DE69120524T2 - Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle

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Description

  • Die vorliegende Anmeldung ist von der EP 91303176.1 abgezweigt.
    • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Figuren 6(a) und 6(b) zeigen Ansichten, die eine Struktur einer herkömmlichen GaAs-Solarzelle auf einem Si- Substrat darstellen, von welchen Figur 6(a) ihre Draufsicht zeigt und Figur 6(b) eine Schnittansicht zeigt, die entlang einer Linie A-A in Figur 6(a) genommen ist. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Si-Substrat. Eine GaAs-Schicht 2 eines n-Typs und eine GaAs-Schicht 3 eines p-Typs, welche als aktive Schichten dienen, sind auf eine erste Hauptoberfläche 1a des Si-Substrats 1 geschichtet und dann ist eine Anodenelektrode (Elektrode des p-Typs) 6 auf der GaAs-Schicht 3 des p-Typs ausgebildet und eine Kathodenelektrode (Elektrode des n-Typs) 5 ist auf einer zweiten Hauptoberfläche 1b des Si-Substrats 1 vorgesehen. Somit ist eine Solarzelle 21 ausgebildet.
  • Die GaAs-Solarzelle 21 auf dem Si-Substrat wird normalerweise durch das folgende Verfahren hergestellt.
  • Zuerst werden aufeinanderfolgend die GaAs-Schicht 2 des n-Typs und die GaAs-Schicht 3 des p-Typs auf der ersten Hauptoberfläche 1a des Si-Substrats 1 des n-Typs, das eine Oberflächenausrichtung von ungefähr (100) aufweist, durch ein Verfahren eines Kristallwachstums eines Verbindungs halbleiters, wie zum Beispiel ein MOCVD-Verfahren, ausgebildet. Somit ist ein pn-übergang 4, welcher einen photovoltaischen Effekt erzeugt, ausgebildet. Dann wird als eine Elektrode zum Ausgeben einer photoelektromotorischen Kraft die Anodenelektrode (Elektrode der p-Seite) 6 selektiv auf dem G&As des p-Typs ausgebildet und die Kathodenelektrode (Elektrode der n-Seite) 5 wird auf der gesamten Oberfläche der zweiten Hauptoberfläche ib des Si-Substrats 1 ausgebildet. Die Anodenelektrode 6 weist Sammelelektroden 6a zum Sammeln eines photoelektrischen Stroms und eine gemeinsame Elektrode 6b zum Anschließen der Sammelelektroden an eine äußere Schaltung auf. Außerdem sind diese Elektroden durch ein Zerstäuben oder durch ein Aufdampfverfahren ausgebildet und Tilag wird normalerweise als ihre Materialien verwendet.
  • Jedoch weist die herkömmliche GaAs-Solarzelle auf dem Si-Substrat die folgenden Probleme auf. Und zwar wird, da die GaAs-Schicht 2 des n-Typs und die GaAs-Schicht 3 des p- Typs für gewöhnlich bei einer hohen Temperatur von 700 bis 800ºC ausgebildet werden, wenn der Wafer, auf welchem die vorhergehenden GaAs-Schichten ausgebildet sind, bei einer Raumtemperatur entnommen wird, aufgrund einer Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen GaAs und Si eine große wölbung erzeugt, wie es in Figur 6(b) gezeigt ist. Wenn eine Dicke der GaAs-Schicht erhöht wird, wird der Grad dieser wölbung groß. Wenn die Dicke der GaAs-Schicht 3µm übersteigt, wird ein Riß erzeugt. Andererseits wird die Versetzungsdichte in der GaAs-Schicht verringert, wenn die Dicke der GaAs-Schicht erhöht wird. Um eine ausreichende Wirksamkeit der Solarzelle sicherzustellen, sollte deshalb die Dicke 4 bis 5µm betragen. Somit wird der Riß in der Be triebsschicht (aktiven Schicht) der herkömmlichen Solarzelle erzeugt. Insbesondere ist ein Bereich, der von dem Riß 7 umgeben ist, auf welchem die Sammelelektrode 6a nicht vorgesehen ist, wobei dieser Bereich durch schraffierte Linien in Figur 6(a) gezeigt ist, ein Verlustbereich, da der erzeugte photoelektrische Strom nicht gesammelt werden kann.
  • Außerdem wird auch dann, wenn der Riß nicht erzeugt wird, der Riß leicht in der GaAs-Schicht erzeugt, wenn eine geringe Belastung von der Außenseite ausgeübt wird, da eine beträchtlich große thermische Belastung in der GaAs-Schicht verbleibt. Da die Wölbung konkav ist, wenn sich die GaAs- Schicht auf der Oberseite befindet, wie es in Figur 6(b) gezeigt ist, wird der Riß leicht erzeugt, wenn eine Belastung von der Richtung der zweiten Hauptoberfläche 1b des Si-Substrats ausgeübt wird, das heißt, wenn eine Zugbela stung auf die GaAs-Schicht ausgeübt wird. Wenn der Wafer in eineni Photolitographieverfahren zum Mustern der Elektrode 6 des p-Typs abgeflacht wird oder wenn in einem Montageverfahren ein Zwischenverbinderschweißen zur Modulation auf der Seite der ersten Elektrode 5 durchgeführt wird, wird deshalb offensichtlich der Riß erzeugt.
  • Unterdessen ist GaAs auf einem Si-Substrat, bei welchem durch ein beabsichtigtes Erzeugen des Risses an einer vorbestimmten Position, um eine thermische Belastung abzuschwächen, verhindert wird, daß der Riß später erzeugt wird, in Appl. Phys. Lett. 55(21), 20. November 1989, S. 2187 bis 2189 offenbart. Figur 7 zeigt eine Ansicht, die ein Herstellungsprinzip der vorhergehend genannten Solarzelle darstellt. In Figur 7 bezeichnet das Bezugszeichen 25 eine Maske, die auf dem Si-Substrat ausgebildet ist, welche für ein selektives Aufwachsen von GaAs verwendet wird, das Bezugszeichen 26 bezeichnet einen Keil und das Bezugszeichen 27 bezeichnet einen Riß, der von dem Ende des Keils in der GaAs-Schicht erzeugt wird.
  • Gemäß diesem herkömmlichen Beispiel wird ein Riß 27 von dem Ende des Keils 26 in der GaAs-Schicht erzeugt, wenn die aktive GaAs-Schicht unter Verwendung der Maske, die den Keil 26 aufweist, selektiv auf das Si-Substrat aufgewachsen wird. Somit wird eine thermische Belastung in dem Element durch den Riß abgeschwächt, so daß verhindert wird, daß der Riß später erzeugt wird. Deshalb ist es unter angemessener Berücksichtigung der Position des Risses 27 möglich, eine Erzeugung eines unzulässigen Bereichs durch ein Ausbilden der Sammelelektrode zu verhindern, um keinen von dem Riß umgebenen Bereich zu erzeugen, in welchem die Sammelelektrode nicht vorhanden ist.
  • Jedoch ist es schwierig, daß die Oberfläche des Si- Substrats in einem Fall zufriedenstellend sauber ist, in dem GaAs unter Verwendung der Maske selektiv aufgewachsen wird, wie es in dem herkömmlichen Beispiel gezeigt ist, obgleich es erwünscht ist, daß das Si-Substrat auf welchem das GaAs aufzuwachsen ist, sauber sein sollte, wenn die GaAs-Solarzelle auf dem Si-Substrat hergestellt wird.
    • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die vorhergehenden Probleme zu lösen und es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren einer G&As-Solarzelle auf einem Si-Substrat zu schaffen, das in der Lage ist, eine willkürliche Erzeugung von Rissen zu verhindern.
  • Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung, die im weiteren Verlauf gegeben wird, offensichtlich.
  • Die Erfindung, welche in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in welcher:
  • Figur 1 eine Draufsicht einer GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat während eines Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Figur 2 eine Draufsicht einer GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Figur 3 eine Schnittansicht in der Nähe des Risses, dessen Erzeugung gesteuert wird, in der GaAs-Solarzelle auf dem Si-Substrat gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Figur 4 eine Draufsicht einer GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat während ihres Herstellungsverfahrens gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Figur 5 eine Draufsicht einer GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat gemäß eines noch anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Figur 6 und 7 beide Ansichten einer herkömmlichen GaAs- Solarzelle auf einem Si-Substrat zeigen.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
  • Es wird zuerst Bezug auf Figur 1 genommen. Diese Figur zeigt eine Draufsicht, die ein Herstellungsverfahren einer Solarzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Die n&spplus;-GaAs-Pufferschicht wird auf dem Si-Substrat ausgebildet und dann wird die Mesarille 13 durch selektives Ätzen der n&spplus;-GaAs-Schicht ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt wird ein keilförmiges konkaves Teil 15, dessen Bodenseite die Si-Oberfläche erreicht, auf mindestens einer Seite der Mesarille vorgesehen. Wenn das Muster, das in Figur 1 gezeigt ist, als eine Maske zum Ausbilden der Mesarille verwendet wird, kann dieses konkave Teil in dem gleichen Schritt zum Ausbilden der vorhergehenden Mesarille 13 ausgebildet werden. Dann werden die GaAs-Schicht des n-Typs und die GaAs-Schicht des p-Typs, welche als aktive Schichten dienen, ausgebildet. Obgleich sie an einem Teil selektiv ausgewachsen werden, in welchem die n&spplus;-Gaks-Schicht verbleibt, wird, da eine Belastung in der Nähe der aufge wachsenen Schicht konzentriert ist, wie es vorhergehend beschrieben worden ist, wenn das keilförmige konkave Teil gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet wird, der Riß 16 von seinem Ende erzeugt, wie es in Figur 1 gezeigt ist. Dann wird die Elektrode 6 des p Typs ausgebildet und letztlich wird die neue Mesarille 14 durch ein Entfernen eines peripheren Teils der Mesarille ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt wird ebenso das periphere Teil des keilförmigen konkaven Teils weggeätzt. Wie es zuvor beschrieben worden ist, wird eine Belastung abge schwächt und es wird verhindert, daß der Riß später erzeugt wird, da in dieser Erfindung das keilförmige konkave Teil vorhergehend ausgebildet wird, um den Riß von diesem Teil beabsichtigt zu erzeugen.
  • Wenn das keilförmige konkave Teil 15 außerdem in der Mitte zwischen den Sammelelektroden 6a ausgebildet ist, wie es in Figur 1 gezeigt ist, ist der photoelektrische Strom, der durch eine Gitterelektrode gesammelt wird, in den rechten und linken Richtungen gut ausgeglichen und es ist möglich, zu verhindern, daß ein Ausbreitungswiderstand erhöht wird, wobei dieser Ausbreitungswiderstand durch ein unausgeglichenes Sammeln eines Stroms aufgrund des Risses verursacht wird. Wenn die Kristalloberflächenausrichtung [001] ist, verläuft außerdem die Richtung, in welcher die Sammelelektrode 6a angeordnet ist, weitestgehend parallel zu der Richtung, in welcher der Riß 16 erzeugt ist, wobei diese Richtung [010] ist. Wie es zuvor beschrieben worden ist, wird gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in Figur 1 gezeigt ist, eine Erzeugung des Risses 16 gesteuert und sein Einfluß kann minimal sein. Jedoch ist es aus einigen Gründen nicht möglich, vollständig zu verhindern, daß der Riß neu zwischen den Sammelelektroden 6a erzeugt wird. In diesem Fall ist ein Verhältnis einer Erhöhung des Ausbreitungswiderstands proportional zu dem Quadrat des Verhältnisses einer Länge der Maximalelektrode 6b zu einem Anordnungsabstand. Wenn zum Beispiel das erstere 2cm beträgt und das letztere lmm beträgt, wird der Ausbreitungswiderstand das 400-fache. Um den vorgehenden Einfluß zu verhindern, ist es wirkungsvoll, die Richtung zu verschieben, in welcher der Riß von dem Ende des Keils erzeugt wird, so daß dieser nicht parallel zu der Richtung der Sam melelektrode verläuft. Wie es in der Abänderung in Figur 2 gezeigt ist, ist es am wirkungsvollsten, wenn sich beide in einem Winkel von 45º kreuzen. Gemäß dieser Abänderung beträgt eine Erhöhung des Ausbreitungswiderstands höchstens das Zweifache.
  • Figur 3 zeigt eine Schnittansicht in der Nähe des Risses 16, dessen Erzeugung gesteuert wird, gemäß der vorliegenden Erfindung. Da der pn-Übergang 4 freigelegt ist, da der Riß 16 erzeugt ist, ist dieses Teil mit einem Isolationsfilm 20 bedeckt, der aus einem Material, wie zum Beispiel Si&sub3;N&sub4; oder SiO&sub2;, ausgebildet ist. Wenn die freigelegte Endfläche 4a des pn-Übergangs in der Luft verbleibt, wird im allgemeinen ein Leckstrom erzeugt, da Wasser, ein Fremdmaterial oder dergleichen daran angelegt wird, mit dem Ergebnis, daß die Charakteristik der Solarzelle verschlechtert werden könnte. Deshalb wird das Teil mit dem Isolationsfilm passiviert, so daß verhindert werden kann, daß der Leckstrom erzeugt wird. Nachdem der Riß erzeugt ist, wenn Metall in dem Schritt eines Ausbildens eines Stroms abgelagert wird, könnte außerdem der pn-Übergang kurzgeschlossen sein, da sich das Metall in den Spalt des Risses begibt. Wenn die freigelegte Endfläche 4a des pn-Übergangs mit dem Isolationsfilm 20 geschützt wird, bevor die Elektrode ausgebildet wird, und dann die zweite Elektrode 6 ausgebildet wird, kann deshalb verhindert werden, daß der pn-Übergang kurzgeschlossen wird. Unterdessen kann, wenn der Isolationsfilm auf der gesamten Oberfläche des unteren Teils der zweiten Elektrode ausgebildet ist, kein Strom abgegeben werden. Deshalb sollte der Isolationsfilm lediglich in der Nähe des Risses verbleiben und ein Kontaktloch wird anders als dieses Teil ausgebildet. Der vorhergehende Schritt ist möglich, wenn eine Erzeugung des Risses 16 gesteuert wird, wie es in dieser Erfindung beschrieben ist. Genauer gesagt kann, wenn eine Erzeugung des Risses gesteuert wird, die Position des Risses bestimmt werden und dann kann das Muster des Kontaktlochs bestimmt werden. Wie es zuvor be schrieben worden ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Elektrode ausgebildet werden, die in der Lage ist, den pn-Übergang zu schützen.
  • Figur 4 zeigt eine Draufsicht, die ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die n&spplus;-GaAs-Pufferschicht auf dem Si-Substrat ausgebildet und dann wird die Mesarille 13 durch selektives Ätzen der n&spplus;-GaAs-Schicht ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Mehrzahl von rhombischen, konkaven Teilen 17 in der n&spplus;-GaAs-Schicht ausgebildet, welche ähnlich einer Insel verbleibt. Dieses konkave Teil kann wie in dem Ausführungsbeispiel, das in Figur 1 gezeigt ist, in dem gleichen Schritt eines Ausbildens der Mesarille 13 ausgebildet werden. Wenn die GaAs-Schicht des n-Typs und die GaAs-Schicht des p-Typs ausgebildet werden, dann wird der Riß 16 von einem Teil des spitzen Winkels des Rhombus erzeugt. Obgleich der Riß selten von einem Teil des stumpfen Winkels des Rhombus erzeugt wird, weist dies, auch wenn er erzeugt wird, nahezu keinen Einfluß auf, da er die Sammelelektrode in rechten Winkeln kreuzt. Um jedoch den letzteren Riß zu verhindern, kann das konkave Teil einen Aufbau aufweisen, der aus zwei kreisförmigen Bögen ausgebildet ist, welche dem Rhombus umschrieben sind, wie in einem noch anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in Figur 5 gezeigt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der gleiche Effekt, der in Figur 1 beschrieben ist, erzielt werden, wenn das rhombi- sche konkave Teil ebenso in der Mitte der Sammelelektroden 6a vorgesehen ist. Außerdem kann, wenn eine Diagonallinie, die mit den Teilen des spitzen Winkels verbunden ist, die Sammelelektroden 6a in einem Winkel von 450 kreuzt, wie es in Figur 5 gezeigt ist, der Einfluß des Risses, welcher möglicherweise von dem anderen Teil als diesem konkaven Teil erzeugt wird, wie in dem Ausführungsbeispiel, das in Figur 2 gezeigt ist, minimal sein.
  • Gemäß dem Herstellungsverfahren der GaAs-Solarzelle auf dem Si-Substrat der vorliegenden Erfindung, wird die GaAs- Pufferschicht, auf welche eine Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps einer hohen Konzentration aufgetragen wird, auf der ersten Hauptoberfläche des Si-Substrats des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet und dann wird ein keilförmiges gekerbtes Teil auf einer Seite der Pufferschicht ausgebildet oder ein Stiftloch eines vorbestimmten Aufbaus wird auf der Pufferschicht vorgesehen und die aktive Schicht, die die GaAs-Schichten der ersten und zweiten Leitfähigkeitstypen aufweist und die einen Riß aufweist, der von dem Ende des keilförmigen gekerbten Teils oder von dem Stiftloch erzeugt wird, wird auf der Pufferschicht ausgebildet. Als Ergebnis kann die aktive Schicht auf der reinen Oberfläche des Si-Substrats ausgebildet werden und die thermische Belastung kann durch ein beabsichtigtes Erzeugen des Risses abgeschwächt werden. Somit wird verhindert, daß der Riß möglicherweise später erzeugt wird, und es kann verhindert werden, daß die Charakteristik der Solarzelle beträchtlich verschlechtert wird.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben und dargestellt worden ist, versteht es sich natürlich, daß die gleiche lediglich veranschaulichend und beispielhaft ist und nicht als einschränkend zu betrachten ist, wobei der Umfang der vorliegenden Erfindung lediglich anhand der beiliegenden Ansprüche begrenzt ist.

Claims (11)

1. Herstellungsverfahren einer Solarzelle, die eine aktive GaAs-Schicht (2, 3), die eine GaAs-Schicht (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine GaAs-Schicht (3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf einer GaAs-Pufferschicht (12) aufweist, auf welche eine Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps in einer hohen Konzentration aufgetragen ist und ein Si-Substrat (1) aufweist, bei der eine oder mehrere Risse während des Wachstums der aktiven GaAs- Schicht in der aktiven GaAs-Schicht (2, 3) erzeugt werden;
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Ausbilden einer oder mehrer Vertiefungen in der Pufferschicht (12) wobei sich diese Vertiefungen in der Form von Mesarillen (13, 14), die keilförmige gekerbte Teile (15) an den Seitenkanten der Pufferschicht zu den Mesarillen aufweisen, oder in der Form von Stiftlöchern (17) eines vorbestimmten Aufbaus befinden, durch die aufeinanderfolgenden Schritte eines Ausbildens der GaAs-Pufferschicht (12) und eines Ätzens der GaAs-Pufferschicht; und
Aufwachsen der aktiven GaAs-Schichten (2, 3), vorzugsweise auf der GaAs-Pufferschicht, durch selektives Ablagern, während das Si-Substrat (1) durch die eine oder meh reren Vertiefungen freigelegt wird und während ein oder mehrere entsprechende Risse (16) erzeugt werden, die sich in einer kristallographischen Richtung der aktiven GaAs- Schichten (2, 3) von der einen oder den mehreren Vertiefungen ausdehnen.
2. Herstellungsverfahren einer Solarzelle nach Anspruch 1, das einen weiteren Schritt eines Ausbildens einer Elektrode (6), die Sammelelektroden (6a) beinhaltet, auf der aktiven GaAs-Schicht beinhaltet, und bei welchem die keilförmigen gekerbten Teile im wesentlichen mittig bezüglich der Sammelelektroden angeordnet werden.
3. Herstellungsverfahren einer Solarzelle nach Anspruch 2, bei dem die Richtung des Risses oder der Risse weder parallel zu den Sammelelektroden verläuft noch sie in rechten Winkeln kreuzt.
4. Herstellungsverfahren einer Solarzelle nach Anspruch 1, bei dem ein pn-Übergang, der freigelegt wird, wenn der Riß erzeugt wird, mit einem Isolationsfilm bedeckt wird.
5. Herstellungsverfahren einer Solarzelle nach Anspruch 4, bei dem der Schritt eines Bedeckens des Isolationsfilms vor dem Ausbilden der Sammelelektroden durchgeführt wird.
6. Herstellungsverfahren einer Solarzelle nach Anspruch 5, bei dem die Sammelelektroden an einem Bereich auf dem Isolationsfilm ausgebildet werden, wo sie den Riß kreuzen.
7. Herstellungsverfahren einer Solarzelle nach Anspruch 1, bei dem der Aufbau des Stiftlochs ein Rhombus ist oder aus zwei kreisförmigen Bögen ausgebildet ist, die dem Rhombus umschrieben sind, und der Winkel, der zwischen den zwei kreisförmigen Bögen ausgebildet wird, 90 Grad oder weniger beträgt.
6. Herstellungsverfahren einer Solarzelle nach Anspruch 7, bei dem das Stiftloch im wesentlichen mittig bezüglich der Sammelelektroden angeordnet ist.
9. Herstellungsverfahren einer Solarzelle nach Anspruch 7, bei dem eine Diagonallinie durch spitzwinklige Vertikalen des Rhombus parallel zu der Richtung einer Spaltfläche der aktiven GaAs-Schicht verläuft und weder parallel zu den Sammelelektroden verläuft noch sie in rechten Winkeln kreuzt.
10. Herstellungsverfahren einer Solarzelle nach Anspruch 9, bei dem der Winkel, der zwischen der Diagonallinie und den Sammelelektroden ausgebildet ist, ungefähr 45 Grad beträgt.
11. Herstellungsverfahren einer Solarzelle nach Anspruch 7, bei dem die aktive Schicht und die Pufferschicht in der Nihe des Stiftlochs entfernt werden, nachdem der Riß erzeugt ist.
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