DE69224965T2

DE69224965T2 - Verbesserte solarzelle und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE69224965T2
Application number: DE69224965T
Authority: DE
Inventors: Jacob Murad; Fritz Wald
Original assignee: ASE Americas Inc
Current assignee: Schott Solar CSP Inc
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2012-05-09
Also published as: EP0542961A1; JP2744847B2; KR930701838A; AU647286B2; WO1992022928A1; EP0542961A4; AU1925592A; CA2087707A1; ES2115671T3; US5279682A; EP0542961B1; JPH06500671A; DE69224965D1

Description

I. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Solarzellen. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Solarzelle mit einem verbesserten leitenden Front-Gitterform- Kontaktaufbau sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben.

II. Zusammenfassuna des Standes der Technik

Solarzellen umfassen im wesentlichen ein Halbleitersubstrat eines Leitfähigkeitstyps mit einem oberflächlichen PN-Übergang, der an die Vorderfläche desselben angrenzend ausgebildet ist. Für die Zellen sind elektrische Kontakte (im allgemeinen aus Metall bestehend, und mitunter als "Elektroden" bezeichnet) an ihren vorderen und hinteren Flächen erforderlich, die mit dem Halbleitersubstrat in Kontakt sind, um einen elektrischen Strom aus den Zellen ableiten zu können, wenn sie Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Diese Kontakte bestehen normalerweise aus Aluminium, Silber oder Nickel. Eine verbreitete Anordnung bei Solarzellen mit einem Siliziumsubstrat besteht beispielsweise darin, den hinteren Kontakt aus Aluminium und den vorderen Kontakt aus Silber herzustellen.
Der Kontakt an der Vorderfläche der Zelle hat im allgemeinen die Form eines Gitters, das eine Anordnung schmaler, länglicher paralleler Finger umfaßt, die sich in einer Richtung erstrecken, und wenigstens eine Sammelleitung, die die Finger im rechten Winkel schneidet. Die Breite, die Anzahl und die Anordnung der Finger werden so gewählt, daß die Fläche der Vorderseite, die Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, auf ein Maximum erhöht wird. Des weiteren hat es sich zur Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrades der Zellen als vorteilhaft erwiesen, eine dünne reflexmindemde Beschichtung aus einem Material, wie beispielsweise Siliziumnitrid und einem Oxyd von Silizium oder Titan, auf die Vorderseite der Zellen autzutragen. Solarzellen, die unter Verwendung eines Halbleitersubstrats mit einem oberflächlichen PN-Übergang an ihre Vorderfläche angrenzend hergestellt werden, wobei diese Fläche mit einer isolierenden Beschichtung beispielsweise aus Siliziumnitrid beschichtet ist, sind daher in der Technik bekannt. Derartige Substrate werden mitunter als "Solarzellenrohlinge" bezeichnet. Der Fachmann weiß, daß eine typischer Solarzellenrohling aus einem im EFG-Verfahren hergestellten Siliziumsubstrat mit p-Leitfähigkeit und einem PN- Übergang bestehen kann, der sich ungefähr 0,5 Micrometer von der Vorderfläche entfernt befindet und eine Siliziumnitridbeschichtung mit einer Dicke von ungefähr 800 Ångstrom (10 Å = 1 nm) aufweist. Es sind auch äquivalente Solarzellenrohlinge bekannt. So können beispielsweise Einkristall-Siliziumsubstrate, gegossene polykristalline Substrate, epitaxiales Silizium auf metallurgischen Silizium- oder feinkörnigen Polysiliziumschichten, die durch chemisches oder physikalisches Aufdampfen hergestellt wurden, bei der Herstellung eines Solarzellenrohlings eingesetzt werden. Desgleichen kann n-leitendes Material ebensogut wie p-leitendes Material eingesetzt werden, und es sind andere Formen als die eines flachen Ausgangsmaterials zulässig, so beispielsweise die eines kreisrunden Materialstücks, oder auch Substrate mit bogenförmigem oder vielekkigem Querschnitt.
Der Rückseitenkontakt wird im allgemeinen hergestellt, indem im wesentlichen die gesamte Rückseite eines Solarzellenrohlings mit einer Aluminiumpaste beschichtet wird und anschließend der beschichtete Solarzellenrohling so erhitzt wird, daß das Aluminium mit dem Siliziumsubstrat eine Legierung bildet. Normalerweise bedeckt die Aluminiumbeschichtung die gesamte Rückseite bis auf einen kleinen Bereich an den Umfang der Rückseite angrenzend. Die Außenfläche des Aluminiums neigt dazu, zu oxydieren, wodurch jedoch der Widerstand eines gelöteten Kontaktes zwischen der Aluminiumfläche und einem Lappen, der zur elektrischen Verbindung der Solarzelle mit benachbarten Solarzellen oder einer externen elektrischen Schaltung dient, zunimmt. Dementsprechend hat es sich als nützlich erwiesen, zusätzlich Öffnungen durch die Aluminiumbeschichtung hindurch im Mittelabschnitt der Rückseitenfläche zu belassen. Eine silberhaltige Tinte wird anschließend eingesetzt, um diese Öffnungen zu füllen und die angrenzende Aluminiumschicht leicht zu überdecken. Diese Silberflächen bilden Positionen, an denen die Lappen des hinteren Kontaktes der Solarzelle angebracht werden können, die effektiver sind als die direkte Anbringung an dem Aluminium.
Der gitterförmige Kontakt an der Vorderfläche ist bisher auf verschiedene Weise hergestellt worden. So wird beispielsweise in einigen Fällen das Gittermuster auf der Vorderseite durch Siebdrucken oder ein anderes Verfahren hergestellt, und anschließend gebrannt, um die Legierung der in der Tinte enthaltenen Metallteilchen mit dem Siliziumsubstrat zu vollenden. Das Substrat mit dem Gittermuster, das darauflegiert wurde, wird anschließend mit dem reflektionshemmenden Belag beschichtet. Ein direkteres Vorgehen besteht darin, zunächst das Halbleitersubstrat mit dem reflektionshemmenden Belag zu beschichten und anschließend den Gitterkontakt aufzubringen, wobei dieses Verfahren in der Technik bereits eingesetzt wurde. Um letztere Aufgabe zu erfüllen, sind in einigen Fällen Abschnitte der reflektionshemmenden Beschichtung weggeätzt worden, um so Abschnitte der Vorderfläche des Halbleitersubstrats in dem gewünschten Gitterelektrodenmuster freizulegen. Anschließend wird der vordere Kontakt in dem Bereich, in dem die reflektionshemmende Beschichtung weggeätzt wurde, auf die Vorderseite in dem Bereich aufgetragen oder auf andere Weise hergestellt.
Ein weiteres Verfahren zum Herstellen des vorderen Kontaktes an dem Solarzellenrohling ist das sogenannte "Durchbrennen"-Verfahren. Dieses Verfahren besteht aus den folgenden Schritten:
1. Auftragen einer Beschichtung aus einer Metalllglasurmassen-Tinte oder -paste auf die Vorderseite eines Solarzellenrohlings in einem vorgegebenen Muster, das dem Aufbau der gewünschten Gitterelektrode entspricht, und
2. Erhitzen des beschichteten Solarzellenrohlings auf eine Temperatur und über einen Zeitraum, die ausreichen, um die Metall/Glas-Zusammensetzung die reflektionshemmende Beschichtung lösen zu lassen und einen ohmschen Kontakt mit der darunteriiegendenden Vorderfläche des Halbleitersubstrats zu bilden. Das "Durchbrenn"-Verfahren zum Herstellen von Kontakten ist in der PCT-Patentanmeldungsveröffentlichung WO 89/12312 dargestellt, die am 14. Dezember 1989 veröffentlicht wurde, und auf der US- Patentanmeldung, Seriennummer 205304 beruht, die am 10. Juni 1988 von Jack Hanoka unter dem Titel "Improved Method of Fabricating Contacts for Solar Cells" (Verbessertes Verfahren zum Herstellen von Kontakten für Solarzellen) eingereicht wurde. Das Verfahren des Brennens von Metallkontakten durch eine reflektionshemmende dielektrische Beschichtung ist darüber hinaus im US-Patent Nr.4,737,197 offenbart, das Y. Nagahara et al. für eine "Solar Cell with Paste Contact" (Solarzelle mit Pastenkontakt) erteilt wurde.
Das sogenannte "Durchbrenn"-Verfahren macht den Einsatz von Dickfilmtechnologie erforderlich, bei der eine geeignete Paste oder viskose Tinte einen relativ dicken metallhaltigen Film auf dem Solarzellenrohling bildet, der beim Brennen die reflektionshemmende Beschichtung auflöst und mit dem darunterliegenden Silizium oder einem anderen Halbleiter eine Verbindung eingeht. In der US-Patentanmeldung Nr. 666,334, die am 7. März 1991 von Jack I. Hanoka und Scott E. Danielson unter dem Titel "Method and Apparatus for Forming Contacts" (Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Kontakten) eingereicht wurde, ist ein verbessertes Verfahren zum direkten Aufschreiben eines derartigen dicken Tintenfilms auf die Vorderfläche eines Solarzellenrohlings oder eines anderen Substrats offenbart. Bei diesem Verfahren befindet sich die Ausstoßdüse des Schreibers weit genug über der sich bewegenden Oberfläche des Solarzellenrohlings, so daß der Schreiber nicht in Kontakt mit der auf den Rohling aufgetragenen Tinte kommt. Dies wiederum ermöglicht effektivere Solarzellenherstellungsverfahren, und die Herstellung von Fingerkontakten mit größeren Seitenverhältnissen (d.h. das Verhältnis der Fingerhöhe zur Fingerbreite) wurde so möglich. Die daraus resultierende Zunahme der Fingerhöhe ohne eine entsprechende Zunahme der Fingerbreite ist vorteilhaft, da der Finger somit in der Lage ist, einen größeren Strom zu leiten, ohne daß es zu einer Zunahme der sogenannten "Lichtabschattung" kommt.
Wie oben angedeutet umfaßt das Kontaktmuster auf der Vorderfläche des Solarzellenrohlings im allgemeinen wenigstens eine Sammelleitung und eine Anordnung schmaler, länglicher paralleler Finger, die die Sammelleitung im rechten Winkel schneiden. Durch diese Form wird die Menge an Strahlungssonnenenergie optimiert, die die Vorderfläche des Solarzellenrohlings erreicht, wobei gleichzeitig eine wirkungsvolle Einrichtung zum Sammeln und Übertragen des in dem Halbleitersubstrat erzeugten Stroms geschaffen wird. Sowohl die Finger als auch die Sammelleitung sind bisher im allgemeinen direkt mit dem Halbleitersubstrat legiert worden. Dies gilt sowohl für das Verfahren, bei dem der Gitterkontakt auf der Halbleitervorderfläche hergestellt wird und später mit einer reflektionshemmenden Beschichtung versehen wird, als auch für das Verfahren, bei dem der Gitterkontakt auf der Vorderfläche des Solarzellenrohlings so hergestellt wird, daß er direkt mit dem darunterliegenden Halbleiter entweder über Öffnungen, die in die Beschichtung geätzt wurden, in Kontakt kommt, oder, indem er durch die Beschichtung hindurchgebrannt wird. Der so entstehende gitterförmige Vorder-Elektrodenaufbau ermöglicht ein ökonomisches Verfahren, da das gesamte Metallisierungsmuster (Sammelschienen und Finger) gleichzeitig in den gleichen Verfahrensschritten unter Verwendung der gleichen Materialien (im allgemeinen metallhaltige Tinten) aufgedruckt werden kann.
In der Technik wird ständig nach Verbesserungen der elektrischen Eigenschaften der vorderen die Sonnenstrahlung aufnehmenden Seiten von Solarzellen gestrebt. Zu einigen der bekannteren Verfahren zur Erzielung dieser Verbesserungen gehören die Verbesserung der Lichteinfangeigenschaften der Zellen, die Verringerung der Abschattung der Vorderfläche des Solarzellenrohlings durch das Gittermuster und die Verringerung sowohl der idealen als auch der nicht idealen Komponenten der Emitter-Sättigungsstromdichte an der Vorderseite der Zelle. Die ideale Emitter-Sättigungsstromdichte besteht aus drei Komponenten: Rekombination in der Emitterschicht, Rekombination an der Grenzschicht zwischen Halbleiter und reflektionshemmender Beschichtung und Rekombination an der Grenzschicht zwischen Metall und Halbleiter. Eine bedeutende Zunahme des Solarzellenwirkungsgrades macht Verringerung aller Quellen der Rekombination erforderlich. Des weiteren sind technische Fortschritte wünschenswert, mit denen die Herstellung vereinfacht und/oder die Kosten verringert werden, ohne daß dies nachteilige Auswirkungen auf den gegenwärtig erreichbaren Solarzellenwirkungsgrad und/oder die Lebensdauer hat.
Solarzellen mit verringerter Rekombination an ihrer Vorderfläche, bei denen die Sammelschienen nicht in direktem Kontakt mit der Vorderfläche sind, und deren Aufbau den Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht, sind aus WO-A-8803709 sowie JP-A-621 56881 bekannt.

Zusammenfassunci der Erfindunci

Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung darin&sub1; einen verbesserten vorderen Kontakt für eine Solarzelle zu schaffen, durch den die Rekombination an der Grenzfläche zwischen Metall und Halbleiter der Solarzelle verringert wird.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht des weiteren darin, eine Solarzelle zu schaffen, die einen vorderen Kontakt aufweist, der sich sowohl hinsichtlich des Herstellungsaufwandes als auch der Materialkosten kostengünstig herstellen läßt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht weiterhin darin, eine Solarzelle mit einer verbesserten (d.h. einer höheren) Ruhezellenspannung zu schaffen.
Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Solarzelle mit einem Wirkungsgrad, der dem gegenwärtig verfügbarer Solarzellen entspricht, mit vorhandenen Anlagen und zu verringerten Kosten zu schaffen.
Diese und andere Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden mit der Schaffung einer Solarzelle erreicht, die die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist.
Bei einem bevorzugten Fall wird die Vorderfläche des Halbleitersubstrats mit einer dünnen Beschichtung aus einem Antireflexmaterial aus Siliziumnitrid bedeckt. Die Finger werden aus einer Paste oder einer viskosen Tinte hergestellt, die Silber und Glasurmasseteilchen enthält, die bei einer Temperatur und über einen Zeitraum gebrannt werden, die ausreichen, um die Glasurmasse den Antireflexbelag auflösen zu lassen, so daß das Silber in engen Kontakt mit dem darunterliegenden Halbleitersubstrat kommt. Die Sammelschiene besteht aus einer Epoxydharzverbindung, die Teilchen aus einem leitenden Metall enthält, das auf die Vorderfläche des Antireflexbelages im rechten Winkel zu den Fingern und in Kontakt damit aufgetragen wird.
Das Verfahren der Erfindung ist in Anspruch 9 dargestellt.
Das neuartige Verfahren kann mit einem Silizium-Solarzellensubstrat ausgeführt werden, an dem bereits ein hinterer ohmscher Kontakt befestigt ist, oder letzterer Kontakt kann hergestellt werden, nachdem der Vorderflächenaufbau hergestellt wurde. Da die Haftung an der Antireflexschicht genutzt wird, um die Sammelschiene zu halten, kann das Epoxydharz auf bequeme Weise auf die gebrannte Solarzelle aufgetragen werden, d.h. durch direktes Aufschreiben, Polsterbedrucken, Siebdrucken oder dergleichen, nachdem die Finger aufgedruckt und gebrannt worden sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis des Aufbaus und des Verfahrens der Herstellung von Solarzellen gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf die folgende detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der verbesserten Solarzelle und des verbesserten Verfahrens zu ihrer Herstellung und die beigefügten Zeichnungen zu verweisen. In allen Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher Elemente verwendet. Es versteht sich des weiteren, daß die Zeichnungen lediglich veranschaulichend zu verstehen sind. Die Dicken und Tiefen der verschiedenen Schichten, Beschichtungen und Bereiche sind, um die Darstellung zu vereinfachen und zu verdeutlichen, weder maßstäblich noch genau exakt in ihren tatsächlichen Proportionen dargestellt. Desgleichen sind Schnittansichten der Übersichtlichkeit halber ohne Schraffierung dargestellt. Die verschiedenen Figuren lassen sich im einzelnen kurz wie folgt charakterisieren:
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine verbesserte Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische, als Schnitt ausgeführte Seitenansicht eines Teils eines Halbleitersubstrats mit einem oberflächlichen PN-Übergang (mit unterbrochenen Linien dargestellt) an seine vordere Fläche angrenzend, einer Beschichtung aus Antireflexmaterial an seiner vorderen Fläche und einem elektrischen Kontakt, der an seiner Hinterfläche befestigt ist;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die Fig. 2 ähnelt und das Auftragen einer leitenden Paste bzw. Tinte in Öffnungen in dem elektrischen Kontakt, der an der hinteren Fläche des Halbleitersubstrats befestigt ist&sub1; sowie eine beispielhafte Position einer Anordnung von schmalen, länglichen, parallelen Fingern aus einer leitenden Tinte bzw. Paste, die Glasurmasse enthält, an der vorderen Fläche der Beschichtung aus Antireflexmaterial zeigt;
Fig. 4 ist eine Fig. 3 ähnelnde schematische Ansicht, die die Positionen der in Fig. 3 dargestellten Elemente zueinander nach dem Erwärmen gemäß dem Verfahren der Erfindung zeigt; und
Fig. 5 ist eine Fig. 4 ähnelnde schematische Ansicht, die die Anordnung einer Sammelschiene an der vorderen Fläche des Antireflexbelages in elektrischem Kontakt mit jedem der Finger der Anordnung zeigt.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführung

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 und 5 ist eine verbesserte Solarzelle, die allgemein mit 1 gekennzeichnet ist, gemäß der Erfindung dargestellt. Die Solarzelle enthält, wie in der Technik bekannt ist, ein Halbleitersubstrat 2 mit einem oberflächlichen PN-Übergang 3, der sich an seiner vorderen Fläche 4 befindet. Eine Antireflex ("AR")- Beschichtung 5 befindet sich auf der vorderen Fläche 4 des Halbleitersubstrats 2. Eine hintere Elektrode 6 ist in einem niederohmigen elektrischen und mechanischen Kontakt an der hinteren Fläche 7 des Halbleitersubstrats befestigt.
Bei der bevorzugten Ausführung bedeckt die hintere Elektrode 6 die gesamte hintere Fläche 7 des Halbleitersubstrats 2 bis auf einen kleinen Bereich an den Umfang der hinteren Fläche 7 angrenzend. Die hintere Elektrode 7 weist darüber hinaus eine vorgebene Anzahl von Öffnungen, die stellvertretend mit 8 dargestellt sind, an vorgegebenen beabstandeten Positionen auf. Eine stark leitende Kontaktstelle 9 füllt jede der Öffnungen 8 aus, so daß ein ohmscher Kontakt mit dem Halbleitersubstrat entsteht. Die Kontaktstellen 9 sind auch mit den Seiten der Öffnungen 8 in Kontakt und überdecken die hintere Elektrode 6 in dem unmittelbar an die entsprechenden Öffnungen angrenzenden Bereich. Das Material der Kontaktstellen 9 wird so ausgewählt, daß die Bildung von niederohmigen elektrischen Kontakten mit der hinteren Elektrode 7 durch eine Lappeneinrichtung (tabbing means) (nicht dargestellt) zur mechanischen und elektrischen Verbindung der Solarzelle mit anderen Zellen oder mit einer externen elektrischen Schaltung erleichtert wird. Bei einem bevorzugten Fall besteht die hintere Elektrode 6 aus einem Aluminiummaterial, während die Kontaktstellen 9 aus einem Silbermaterial bestehen. Diese Materialwahl erleichtert die Herstellung von gelöteten niederohmigen Kontakten mit der hinteren Elektrode 6, wobei gleichzeitig die niedrigen Kosten von Aluminium im Vergleich zu den hohen Kosten von Silber ausgenutzt werden.
Der Gitteraufbau der vorderen Elektrode, der allgemein mit 14 gekennzeichnet ist, enthält eine Anordnung schmaler, länglicher, paralleler hochleitender Finger 10, die jeweils eine vordere Fläche 11 und eine hintere Fläche 12 haben (Fig. 3). Jeder der Finger 10 erstreckt sich durch den Antireflexbelag 5 hindurch, so daß seine Rückseite 12 in haftendem und niederohmigen elektrischen Kontakt mit der vorderen Fläche 4 des Haibleitersubstrats 2 ist.
Vorzugsweise haben die Finger 10 jeweils eine Höhe, die der Dicke des Antireflexbelags 5 entspricht oder etwas größer ist als diese (Fig. 4). Es hat sich herausgestellt, daß Materialien auf Silberbasis sich besonders gut für die Herstellung dieser Elektroden eignen.
Der/die Sammelschienenabschnitt/e 13 des Gitters der vorderen Elektrode befindet/befinden sich an der vorderen Fläche 15 des Antireflexbelages 5 im rechten Winkel zu den Fingern 10. Die Sammelschiene 10 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, das eine zuverlässige Haftbindung mit der vorderen Fläche 15 des Antireflexbelages 5 und einen niederohmigen elektrischen Kontakt wenigstens mit der vorderen Fläche 11 jedes der Finger 10 an den Punkten bildet, an denen die vertikale Ebene, die die Sammelschiene einschließt, die vertikalen Ebenen schneidet, die jeden der Finger 10 einschließen.
Gemäß der Erfindung handelt es sich bei dem Material der Sammelschiene um leitendes Epoxydharz, das darin dispergierte Metallteuchen umfaßt. Dies ist eine erhebliche Abweichung vom Aufbau des vorderen Elektrodengitters gegenwärtiger Solarzellen, bei denen die Finger und Sammelschienen im allgemeinen erstens aus den gleichen Materialien bestehen, zweitens während der gleichen Verfahrensschritte hergestellt werden, und drittens sowohl in direktem haftenden als auch ohmschen Kontakt mit der vorderen Fläche des darunterliegenden Halbleitersubstrats sind. Für den Fachmann liegt jedoch auf der Hand, daß die Finger und die Sammelschienen des Gittermusters des vorderen Kontaktes einer Solarzelle unterschiedlichen primären Zwecken dienen, und daß unterschiedliche Anforderungen an sie gestellt werden. Die Finger sammeln den Strom aus dem Halbleiter und leiten den so gesammelten Strom zu den Sammelschienen. Daher müssen die Finger gute Leitfähigkeit aufweisen und einen guten, zuverlässigen und niederohmigen elektrischen Kontakt mit der vorderen Fläche des Halbleitersubstrats bilden. Die Sammelschiene hingegen leitet den gesammelten Strom, den sie von den Fingern empfangen, zu Lappenmaterial (nicht dargestellt), das benutzt wird, um die einzelnen Zellen zu Modulen zu verbinden oder andernfalls die Zelle mit einer extemen elektrischen Schaltung zu verbinden. Daher müssen die Sammelschienen gut an der Solarzelle haften und einen leitenden Weg von jedem Finger zu dem Lappenmaterial bilden. Die Sammelschienen müssen keinen engen Kontakt mit der vorderen Fläche des Halbleiters bilden, um auf die gewünschte Weise zu funktionieren. Eine geringe Menge der Gesamtstromabnahmekapazität der vorderen Elektrode, die durch die Sammelschienen in den Zwischenräumen zwischen den Fingern vorhanden ist, geht durch das Entfemen der Sammelschienen aus der Nähe des Halbleiters verloren, jedoch sind die damit erzielten Vorteile erheblich. Dadurch wird nicht nur die Metall-Halbleiter-Grenzfläche um ungefähr 40 % verringert, so daß der Anteil der Emitter-Sättigungsstromdichte, die durch Rekombination an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche bewirkt wird, verringert wird, sondern die Sammelschienen können auch aus Materialien hergestellt werden, die sich von denen der Finger unterscheiden (und weniger kosten als diese). Die potentiellen Vorteile hinsichtlich des verbesserten Solarzellenwirkungsgrades und der Materialkosten allein machen den neuartigen Elektrodenaufbau, der ausführlich oben beschrieben ist, bedeutsam.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen einer vollständigen verbesserten Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 2 bis 5 beschrieben. Dieses Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte:
1. Bereitstellen eines Siliziumsubstrats 2 mit einem oberflächlichen PN-Übergang 3 an seine vordere Fläche 4 angrenzend und einer dünnen Schicht aus Siliziumnitrid 5 an seiner vorderen Fläche 4;
2. Beschichten der hinteren Fläche 7 des Siliziumsubstrats 2 mit einer Aluminiumpaste, so daß die Paste die gesamte Fläche bis auf einen kleinen Bereich an den Umfang der Rückseite angrenzend und eine Vielzahl kleiner vorgegebener beabstandeter Bereiche im mittleren Abschnitt der Rückseite 6 bedeckt;
3. Trocknen der Aluminiumpaste nach dem Auftragen auf die hintere Fläche des Siliziumsubstrats und anschließendes Erhitzen des Siliziumsubstrats, so daß das Aluminium schnell und wirkungsvoll einen hinteren elektrischen Kontakt 6 bildet, der mit der hinteren Fläche 7 des Siliziumsubstrats 2 legiert wird (die entstehende Struktur nach Abschluß der Schritte 1-3 entspricht im wesentlichen der Darstellung in Fig. 2);
4. Beschichten der kleinen vorgegebenen beabstandeten Bereiche an der Rückseite mit einer Tinte oder Paste, die Silberteilchen enthält, so daß die Paste bzw. Tinte die Öffnungen 8, die durch den angrenzenden Aluminiumkontakt 7 gebildet werden, ausfüllt und die Rückseite des Aluminiumkontaktes an den Umfang jeder der Öffnungen 8 angrenzend überdeckt;
5. Beschichten der vorderen Fläche der Siliziumnitridschicht 5 mit einer Paste bzw. Tinte, die Silberteilchen und eine Glasurmasse enthält, um so eine Anordnung schmaler, länglicher, paralleler Finger 10 auf dem Siliziumnitrid herzustellen (die Struktur in diesem Stadium ist veranschaulichend in Fig. 3 dargestellt);
6. Trocknen der silberhaltigen Pasten nach ihrem Auftragen auf die vordere und die hintere Fläche des Siliziumsubstrats und anschließendes Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur von 750 bis 850ºC über einen Zeitraum der ausreicht, um zu bewirken, daß a) die Metall- und Glasurkomponenten der die Siliziumnitridschicht bedeckenden Paste in diese Schicht eindringen und einen haftenden und leitenden Kontakt auf der vorderen Fläche 4 des Halbleitersubstrats 2 bilden, und b) die silberhaltige Tinte bzw. Paste, die in die kleinen vorgegebenen beabstandeten Bereiche auf der hinteren Seite des Siliziumsubstrats aufgetragen wurde, einen zuverlässigen niederohmigen elektrischen Kontakt sowohl mit dem Siliziumsubstrat als auch mit dem daran angrenzenden Aluminium bildet (die entstehende Struktur ist veranschaulichend in Fig. 4 dargestellt); und
7. Beschichten der vorderen Fläche 15 der entstehenden Struktur mit einem leitenden Epoxydharz, das Silberteilchen enthalt, so daß wenigstens eine Sammelschiene 13 (Fig. 5) entsteht, die sich im rechten Winkel zu den Fingern 10 der zuvor darauf aufgetragenen Anordnung erstreckt, und anschließend Aushärten des Epoxydharzes auf geeignete Weise (z.B. durch Einwirken von Wärme oder auf andere Weise), so daß das Epoxydharz einen zuverlässigen niederohmigen elektrischen Kontakt mit jedem der Finger der Anordnung bildet. Die fertige Struktur ist veranschaulichend in Fig. 5 dargestellt. Anschließend kann die Struktur weiter bearbeitet werden, d.h. sie kann zum Anschließen an eine elektrische Schaltung vorbereitet werden.
Im allgemeinen sollte die Silbertinte, die zum Herstellen der Finger eingesetzt wird, zwischen 45 und 80 Gew.% Metallpartikel, 1 bis 5 Gew.% Glasurmasse und als Rest ein organisches Bindemittel enthalten. Eine derartige Tinte, die sich als geeignet erwiesen hat, ist die Paste Ferro Conductrox 3349, die von Ferro Electronics Materials Division (Santa Barbara, Kalifornien) hergestellt wird. Es wird angenommen, daß sich die Tinte, wie folgt zusammensetzt: 45-80 Gew.% Silberteilchen, 1-5 Gew.% Bleiborsilicat-Glasur, 10-30 Gew.% Diethylenglycol-Monobutylether, und 1-5 Gew.% Ethylenglycol- Monobutylether.
Mit Ausnahme der Herstellung der Sammelschienenabschnitte der vorderen gitterförmigen Elektrode gleicht das obenstehende Verfahren im allgemeinen dem Verfahren, das ausführlich in der US-Patentanmeldung Seriennummer 07/607,883 beschrieben ist, die am 1. November 1990 von Jack I. Hanoka unter dem Titel "Method for Fabricating Contacts for Solar Cells" (Verfahren zum Herstellen von Kontakten für Solarzellen) eingereicht wurde und die eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung Nr.205304 darstellt, die oben erwähnt wurde. Beide Anmeldungen sind gegenwärtig dem Abtretungsempfänger der vorliegenden Anmeldung abgetreten. Die Details des Aufbaus der hinteren Elektrode 6 stellen nur insofern einen Teil der vorliegenden Erfindung dar, als sie Bestandteil der besten Art und Weise zum Ausführen der Erfindung bilden, die den Anmeldern gegenwärtig bekannt ist. Die Erfindung der Anmelder besteht im Aufbau, der Zusammensetzung und dem Verfahren zur Herstellung des Sammelschienenabschnitts des vorderen Kontaktes einer Solarzelle.
Das folgende Beispiel verdeutlicht weiter einen bevorzugten Gegenstand und ein Herstellungsverfahren desselben, wie sie von der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, und enthält empirische Versuchsergebnisse, die die geschaffene Verbesserung belegen.

Beispiel

Zwei Gruppen von im EFG-Verfahren hergestellten quadratischen Siliziumsubstraten mit einer Seitenlänge von 4 Inch wurden bereitgestellt. Es wurde sorgfältig darauf geachtet, daß Schwestersubstrate in jeder Gruppe miteinander gezüchtet wurden, und daß die Zeir/Temperatur-Profile im Diffusionsofen und der Dotierungsmittelfluß von der gleichen massiven Quelle aus für Schwestersubstrate nahezu identisch bzw. identisch waren. Die durchschnittliche Differenz des Widerstandes zwischen den vorderen und den hinteren Flächen der entsprechenden Paare von Schwestersubstraten wurde mit lediglich 0,08 Ohm gemessen. Die Schwestersubstrate der entsprechenden Gruppen wurden daher als im wesentlichen gleich sowohl hinsichtlich der kristallinen Struktur als auch der Art des oberflachlichen PN-Übergang betrachtet, der ungefähr 6000 Ångstrom unter der vorderen Fläche jedes der Substrate ausgeformt war. Auf alle Substrate wurden an ihren vorderen Flächen eine Schicht aus Siliziumnitrid aufgetragen, die ungefähr 800 Ångstrom dick war. Des weiteren wurden an den hinteren Flächen aller Substrate im wesentlichen identische Aluminiumkontakte ausgebildet, indem die hintere Fläche mit einer aluminiumhaltigen Paste in der gewünschten Struktur beschichtet wurde und das Substrat dann erhitzt wurde, um das Aluminium mit der hinteren Fläche des Siliziumsubstrats zu legieren.
Die Schwestersubstrate wurden dann in zwei Gruppen aufgeteilt, d.h. eine Kontrollgruppe und eine Versuchsgruppe. Eine Tinte, die sowohl Silber- als auch Glasurpartikel enthielt und von Ferro Electronics Materials Division unter der Bezeichnung Nr.3349 hergestellt wird, wurde anschließend auf die vordere Fläche des mit Siliziumnitrid beschichteten Substrats mit einem Direktschreibverfahren aufgetragen. Bei den Kontrollgruppensubstraten handelt es sich bei dem Muster, das auf der vorderen Fläche mit der Tinte hergestellt wurde, um ein Gitter, das eine Anordnung schmaler, langlicher, paralleler Finger und ein Paar Sammelschienen einschloß, die sich quer zu der Fingeranordnung im rechten Winkel zu den Fingern erstreckten. Bei der Versuchsgruppe bestand das hergestellte Muster lediglich aus einer Anordnung schmaler, langlicher, paralleler Finger. Silbertinten-Kontaktstellen wurden auch in den Öffnungen hergestellt, die in dem Aluminium-Hinterseitenkontakt vorhanden waren, und zwar unter Verwendung der Tinte Ferro Conductrox 3349. Die Tintenschichten wurden getrocknet und anschließend in einem Ofen bei einer Temperatur von ungefähr 800ºC über einen Zeitraum von ungefähr 10s gebrannt, so daß die Tinte auf der Vorderseite der Substrate das darunterliegende Siliziumnitrit auflöste und ein festhaftender niederohmiger Kontakt mit der vorderen Fläche des Siliziumsubstrats entstand.
Die Versuchsgruppe wurde dann in die Direktschreib-Bearbeitungseinrichtung zurückgeführt, in der eine Beschichtung aus Silberepoxydharzpaste, die von Al-Technology unter der Bezeichnung, ME8450 hergestellt wird, in der Struktur einer Sammeischiene aufgetragen wurde, die sich quer über die Anordnung gebrannter Finger im rechten Winkel dazu erstreckte. Es wird davon ausgegangen, daß das Epoxydharzmaterial ME8450 die folgende Zusammensetzung hat: 20 Gew.% Silberpartikel, 70 Gew.% Epoxydharz und 10 Gew.% anderes Material. Das feuchte Epoxydharz wurde anschließend in einem Ofen bei 150ºC eine Std. lang ausgehärtet. Schwestersubstrate aus der Kontroll- und der Versuchsgruppe, die weniger als 1 mA/cm² Verluststrom aufwiesen, wurden dann getestet.
Die Ergebnisse dieser Tests offenbarten, daß bei den getesteten Schwestersubstratpaaren die durchschnittliche Ruhezellspannung der Versuchsgruppe (mit dem Vorderkontaktaufbau der vorliegenden Erfindung) ungefähr 2 Millvolt über der Ruhezellspannung der Kontrollgruppe lag (die die herkömmliche vordere Gittermusterelektrode aufwies, die vollständig in Kontakt mit der vorderen Fläche des Siliziumsubstrats war). Der durchschnittliche Wirkungsgrad der Versuchsgruppe war ebenfalls um ungefähr 0,1 mW/cm² größer als der der Kontrollgruppe, da sich der Ausnutzungsfaktor ebenfalls verbesserte.
Dementsprechend wird klar, daß die Erfindung vorsieht, den Sammelschienenabschnitt der vorderen Gitterelektrode aus dem engen Kontakt mit der vorderen Fläche des Halbleitersubstrats einer Solarzelle des oben ausführlich erläuterten Typs zu lösen. Diese Veränderung des bisher akzeptierten Aufbaus dieser Elektrode weist Vorteile hinsichtlich des Gesamtzellenwirkungsgrades und der Ruhzellspannung auf. Des weiteren sind, da das Material der Sammelschiene nicht mehr das gleiche wie das der Fingerabschnitte des Gitters sein muß, erhebliche Materialkosteneinsparungen bei der Solarzellenherstellung möglich, ohne daß dies auf Kosten des Gesamtzellenwirkungsgrades geht. Silber hat sich als das beste Material für das vordere Gittermuster erwiesen, da es sehr leitfähig ist und in der Lage ist, niederohmigen Lötkontakt mit dem Lappenmaterial herzustellen, das üblicherweise Nickelbasis hat. Silbertinten und -pasten sind jedoch teuer und zwar insbesondere dann, wenn die Silberteilchen mit Glasurmassematerialien in bestimmten Verhältnissen gemischt werden müssen, um die Bildung von annehmbaren Kontakten, die an der vorderen Fläche des Halbleitersubstrats angeklebt sind, und vollständiges Eindringen des Antireflexbelages unter Verarbeitungsbedingungen zu gewährleisten, durch die der Rest der Zelle nicht beschädigt wird. Silberteilchen enthaltende Epoxydharze und Tinten oder Pasten, die Silberteilchen und Glasurmasse in Konzentrationen (oder Arten) enthalten, die während der Verarbeitung nicht vollständig in den Antireflexbelag eindringen, sind für Sammelschienen annehmbar, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Des weiteren wird angenommen, daß aus der obenstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung für den Fachmann die Einsetzbarkeit anderer Materialien bei der Herstellung der Sammelschiene ersichtlich ist.
Aus der obenstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann auf diesem Gebiet verschiedene zusätzliche Veränderungen, Abwandlungen, Änderungen und auf der Hand liegende Austauschmöglichkeiten hervor. Es versteht sich daher, daß die obenstehende Beschreibung der Erfindung lediglich veranschaulichend sein soll und in keiner Weise den Schutzumfang der Erfindung einschränkt. Die Erfindung sollte statt dessen als lediglich durch die Bestimmungen der beigefügten Ansprüche beschränkt verstanden werden.

Claims

1. Sonnenzelle bestehend aus :

- einem Halbleitersubstrat (2) mit einer vorderen Fläche (4), einer hinteren Fläche (7) und einem oberflächlichen PN-Übergang (3) neben der vorderen Fläche ;

- einem Antireflexbelag (5), der die vordere Fläche (4) abdeckt und damit verbunden ist, wobei der Antireflexbelag eine dem Substrat abgewandte vordere Fläche (15) aufweist;

- einer ersten Elektrode (6), die über einen mechanischen und elektrischen Kontakt mit der hinteren Fläche verbunden ist ;

- einer Reihe von engen, länglichen, im wesentlichen parallelen, beabstandeten zweiten Elektroden (10), die sich je durch den Antireflexbelag hindurch erstrecken und über einen mechanischen und niederohmigen elektrischen Kontakt mit der vorderen Fläche (4) des Substrates (2) verbunden sind ; und

- mindestens einer dritten Elektrode (13), die die vordere Fläche (15) des Antireflexbelags (5) derart überdeckt und damit verbunden ist, daß sie sich über die ganze Reihe in einem im wesentlichen gleichen Winkel zu jeder der zweiten Elektroden erstreckt, in beabstandeter, nicht-berührender Verbindung mit der vorderen Fläche (4) des Substrates (2), wobei die mindestens eine dritte Elektrode einen direkten, niederohmigen elektrischen Kontakt mit jeder der zweiten Elektroden bildet,

dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine dritte Elektrode in einer Epoxymatrix zerstreute Metallpartikel enthält.

2. Sonnenzelle nach Anspruch 1, bei der der Antireflexbelag (5) so angeordnet ist, daß er jede der zweiten Elektroden (10) einfaßt.

3. Sonnenzelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Halbleitesubstrat (2) aus Silizium besteht.

4. Sonnenzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Antireflexbelag (5) aus Siliziumnitrid besteht.

5. Sonnenzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Elektrode (6) Aluminium enthält.

6. Sonnenzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jede der zweiten Elektroden (10) in einer Glasmatrix zerstreute Silberpartikel enthält.

7. Sonnenzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine dritte Elektrode mit der zweiten Elektrode verbunden ist.

8. Sonnenzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine dritte Elektrode (13) in einer Glasmatrix zerstreute Silberpartikel enthält.

9. Verfahren zur Herstellung einer Sonnenzelle, bei dem :

(a) ein Halbleitersubstrat vorgesehen ist, mit einer vorderen Fläche, einer hinteren Fläche, einem oberflächlichen PN-Übergang neben der vorderen Fläche, einem Antireflexbelag, der die vordere Fläche überdeckt und damit verbunden ist, und einer ersten Elektrode, die in mechanischem und elektrischem Kontakt mit der hinteren Fläche steht ;

(b) auf der vorderen Fläche des Halbleitersubstrates eine Reihe von engen, länglichen, im wesentlichen parallelen, beabstandeten zweiten Elektroden derart gebildet wird, daß jede der zweiten Elektroden in mechanisch haftendem und niederohmigem elektrischem Kontakt mit der vorderen Fläche des Halbleitersubstrates steht und vom Antireflexbelag eingefaßt wird ; und

(c) mindestens eine dritte Elektrode mit dem Antireflexbelag derart haftend verbunden wird, daß die mindestens eine dritte Elektrode (i) sich über die ganze Reihe in einem im wesentlichen gleichen Winkel zu jeder der zweiten Elektroden erstreckt, (ii) von der vorderen Fläche des Halbleitersubstrates durch den Antireflexbelag getrennt ist und (iii) in direktem, niederohmigem elektrischem Kontakt mit jeder der zweiten Elektroden steht, wobei die mindestens eine dritte Elektrode aus einer Zusammensetzung besteht, die in einer Epoxymatrix zerstreute Metallpartikel enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Halbleitersubstrat aus Silizium besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Antireflexbelag aus Siliziumnitrid besteht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die dritte Elektrode Silberpartikel in einer Epoxymatrix enthält.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die erste Elektrode Aluminium enthält.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem das Bilden der Reihe von zweiten Elektroden besteht in :

(a) selektivem Autragen einer Schicht Metalipartikel und Glasfritte enthaltender Paste oder Tinte nach dem Muster der gewünschten Reihe auf den Antireflexbelag ; und.

(b) anschließendem Erhitzen des beschichteten, die Schicht Paste oder Tinte tragenden Halbleitersubstrates auf eine derartige Temperatur und während einer derartigen Zeitdauer, daß die aufgetragene Schicht Paste oder Tinte den Antireflexbelag durchdringt und einen haftenden mechanischen und niederohmigen elektrischen Kontakt mit der vorderen Fläche des Halbleitersubstrates bildet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Paste oder Tinte durch Direktätz-Mittel auf den Antireflexbelag aufgetragen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Paste oder Tinte in einer Glasmatrix zerstreute Silberpartikel enthält.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem die zur Bildung der mindestens einen dritten Elektrode verwendete Zusammensetzung in flüssiger Form mittels eines Verfahrens, das unter der Gruppe von Siebdruck, Stempeldruck und Direktätzen ausgewählt wird, auf den Antireflexbelag aufgetragen und anschließend an Ort und Stelle ausgehärtet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Aushärten der mindestens einen dritten Elektrode bei einer Temperatur von 150ºC erfolgt.