrisch gut leitenden Material, insbesondere unreinem Silicium mit multikristallinem, vorzugsweise monokristallinem Gefüge und die Beschichtung (3) aus einem auf der Oberfläche (4) der Elektrode mono- oder­ multi-kristallinen photovoltaisch wirksamen Material, insbesondere Silicium, mit einer bestimmten Dotierung (p- oder n-Dotierung) besteht.
2. Element einer photovoltaischen Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beschichtung (3) aus zwei koaxialen Lagen (5, 6) von entgegengesetzt dotiertem Material besteht.
3. Element einer photovoltaischen Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die äußere photovoltaisch wirksame Lage (6) der Beschichtung (3) ein mikrokristallines oder amorphes Gefüge aufweist.
4. Solarzellenanordnung mit mindestens einem der Elemente nach den Ansprüchen 1-3 und einer Gegen­ elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß eine andere langgestreckte bzw. stab- oder draht- oder bandförmige Elektrode (7) als Gegenelektrode mit mindestens einer photovoltaisch wirksamen Beschichtung (3) mit auf ihrer Oberfläche entgegengesetzt zur Elek­ trode (2) gegebener Dotierung elektrisch leitend ver­ bunden ist.
5. Solarzellenanordnung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die auf ihrer Oberfläche n- oder p-beschichtete Elektrode (2) und die Gegenelektrode (7) mit ihren Oberflächen elek­ trisch leitend aneinander angeordnet sind.
6. Solarzellenanordnung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichne, daß Elektrode (2) und Gegenelektrode (7) parallel auf Abstand zueinan­ der auf einer elektrisch leitenden Fläche (9) angeordnet und mit ihren Oberflächen über diese elektrisch leitend verbunden sind.
7. Solarzellenanordnung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die flächige Gegenelektrode (7) mit einer photovoltaisch wirksamen Beschichtung (10) von zur Beschichtung (3) der Elektro­ den (2) entgegengesetzter Dotierung (p oder n) versehen ist, auf deren Oberfläche die Beschichtung der Elektro­ den elektrisch leitend angebracht ist.
8. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeich­ net, daß als Verbindung der Oberflächen der Be­ schichtung (3) der Elektroden (2) mit der Gegenelektrode (7) ein elektrisch leitender Klebstoff verwendet ist.
9. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Beschichtung (3) der Elektroden (2) und der Gegenelektroden (7) bzw. Gegenelektroden mitei­ nander elektronenstrahl- oder laserverschweißt sind.
10. Solarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 und 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberflächen der elektrisch leitenden Flächen (9) reflektierend bzw. verspiegelt ausgebildet sind.
11. Verfahren zur Herstellung eines Elements für eine photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die insbesondere aus unreinem Silicium bestehende Elektrode nach ihrer Ausbildung zu langgestreckter bzw. stab- oder draht- (bzw. faden-) oder bandförmiger Form zur Bildung einer multikristalli­ nen, vorzugsweise monokristallinen Beschichtung durch eine Schmelze aus n- oder p-dotiertem Beschichtungsmate­ rial, vorzugsweise reinem Silicium bewegt wird.
12. Verfahren-ach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mittels Elektronenstrahlverfahren, insbesondere ionenge­ stütztem Elektronenstrahlverfahren, erfolgt (Dotierung n = Antimon oder Phosphor; Dotierung p = Gallium).
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung elektrolytisch aufgetragen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus der Gasphase (z. B. Silan) erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung elektrophoretisch aufgetragen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-15, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag der Beschichtung unter gleichzeitiger Anwendung von Mikrowellen erfolgt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19909417A1 (de) * 1999-03-04 2000-11-16 Manfred Baumgaertner Aus Fasern aufgebauter Sonnenkollektor

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