DE69024481T2 - Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenbatterie und eine Solarzellenbatterie, die durch dieses erzeugt wird und bei der die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften verhindert werden kann, wenn eine Vielzahl von Solarzellen als Bestandteile miteinander verbunden sind.
  • Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur einer Solarzellenbatterie zeigt, die durch das Verbinden einer Vielzahl von herkömmlichen Solarzellen ausgebildet und in GaAs Interconnect Design and Weld Technology: IEEE PVSC- 1985 Seite 633 offenbart ist. In Fig. 3 weist jede Solarzelle der Batterie ein GaAs-Schicht 2 vom n-Typ und eine GaAs-Schicht 3 vom p-Typ auf, die auf einem GaAs-Substrat 1 vom n-Typ ausgebildet sind; darauf ist durch ein erstes Klebemittel 4 ein Abdeckglas 5 befestigt. Beim Verbinden dieser Solarzellen vom gleichen Typ wird eine obere Elektrode einer ersten Solarzelle mit einer unteren Elektrode einer zweiten Solarzelle durch eine Verbundleitung 6 verbunden; dann ist eine obere Elektrode der zweiten Solarzelle mit einer unteren Elektrode einer dritten Solarzelle usw. verbunden. Auf diese Weise ist die obere Elektrode einer Solarzelle mit der unteren Elektrode der benachbarten Solarzelle durch die Verbundleitung 6 verbunden, wodurch eine vorbestimmte Anzahl an Solarzellen in Reihe verbunden ist. Dann wird diese verbundene Vielzahl von Solarzellen durch ein zweites Klebemittel 7 auf einer Wabenplatte 8 angeordnet und befestigt; damit ist die Solarzellenbatterie vollendet.
  • Wenn die herkömmliche Solarzellenbatterie gemäß Vorbe- Schreibung aufgebaut ist, ist jede der Solarzellen als Bestandteil getrennt; der Freiheitsgrad beim Layoutentwurf ist gering. Da die Elektrode an der p-Seite und die Elektrode an n-Seite auf der oberen bzw. unteren Fläche jeder Solarzelle ausgebildet sind, ist es außerdem notwendig, beim Zusammenbau die obere Elektrode einer Solarzelle mit der unteren Elektrode der benachbarten Solarzelle zu verbinden. Es ist jedoch schwierig, zwei Elektroden durch die Verbundleitung 6 zu verbinden, da aufgrund der Dicke jeder Solarzelle eine große Stufendifferenz vorhanden ist; auch bei der Struktur jeder Verbundleitung 6 ergeben sich Schwierigkeiten.
  • Außerdem wird eine physikalische Beanspruchung, wie z.B. Wärme, die zum Zeitpunkt des Verbindens erzeugt wird, auf jede Solarzelle aufgebracht, woraus sich häufig eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften ergibt.
  • Solarzellenbatterien, die das Problem der vorstehend beschriebenen Stufendifferenz verhindern und die Verbindung von Solarzellen als Bestandteile vereinfachen, sind z.B. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. JP-A-1-82570 und der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. JP-A-211773 offenbart, in denen in einem Substrat ein Durchgangsloch ausgebildet ist und eine Elektrode auf einer oberen Fläche des Substrates durch dieses zur unteren Fläche geleitet wird und dann mit einer Elektrode an der unteren Fläche des Substrates verbunden wird. In diesen Fällen ist es jedoch notwendig, Isolierdiffusion auszubilden oder das pn-Übergangsteil durch einen Isolierfilin zu bedecken, um die Elektrode an der oberen Fläche des Substrates zur unteren Fläche zu leiten; die Ausbildung dieser Diffusion oder eines Isolierfilms ist schwierig. Ferner ist es technisch schwierig, die Elektrode an der oberen Fläche des Substrates zu seiner unteren Fläche zu leiten.
  • Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP-A-1-82571, die "Patent Abstracts of Japan", Band 13 Nr. 307 (E-787) und die US-A-4897123 beschreiben die Herstellung und Struktur einer Solarzellenbatterie, bei der jede Solarzelle aufweist: ein Substrat mit einer vorderen und einer hinteren Hauptfläche, die entgegengesetzt zueinander liegen, eine kristalline Halbleiterschicht eines Typ mit erster Leitfähigkeit auf der vorderen Hauptfläche des Substrates, eine kristalline Halbleiterschicht eines Typs mit zweiter Leitfähigkeit auf der Schicht des Typs mit erster Leitfähigkeit, eine Elektrode des Typs mit erster Leitfähigkeit auf der hinteren Hauptfläche des Substrates und
  • eine Elektrode vom Typ mit zweiter Leitfähigkeit, die miteinander verbundene erste und zweite Abschnitte auf einer vorderen Fläche der Schicht vom Typ mit zweiter Leitfähigkeit bzw. der hinteren Hauptfläche des Substrates aufweist, wobei
  • die Elektrode vom Typ mit erster Leitfähigkeit jeder Solarzelle mit einer jeweiligen Elektrode des Typs mit zweiter Leitfähigkeit einer benachbarten der Vielzahl von Solarzellen an der hinteren Hauptfläche des Substrates jeder Solarzelle verbunden ist. Beim Aufbau jeder Zelle wird das Substrat, das aus n-leitendem GaAs ist, von jeder Oberfläche aus mit dem Dotierungsmittel diffundiert, um eine Isolationsdiffusion auszubilden, die sich durch das Substrat erstreckt. Der vordere und der hintere Abschnitt einer p-leitenden Elektrode ist an jeder Seite dieser Isolationsdiffusion, der vorderen und der hinteren Seite, ausgebildet. Die Solarzellen sind von einem gemeinsamen Substratwafer getrennt und werden zusammengebaut, um eine Solarzellenbatterie zu erzeugen, bei der die jeweiligen der vorderen und hinteren Abschnitten der p-leitenden Elektroden miteinander verbunden sind und die p-leitenden und nleitenden Elektroden benachbarter Solarzellen an der hinteren Seite der Baugruppe miteinander in Reihe verbunden sind.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird beabsichtigt, die vorstehend genannten Probleme zu lösen; es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenbatterie vorzusehen, bei dem eine Vielzahl von Solarzellen als Teil eines gemeinsamen Substratwafers vereinigt werden, bei dem die Verdrahtungsstruktur und die Verbindungsarbeit für diese einfach ist und bei dem ferner zum Zeitpunkt der Verbindungsarbeit eine große physikalische Beanspruchung nicht aufgebracht wird und die elektrischen Eigenschaften jeder Zelle nicht verschlechtert werden.
  • Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehend aufgeführten detaillierten Beschreibung deutlich; es ist jedoch verständlich, daß die detaillierte Beschreibung und das spezifische Ausführungsbeispiel nur illustrativen Charakter haben, da zahlreiche Änderungen und Abwandlungen im Geltungsbereich der Erfindung aus dieser detaillierten Beschreibung für den Fachmann offensichtlich sind.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenbatterie und eine Solarzellenbatterie entsprechend der vorliegenden Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 3 der beigefügten Ansprüche definiert. Der Oberbegriff von Anspruch 3 basiert auf den Merkmalen, die ebenfalls aus der JP-A-182571, die gerade genannt wurde, bekannt ist.
  • In den beiliegenden Zeichnungen:
  • zeigt Fig. 1 Schnittansichten, die jeweils einen GaAs- Solarzellenabschnitt vom Typ mit verschiedenen Flächen einer Batterie in unterschiedlichen Herstellungsstufen als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen,
  • ist Fig. 2 eine Schnittansicht, die ein Beispiel zeigt, in dem Solarzellen unter Verwendung des Herstellungsverfahrens, das in Fig.1 gezeigt ist, auf einem Wafer vereinigt sind, und
  • ist Fig. 3 eine Schnittansicht, die eine Struktur einer Solarzellenbatterie zeigt, die eine Vielzahl von herkömmlichen Solarzellen aufweist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnungen detailliert beschrieben. Die gleichen Bezugszeichen, wie diese in Fig. 3 verwendet werden, bezeichnen gleiche oder entsprechende Teile.
  • Die Herstellungsschritte für dieses werden nachstehend beschrieben.
  • (1) Als erstes wird auf einem halbisolierenden GaAs- Substrat 9 durch metallorganische chemische Abscheidung (MOCVD-Verfahren) (Fig.1(a)) eine GaAs-Schicht 2 vom n-Typ ausgebildet und dann ein Teil der GaAs-Schicht 2 und des halbisolierenden GaAs-Substrats 9 teilweise weggeätzt und erste Höhlungen ausgebildet (Fig. 1(b)).
  • (2) Dann werden eine GaAs-Schicht 3 vom p-Typ und eine AlGaAs-Fensterschicht 10 vom p-Typ zum Verhindern der Oberflächenrekombination durch das MOCVD-Verfahren darauf ausgebildet; dann wird ein Reflexionsverhinderungsfilm 11, der aus Si&sub3;N&sub4; ausgebildet ist, durch lichtunterstützte chemische Gasphasenabscheidung darauf aufgebracht (Fig.1 (c)).
  • (3) Dann wird durch das auswählende Ätzen der Schichten 10 und 11 an jeder ersten Höhlung die GaAs-Schicht 3 vom p- Typ über jeder ersten Höhlung freigelegt und dann darauf eine jeweilige p-leitende Elektrode 13 ausgebildet (Fig. 1(d)).
  • (4) Dann werden andere Teile der GaAs-Schicht 2 vom n- Typ und das halbisolierenden GaAs-Substrats 9 auswählend weggeätzt, um zweite Höhlungen auszubilden; dann wird darauf eine jeweilige n-leitende Elektrode 12 ausgebildet(Fig.1(e)).
  • (5) Schließlich wird eine hintere Fläche des halbisolierenden GaAs-Substrats 9 weggeätzt oder geschliffen, so daß ein Teil jeder n-leitenden Elektrode 12 und jeder pleitenden Elektrode 13 freigelegt ist; dann werden diese durch Beschichten oder ähnliches verstärkt (Fig. 1(f)).
  • Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die zeigt, wie die gemäß Vorbeschreibung hergestellten GaAs-Solarzellen vom Typ mit verschiedenen Flächen auf einem gemeinsamen Substratwafer vereinigt werden. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 14 ein Verdrahtungsmetall, das jede jeweilige p-leitende Elektrode 13 mit einer jeweiligen n-leitenden Elektrode 12 verbindet. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Graben, der so ausgebildet ist, daß dieser das halbisolierende GaAs-Substrat 9 erreicht, um den elektrischen Kurzschluß zwischen benachbarten Solarzellen zu verhindern.
  • Wie es Fig. 2 entnommen werden kann, verbindet das Verdrahtungsmetall 14 jede jeweilige n-leitende Elektrode 12 an der hinteren Seite jeder jeweiligen Solarzelle mit der entsprechenden jeweiligen p-leitenden Elektrode 13 an der hinteren Seite aer benachbarten Solarzelle.
  • Gemäß Vorbeschreibung ist die Isolation jedes pn-Übergangs durch das halbisolierende GaAs-Substrat 9 vorgesehen; die Elektroden 12, 13 vom Typ mit erster und zweiter Leitfähigkeit sind in Höhlungen in den aktiven Bereichen der Solarzelle ausgebildet; bei der Verbindung der Vielzahl von Solarzellen werden Elektroden, die an der hinteren Seite des Substrates 9 freigelegt sind, mit den jeweiligen Elektroden der benachbarten Solarzellen aufeinanderfolgend verbunden und schließlich Gräben 15 zwischen den benachbarten Solarzellen vorgesehen, um das halbisolierende GaAs- Substrat 9 zu erreichen. Als Ergebnis kann eine Vielzahl von Solarzellen durch ein einfaches Herstellungsverfahren auf einem Wafer ausgebildet werden. Beim Verbinden der Vielzahl von Solarzellen, um eine Solarzellenbatterie zu bilden, liegt eine Stufendifferenz bei jeder Verbundleitung und jeder Verdrahtungsstruktur nicht vor; die Verbindungsarbeit ist leicht und einfach. Ferner ist die physikalische Beanspruchung zum Zeitpunkt der Verbindung verringert.
  • Obwohl ein halbisolierendes GaAs-Substrat 9 als das Substrat für die Solarzelle im vorstehenden Ausführungsbeispiel verwendet wurde, ist das Substrat nicht darauf beschränkt; es kann ein Isoliermaterial, wie z.B. Saphir oder InP oder halbisolierendes Material, das sich von GaAs unterscheidet, verwendet werden.
  • Obwohl GaAs oder AlGaAs als Material des aktiven Bereiches der Solarzelle im vorstehenden Ausführungsbeispiel verwendet wurde, kann außerdem ein Material, wie z.B. InP, GaAsP oder InGaAsP, verwendet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenbatterie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
das Vorsehen eines Substrats (9) aus isolierendem oder halbisolierendem Material mit vorderer und hinterer Hauptfläche, die entgegengesetzt zueinander liegen,
das Ausbilden einer kristallinen Halbleiterschicht (2) eines Typs mit erster Leitfähigkeit auf der vorderen Hauptfläche des Substrats (9),
das auswählende Ätzen der Schicht (2) des Typs mit erster Leitfähigkeit und des Substrats (9), um erste Höhlungen auszubilden, die in den Körper des Substrats (9) reichen,
das Ausbilden einer kristallinen Halbleiterschicht (3) eines Typs mit zweiter Leitfähigkeit auf der Oberfläche der Schicht (2) des Typs mit erster Leitfähigkeit und auf den jeweiligen Oberflächen der ersten Höhlungen, die durch Ätzen freigelegt sind,
das Ausbilden jeweiliger Elektroden (13) des Typs mit zweiter Leitfähigkeit auf der Oberfläche der Schicht (3) des Typs mit zweiter Leitfähigkeit über jeder ersten Höhlung,
das auswählende Ätzen der Schichten (3, 2) der Typen mit zweiter bzw. erster Leitfähigkeit und des Substrats (9), um zweite Höhlungen auszubilden, die in den Körper des Substrats (9) reichen,
das Ausbilden jeweiliger Elektroden (12) des Typs mit erster Leitfähigkeit auf den Oberflächen der Schicht (2) des Typs mit erster Leitfähigkeit und des Substrats (9) an den jeweiligen Oberflächen der zweiten Höhlungen, die durch Ätzen freigelegt sind,
das Entfernen von Substratmaterial durch Ätzen oder Schleifen der hinteren Hauptfläche des Substrats (9), um die Elektroden (12, 13) der Typen mit erster bzw. zweiter Leitfähigkeit freizulegen,
das Zufügen von Elektrodenmaterial von den Typen mit erster bzw. zweiter Leitfähigkeit zu den Elektroden (12,13) der Typen mit erster bzw. zweiter Leitfähigkeit zum Verstärken von diesen an der hinteren Fläche des Substrats (9),
das Verbinden der Elektroden (12) des Typs mit erster Leitfähigkeit mit jeweiligen benachbarten Elektroden (13) des Typs mit zweiter Leitfähigkeit über ein Verdrahtungsmetall (14) an der hinteren Fläche des Substrats (9) und
das Ausbilden von Gräben (15) zum Isolieren und Beschreiben benachbarter Solarzellenabschnitte (2, 3, 12, 13) der Solarzellenbatterie, wobei sich die Gräben (15) durch beide Schichten (3, 2) der Typen mit zweiter bzw. erster Leitfähigkeit erstrecken und das Substrat (9) erreichen.
2. Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenbatterie nach Anspruch 1, das ferner die Schritte des Aufbringens eines Klebemittels (4) auf die vordere Fläche der Batterie und das Positionieren eines Abdeckglases (5) auf diesein beinhaltet.
3. Solarzellenbatterie, die eine Vielzahl von Solarzellen (2, 3, 9, 12, 13) aufweist, wobei jede Solarzelle (2, 3, 9, 12, 13) aufweist: ein Substrat (9) mit vorderer und hinterer Hauptfläche, die entgegengesetzt zueinander liegen, eine kristalline Halbleiterschicht (2) eines Typs mit erster Leitfähigkeit auf der vorderen Hauptfläche des Substrats (9), eine kristalline Halbleiterschicht (3) eines Typs mit zweiter Leitfähigkeit auf der Schicht (2) des Typs mit erster Leitfähigkeit, eine Elektrode (12) des Typs mit erster Leitfähigkeit auf der hinteren Hauptfläche des Substrats (9) und
eine Elektrode (13) des Typs mit zweiter Leitfähigkeit, die erste und zweite Abschnitte, die miteinander verbunden sind, auf einer vorderen Fläche der Schicht (3) des Typs mit zweiter Leitfähigkeit bzw. der hinteren Hauptfläche des Substrats (9) aufweist, wobei
die Elektrode (12) des Typs mit erster Leitfähigkeit jeder Solarzelle (2, 3, 9, 12, 13) mit einer jeweiligen Elektrode (13) des Typs mit zweiter Leitfähigkeit einer benachbarten der Vielzahl von Solarzellen (2, 3, 9, 12, 13) an der hinteren Hauptfläche des Substrats (9) jeder Solarzelle (2, 3, 9, 12, 13) verbunden (14) ist,
wobei die Solarzellenbatterie dadurch gekennzeichnet ist, daß
das Substrat (9) jeder Solarzelle (2, 3, 9, 12, 13) ein Substrat (9) ist, daß der Vielzahl von Solarzellen (2, 3, 9, 12, 13) gemeinsam ist, und aus einem isolierenden oder halbisolierenden Material ist,
die Solarzellen (2, 3, 9, 12, 13) durch Gräben (15) zur Isolierung beschrieben sind, wobei sich die Gräben (15) durch beide Schichten (3, 2) der Typen mit zweiter bzw. erster Leitfähigkeit erstrecken und das Substrat (9) erreichen,
jede Elektrode (12) des Typs mit erster Leitfähigkeit sich durch das Substrat (9) erstreckt und die Schicht (2) des Typs mit erster Leitfähigkeit einer jeweiligen der Vielzahl von Solarzellen (2, 3, 9, 12, 13) berührt und
jede Elektrode (13) des Typs mit zweiter Leitfähigkeit sich durch das Substrat (9) erstreckt und die Schicht (3) des Typs mit zweiter Leitfähigkeit einer jeweiligen der Vielzahl von Solarzellen (2, 3, 9, 12, 13) berührt, wobei die Schicht (3) des Typs mit zweiter Leitfähigkeit zwischen der Elektrode (13) des Typs mit zweiter Leitfähigkeit und sowohl dem Substrat (9) als auch der Schicht (2) des Typs mit erster Leitfähigkeit in einer entsprechenden Höhlung in diesen liegt.
4. Solarzellenbatterie nach Anspruch 3, wobei auf der vorderen Fläche der Batterie ein Klebemittel (4) vorhanden ist und sich ein Abdeckglas (5) darauf befindet.
5. Solarzellenbatterie nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Substrat (9) ein halbisolierendes GaAs-Substrat ist und die Schichten (2, 3) des Typs mit erster bzw. zweiter Leitfähigkeit epitaxiale Kristallschichten aus GaAs vom n-Typ bzw. vom p-Typ sind.
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