DE69535071T2

DE69535071T2 - Solarzelle und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69535071T2
Application number: DE69535071T
Authority: DE
Inventors: Masahito Shiki-gun Asai
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1995-04-24
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2015-04-25
Also published as: JPH07297429A; EP0680099A3; EP0680099A2; JP3032422B2; CN1120245A; EP0680099B1; CN1093690C; DE69535071D1; US5609694A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben, und bezieht sich insbesondere auf die Verbesserung einer Solarzelle, die in einem Solarzellenmodul mit einer Vielzahl von seriell verbundenen Solarzellen verwendet wird, und auf ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Beschreibung des Standes der Technik
Die 19 und 20 zeigen eine Licht empfangende Oberfläche (auch als "vordere Ebene" bezeichnet") und eine rückseitige Oberfläche einer konventionellen Solarzelle. Eine Solarzelle 10 beinhaltet ein Halbleitersubstrat 1. Die vordere Ebene des Substrats 1 ist mit einem Antireflexionsfilm 3 bedeckt. Eine kammartige vordere Silberelektrode ist auf dem Antireflexionsfilm 3 ausgebildet. Die vordere Silberelektrode ist mit einer Lötmittelschicht 8a bedeckt. Ein Hauptteil der rückseitigen Oberfläche der Solarzelle 10 ist mit einer Aluminiumelektrode 6 bedeckt. Rückseitige Silberelektroden sind an einer Vielzahl von lokalen Regionen in der Region der Aluminiumelektrode 6 ausgebildet. Die rückseitigen Silberelektroden sind mit einer Lötmittelschicht 5a bedeckt.
Die 21 und 22 stellen ein Verfahren zum Herstellen der in den 19 und 20 gezeigten Solarzelle dar. Zum Zwecke der Vereinfachung ist das Maß zwischen verschiedenen Elementen, die in der Zeichnung gezeigt sind, nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
Es wird angemerkt, dass die 21(A) bis 21(D) und die 22(A) bis 22(D) sequentielle Schritte eines Herstellungsprozesses zeigen.
Bezug nehmend auf 21(A) wird ein Halbleitersubstrat 1 vorbereitet mit zum Beispiel einem Durchmesser von 100 μm und einer Dicke von 0,4 mm. Das p-Halbleitersubstrat 1 hat allgemein eine Verunreinigungskonzentration in dem Bereich von 3 × 10¹⁵ bis 4 × 10¹⁶ cm^–3. Ein Siliziumsubstrat 1 mit einer Hauptoberfläche (100) wird vorwiegend verwendet. Bevorzugt ist die Licht empfangende Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 in einer pyramidenförmigen konkaven und konvexen Art und Weise (bezeichnet als "Texturoberfläche") ausgebildet, wie in dem Kreis, der einen vergrößerten Abschnitt davon zeigt, zum Zweck des Verringerns von Lichtreflexionen. Eine solche Texturoberfläche wird durch Behandeln des Siliziumsubstrats 1 für 20 bis 30 Minuten bei einer Temperatur in dem Bereich von 80°C bis 90°C, während Isopropyl-Alkohol in einer Lösung mit einigen %NaOH hinzugefügt wird, erzeugt.
Bezug nehmend auf 21(B) wird eine n⁺-Schicht 2 mit einer Dicke von zum Beispiel etwa 0,4 μm über die gesamte Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 erzeugt. Die n⁺-Schicht 2 kann durch Anwenden eines Diffusionsprozesses für 45 Minuten bei 900°C in einer Umgebung mit zum Beispiel POCl₃-Gas erzeugt werden. Hierbei wird ein (nicht gezeigter) phosphorischer Glasfilm auf der Oberfläche der n⁺-Schicht 2 erzeugt, welcher nicht erforderlich ist. Dieser phosphorische Glasfilm kann durch Eintauchen desselben in eine Lösung mit 10% HF für eine Minute entfernt werden.
Bezug nehmend auf 21(C) wird ein Antireflexionsfilm 3, wie beispielsweise aus Titanoxid oder Siliziumoxid, durch Verdampfung oder ein CVD-Verfahren auf der Licht empfangenden Oberfläche des Substrats 1 erzeugt. Der Antireflexionsfilm 3 wird mit einer Dicke von 70 bis 80 nm erzeugt. Das Vorhandensein einer n⁺-Schicht 2 über der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 verursacht einen Kurzschluss zwischen der negativen Spannung (der n-Seite) und der positiven Elektrode (der p-Seite) der Solarzelle, so dass günstige elektrische Eigenschaften nicht erhalten werden können. Es ist daher notwendig, die n⁺-Schicht 2 zumindest von der rückseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 zu entfernen.
Bezug nehmend auf 21(D) wird ein säureresistentes Resist 4 durch Schirmdrucken auf den Antireflexionsschicht 3 aufgebracht, um getrocknet zu werden. Dann wird ein Ätzschritt unter Verwendung einer Mischung aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure (HF : HNO₃ = 1 : 3) angewandt, wodurch die n⁺-Schicht 2 von der Seitenfläche und der rückseitigen Oberfläche des Substrats 1 entfernt wird.
Dann wird die Resistschicht 4 unter Verwendung eines Lösungsmittels wie beispielsweise Toluen oder Xylen entfernt, wie in 22(A) gezeigt ist. Bezug nehmend auf 22(B) werden eine Paste 5 mit Silber und eine Paste 6 mit Aluminium in einem vorbestimmten Muster aufgedruckt, um getrocknet zu werden. Das Substrat 1 wird einer Wärmebehandlung bei 700°C bis 800°C unterzogen, wodurch eine rückseitige Silberelektrode 5 mit einer Dicke von etwa 20 μm und eine rückseitige Aluminiumelektrode 6 mit einer Dicke von etwa 50 μm gebacken werden. Hierbei werden Aluminium und Silizium verbunden, wo durch eine p⁺-Schicht 7 auf der Aluminiumelektrode 6 erzeugt wird. Die p⁺-Schicht hat eine Dicke von etwa 5 μm, um einen rückseitigen Oberflächeneffekt bzw. BSF (Back Surface Field)-Effekt zu induzieren.
Bezug nehmend auf 22(C) wird eine Silber enthaltende Paste 8 mit einem vorbestimmten Muster auf den Antireflexionsfilm 3 gedruckt, um getrocknet zu werden. Dann wird eine Wärmebehandlung auf das Substrat 1 bei einer Temperatur in dem Bereich zwischen 600°C–700°C angewandt, wodurch eine vorderseitige Silberelektrode 8 mit einer Dicke von etwa 20 μm gebacken wird. Hierbei beinhaltet die Silberpaste Glasfritte, und bildet die vorderseitige Silberelektrode 8 einen 0hm'schen Kontakt mit der n⁺-Schicht 2 über den Antireflexionsfilm 3.
Bezug nehmend auf 22(D) werden Lötmittelschichten 5a und 8a mit einer Dicke von etwa 20 μm auf den Oberflächen der rückseitigen Silberelektrode 5 bzw. der vorderseitigen Silberelektrode 8 erzeugt. Somit wird eine Solarzelle 10 vervollständigt. Die in 22(D) gezeigte Struktur entspricht der Struktur von 20 entlang der Linie 24H–24H.
Obwohl die vorstehende Beschreibung eine n⁺-Schicht 2 betrifft, die durch Diffusion unter Verwendung von POCl₃-Gas erzeugt wird, kann eine n⁺-Schicht auf einer Licht empfangenden Oberfläche durch Anwenden einer Dotiermittellösung mit Alkylsilikat, Alkohol, Carbonsäure usw. und Phosphor-Pentaoxid als einer Diffusionsquelle auf der Licht empfangenden Oberfläche des Siliziumsubstrats mittels einem Schleuderbeschichter erzeugt werden, welche dann einer Diffusions-Wärmebehandlung unterzogen wird. Dieses bekannte Verfahren resultiert jedoch in der Erzeugung einer n-Schicht auch auf der rückseitigen Oberfläche und der Seitenfläche des Siliziumsubstrats aufgrund des automatischen Dotierens, das durch eine Ausdiffusion aus dem angewandten Dotiermittel verursacht wird. Daher muss diese n-Schicht durch ein Resistdruckverfahren entfernt werden, wie in dem in 21(D) gezeigten Schritt.
Das vorstehend beschriebene konventionelle Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle erfordert verschiedene Schritte, wie beispielsweise ein Resistdruckverfahren zum Entfernen nicht erforderlicher Regionen der n-Schicht, einen Ätzschritt, und einen Resistentfernungsschritt. Daher war der Herstellungsprozess einer Solarzelle teuer.
Ferner hatte eine konventionelle Solarzelle, die wie vorstehend beschrieben hergestellt wurde, Probleme wie im Folgenden dargelegt.
Eine Solarzelle wird selten in einer einheitlichen Art und Weise verwendet, und ein Solarzellenmodul wird allgemein verwendet, bei welchem eine Vielzahl von Solarzellen seriell verbunden sind, wie in 23(A) gezeigt ist.
23(A) zeigt die Ansicht der oberen Ebene eines Solarzellenmoduls mit 36 Solarzellen 10, die seriell verbunden sind. Eine Solarzelle 10 ist durch einen Zwischenverbinder 11 seriell mit einer benachbarten Solarzelle 10 verbunden.
23(B) zeigt eine Querschnittsstruktur des Solarzellenmoduls von 23(A) entlang der Linie 23B–23B. Das Solarzellenmodul beinhaltet eine Trägerplatte 12 aus transparentem, getempertem Glas. Durch Zwischenverbinder 11 seriell verbundene Solarzellen 10 sind in einer EVA-Harzschicht 13 eingebettet. Ein weißer, wetterbeständiger Film 14 bedeckt die Bodenoberfläche der EVA-Harzschicht 13.
23(C) ist ein Ersatzschaltbild eines Solarzellenmoduls mit einer Vielzahl von seriell verbundenen Solarzellen. In (C) repräsentieren die kleinen Pfeile in eine Solarzelle eintretendes Licht, und repräsentiert der lange Pfeil I die Richtung des Ausgangsstroms des Solarzellenmoduls.
Wenn ein Solarzellenmodul tatsächlich benutzt wird, kann ein Abschnitt derselben abgeschattet sein. Genauer gesagt wird der Schatten eines Baums, eines Gebäudes oder der von elektrischen Kabeln auf das Solarzellenmodul geworfen. Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, dass das Solarzellenmodul durch Hinterlassenschaften von Vögeln oder an der Oberfläche derselben anhaftendem Staub abgeschattet wird.
In einer Betriebsart, in der ein Kurzschluss über Solarzellen an beiden Enden des Solarzellenmoduls hergestellt wird, wird eine Spannung, die von einer nicht abgeschatteten Solarzelle erzeugt wird, an eine Solarzelle, die abgeschattet wird, als eine Rückwärtsvorspannung angelegt. In einer solchen abgeschatteten Solarzelle erzeugt Leistung, die durch einen Strom in Übereinstimmung mit der Rückwärtsvorspannung verursacht wird, zu verbrauchende Wärme. Wenn diese Rückwärtsvorspannung die Spitzenumkehrspannung der Solarzelle überschreitet, tritt ein Kurzschlussdurchbruch in dieser Solarzelle auf, wodurch die Ausgangseigenschaften des gesamten Solarzellenmoduls signifikant verschlechtert werden. Der Anstieg der Temperatur und der Kurzschlussdurchbruch einer abgeschatteten Solarzelle hängen von den Rückwärtsrichtungseigenschaften einer Solarzelle ab. Es ist zu bevorzugen, den Stromfluss in der Rückwärtsrichtung einer Solarzelle zu erleichtern, um ein solches Phänomen zu reduzieren.
In einer konventionellen Solarzelle wie in 22(D) gezeigt wird eine vollständige Isolation durch einen pn-Übergang zwischen der Seite der positiven Elektrode und der Seite der negativen Elektrode erreicht. Daher sind die Vorwärtsrichtungseigenschaften günstig, so dass eine hohe Umwandlungseffizienz erhalten werden kann. Strom fließt jedoch nicht leicht in der Rückwärtsrichtung.
24 zeigt die Strom-Spannungs (I-V)-Kennlinien einer solchen Solarzelle auf eine qualitative Art und Weise. Die Spannung V ist entlang der Abszisse aufgetragen, und der Strom I ist entlang der Ordinate aufgetragen. Die Kurve 24A zeigt die I-V-Kennlinien einer mit Licht beleuchteten Solarzelle, und die Kurve 24B zeigt dieselben in einer einen abgedunkelten Zustand erreichenden Zustand. Es wird wertgeschätzt, dass der Rückwärtsrichtungsstrom in einer einen abgedunkelten Zustand erreichenden Solarzelle wie in 22A gezeigt nicht leicht fließen kann.
25 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Solarzelle. Es wird so gesehen, dass eine Solarzelle einen parallelen Widerstand und einen seriellen Widerstand beinhaltet. Genauer gesagt wird erwartet, dass eine Solarzelle mit den wie in 24 gezeigten I-V-Kennlinien einen großen parallelen Widerstand hat. Es wird angemerkt, dass der parallele Widerstand und der serielle Widerstand in dem Ersatzschaltbild von 23(C) nicht gezeigt sind.
26 ist ein Diagramm, das den Einfluss eines Schattens in einem Solarzellenmodul mit 36 Solarzellen, von denen jede einen Durchmesser von 100 mm und einen parallelen Widerstand von 20 kΩ/cm² hat, zeigt. Die Ausgangsspannung des Solarzellenmoduls ist entlang der Abszisse aufgetragen, und der Ausgangsstrom ist entlang der Ordinate aufgetragen. Die 100% repräsentierende Kurve zeigt die I-V-Kennlinien eines Solarzellenmoduls, in welchem eine Licht empfangende Oberfläche einer Solarzelle der 36 Solarzellen vollständig abgeschattet ist. Auf ähnliche Art und Weise repräsentieren die verschiedenen %-Zahlen entsprechend jeweiligen Kurven die Rate der abgeschatteten Fläche, die auf einer Solarzelle der 36 Solarzellen ausgebildet ist. Es wird aus 26 wertgeschätzt, dass das gesamte Ausgangssignal eines Solarzellenmoduls mit größer werdender, in einer Solarzelle ausgebildeten Fläche eines Schattens extrem verringert wird, wenn jede Solarzelle einen großen parallelen Widerstand hat.
27 zeigt das Ergebnis einer Simulation bei der Bewertung des Leistungsverbrauchs einer abgeschatteten Solarzelle in einem Solarzellenmodul, in dem 32 Solarzellen mit einem parallelen Widerstand von 20 kΩ/cm² seriell verschaltet sind. In (A) zeigt die Kurve 27B die I-V-Kennlinien einer Solarzelle, in welcher 20% der Licht empfangenden Fläche abgeschattet sind. Die Kurve 27A zeigt die I-V-Kennlinien der verbleibenden 31 Solarzellen, die seriell verschaltet sind. Die Kurve 27C zeigt die I-V-Kennlinien, die durch Kombinieren der Kurven 27A und 27B erhalten werden.
Bezug nehmend auf 27(B) zeigt die Kurve 27D die I-V-Kennlinien einer Solarzelle, in welcher 70% der Licht empfangenden Fläche abgeschattet sind. Die Kurve 27(E) zeigt die I-V-Kennlinie, die durch Kombinieren der Kurven 27A und 27D erhalten werden. Durch Vergleichen der Fläche der schraffierten Region zwischen (A) und (B) in 27 ergibt sich, dass die Leistung, die durch eine abgeschattete Solarzelle mit einer abgeschatteten, Licht empfangenden Fläche von 70% verbraucht wird, niedriger ist als die derjenigen mit einer abgeschatteten, Licht empfangenden Fläche von 20%.
28 ist ähnlich zu 27, vorausgesetzt, dass jede Solarzelle einen parallelen Widerstand von 1 kΩ/cm² hat. Bezug nehmend auf 28(A) zeigt die Kurve 28B die I-V-Kennlinie einer Solarzelle, in welcher 20% der Licht empfangenden Fläche abgeschattet sind. Die Kurve 28A zeigt die I-V-Kennlinie der verbleibenden 28 Solarzellen. Die Kurve 28C zeigt die I-V-Kennlinie, die durch Kombinieren der Kurven 28A und 28B erhalten wird. Bezug nehmend auf 28(B) zeigt die Kurve 28D die I-V-Kennlinie einer Solarzelle, in welcher 70% der Licht empfangenden Fläche abgeschattet sind. Die Kurve 28E zeigt die I-V-Kennlinie, die durch Kombinieren der Kurven 28A und 28D erhalten wird. Durch Vergleichen der Fläche der schraffierten Regionen zwischen (A) und (B) in 28 ergibt sich, dass die Leistung, die durch eine abgeschattete Solarzelle mit einer abgeschatteten, Licht empfangenden Fläche von 70% verbraucht wird, größer ist als die derjenigen mit einer Licht empfangenden Fläche von 20%, im Gegensatz zu 27.
29 ist ein Graph, der ein Ergebnis eines breiteren Bereichs einer solchen Simulation zeigt, wie sie in den 27 und 28 gezeigt ist. In dem vorliegenden Graph ist das Verhältnis eines auf der Licht empfangenden Fläche einer Solarzelle ausgebildeten Schattens entlang der Abszisse aufgetragen, und ist die von einer abgeschatteten Solarzelle verbrauchte Leistung (W) entlang der Ordinate aufgetragen. Die Kurven 29A, 29B und 29C entsprechen einer Solarzelle mit einem parallelen Widerstand von 20 kΩ/cm², 1 kΩ/cm² bzw. 100 kΩ/cm². E ist ersichtlich, dass der Anstieg der Temperatur einer abgeschatteten Solarzelle größer ist, wenn der Leistungsverbrauch höher ist.
30 ist ein Graph, der den Anstieg der Temperatur einer abgeschatteten Solarzelle in einem Modul mit 36 seriell verschalteten Solarzellen zeigt. Das Verhältnis eines Schattens zu einer Licht empfangenden Fläche ist entlang der Abszisse aufgetragen, und der Anstieg der Temperatur (°C) einer abgeschatteten Solarzelle ist entlang der Ordinate aufgetragen. Die Kurve 30A zeigt den Anstieg der Temperatur, wenn die Solarzelle einen parallelen Widerstand von 20 kΩ/cm² hat. Aus der Kurve 30A ergibt sich, dass die Temperatur einer abgeschatteten Solarzelle um 72°C höher ist als die anderer Solarzellen, wenn 20% der Licht empfangenden Fläche in der abgeschatteten Solarzelle abgeschattet sind.
30 bezieht sich auf ein Solarzellenmodul mit 36 seriell verschalteten Solarzellen. Der Anstieg der Temperatur einer abgeschatteten Solarzelle wird in einem Solarzellenmodul mit einer größeren Anzahl von Solarzellen. In der Praxis besteht eine ausreichende Möglichkeit, dass 20% der Licht empfangenden Fläche einer Solarzelle abgeschattet wird.
Folglich wird erkannt, dass eine örtliche Abschattung in einem Solarzellenmodul eine signifikante Verringerung in der Ausgabe des gesamten Moduls verursacht. Es besteht die Möglichkeit, dass eine Solarzelle zu stark erwärmt wird, so dass sie beschädigt wird. Im schlimmsten Fall kann ein Feuer ausbrechen. Zum Beispiel steigt bei schönem Wetter das gesamte Solarzellenmodul durch Sonnenwärme auf die Temperatur von 60°C bis 70° an. In Übereinstimmung mit dem in 30 gezeigten Beispiel kann eine Solarzelle, bei der 20% der Licht empfangenden Fläche abgeschattet sind, bis auf 132°C bis 142°C aufgeheizt werden. In einem solchen Fall besteht die Möglichkeit, dass in dem EVA-Harz, in welches Solarzellen eingebettet sind, eingefärbt oder Poren darin erzeugt werden.
Um eine Beschädigung aufgrund der Erwärmung einer solchen abgeschatteten Solarzelle zu verhindern, wird ein Solarzellenmodul wie in 31 gezeigt vorgeschlagen. Das Solarzellenmodul von 31(A) weist rechteckförmige Solarzellen 10 auf, die durch Zwischenverbinder seriell verschaltet sind. 31(B) ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des durch den Kreis in (A) angegebenen Abschnitts. Genauer gesagt sind aneinander angrenzende Solarzellen 10 durch einen Zwischenverbinder 11 über eine Bypassdiode 15 verbunden. 31(C) ist ein Ersatzschaltbild der Solarzelle 10 einschließlich der Nebenschluss- bzw. Bypassdiode 15 von 31(B) (der parallele Widerstand und der serielle Widerstand sind nicht gezeigt). Dem Schaltbild ist entnehmbar, dass die Bypassdiode 15 Strom durchleitet, der von einer Rückwärtsvorspannung verursacht wird, die an eine abgeschattete Solarzelle 10 angelegt wird. Daher kann eine zu starke Erwärmung oder ein Kurzschlußzusammenbruch in einer abgeschatteten Solarzelle verhindert werden. Das Solarzellenmodul von 31 hat jedoch den Nachteil, dass der Prozess des Verbindens der Vielzahl von Solarzellen, während eine Biasdiode angebracht wird, sehr kompliziert ist. Daher sind die Herstellungskosten derselben teuer.
Die Verwendung von Solarzellen mit integrierten Bypassdioden (Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 3-24768) und integrierten Solarzellen so, dass Zener-Dioden parallel mit derselben Polarität verbunden sind (Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 5-110121), ist für Solarzellen bekannt. Solche Solarzellen müssen jedoch darin unter Verwendung einer Maskenausrichtung erzeugte Dioden aufweisen, welches ein komplizierter Herstellungsprozess der Solarzelle ist. Dies resultiert in einem Anstieg der Herstellungskosten.
Darüber hinaus offenbaren die Patent Abstracts of Japan, Band Nr. 14, Nr. 182 (E-0916), 12. April 1990, und die Druckschrift JP 02-033980A ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle durch Beschichten der Oberfläche eines Halbleitersubstrats mit einem Dotiermittel und die Rückseite desselben mit einer Maske, Wärmebehandeln des Substrats, um eine n⁺-Schicht und einen Reflexionen verhindernden Film zu erzeugen, Erzeugen eines pn-Übergangs zwischen der n⁺-Schicht und dem Substrat, Erzeugen einer dünnen n⁺-Schicht auf dem Rückseitenteil, der nicht mit der Maske beschichtet ist, Erzeugen eines TiO₂-Films auf dem Rückseitenteil, der mit der Maske beschichtet ist, und Erzeugen von Elektroden auf der Rückseite unter Verwendung einer Silberpaste.
Ferner betrifft die Druckschrift US-A-4 251 285 die Diffusion eines Dotiermittels aus einer optischen Beschichtung und die Einzelschritterzeugung eines pn-Übergangs in einer Silizium-Solarzelle sowie eine Beschichtung darauf und offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von n-Schichten mit einem Oberflächenwiderstand in dem Bereich zwischen 100 bis 2500 Ω/⎕.
Weiter betrifft die Druckschrift WO91/19323 ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-Komponenten sowie eine daraus hergestellte Solarzelle, wobei in dem Prozess des Erzeugens dotierter Flächen auf Halbleiter-Komponenten ein unerwünschtes Selbstdotieren von ungeschützten Oberflächen eines Halbleiters während des Dotierprozesses stattfindet, aus welchem Grund die selbstdotierten Flächen des Halbleitersubstrats während des Herstellungsprozesses weg geätzt werden.
Schließlich wird in der Druckschrift US-A-4989059 eine Solarzellen-Herstellungsprozedur beschrieben, in welcher ein Graben in ein Substrat geschnitten wird, um eine vorderseitige und eine rückseitige Region einer flachen Solarzelle elektrisch zu isolieren. Ein unbeschichteter Rand der rückseitigen Oberfläche erstreckt sich vollständig um die Peripherie der Zelle und wird zusammen mit dem Beschichten der Rückseite des Substrats beschichtet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht des Vorstehenden ist Aufgabe der Erfindung, eine Solarzelle zu schaffen, bei der eine signifikante Verringerung der Ausgabe des gesamten Moduls verhindert ist, wenn eine Solarzelle in einem Solarzellenmodul teilweise abgeschattet ist.
Darüber hinaus soll die Erfindung ein verbessertes Solarzellenmodul bereitstellen, um eine zu starke Erwärmung und einen Kurzschlusszusammenbruch, der durch eine Rückwärtsvorspannung verursacht wird, zu verhindern, wenn ein Solarzellenmodul teilweise abgeschattet ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine solche verbesserte Solarzelle zu geringen Kosten unter Verwendung einfacher Herstellungsschritte bereitzustellen.
Erfindungsgemäß werden diese Ziele mittels einer Solarzelle wie in Patentanspruch 1 definiert, und ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle wie in Anspruch 4 definiert erreicht. Abhängige Patentansprüche geben Ausgestaltungen wieder.
In der erfindungsgemäßen Solarzelle bilden die Anschlussregion der zweiten n-Schicht und die p-Schicht eine kleine Diode, die parallel mit einer zu der der aus dem p-Substrat und der ersten n-Schicht gebildeten Solarzelle identischen Polarität verschaltet ist. Wenn die kleine Diode mit Licht beleuchtet wird, wird eine schwache elektromotorische Kraft einer zu der der Solarzelle identischen Polarität erzeugt. Wenn eine Rückwärtsvorspannung an diese Solarzelle angelegt wird, kann die kleine Diode einen durch die Rückwärtsvorspannung erzeugten Strom als Leckstrom durchleiten, da sie nur unterlegene Rückwärtsrichtungseigenschaften bzw. -kennlinien hat. Genauer gesagt ist die erfindungsgemäße Solarzelle gekennzeichnet durch das Beinhalten eines niedrigen parallelen Widerstands, wenn eine Rückwärtsvorspannung angelegt wird. Daher verhindert die Verwendung der erfindungsgemäßen Solarzelle in einem Solarzellenmodul eine signifikante Verringerung in der Ausgabe des gesamten Moduls auch dann, wenn das Solarzellenmodul lokal abgeschattet wird. Eine zu starke Erwärmung und ein Kurzschlussdurchbruch werden in einer abgeschatteten Solarzelle vermieden.
Das Herstellungsverfahren einer Solarzelle gemäß der Erfindung erfordert nicht den Resistdruckschritt, der zum Entfernen einer auf der Rückseite und einer Oberfläche eines Substrats einer konventionellen Solarzelle erzeugten n-Schicht verwendet wird, einen Ätzschritt und einen Resistentfernungsschritt. Daher kann eine Solarzelle mit einem einfachen Prozess zu geringen Kosten bereitgestellt werden.
Die vorangehenden und anderen Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser entnehmbar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Aufsicht auf eine Solarzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist eine Rückseitenansicht der Solarzelle von 1.
3 zeigt Schnittansichten der Herstellungsschritte der Solarzelle der 1 und 2.
4 zeigt Schnittansichten, die auf den Herstellungsschritt von 3 folgen.
5 und 6 sind erhabene Ansichten, die Beispiele eines Schleuderbeschichtungsverfahrens zeigen.
7 ist eine Schnittansicht einer Vielzahl von Silizium-Substraten, die auf einer Quarzplatine angeordnet sind.
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der maximalen Ausgabe und dem Schichtwiderstand einer n-Schicht 2c der in 2 gezeigten Solarzelle zeigt.
9 zeigt Schnittansichten der Herstellungsschritte einer Solarzelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
10 zeigt Schnittansichten der auf 9 folgenden Herstellungsschritte.
11 ist ein Ersatzschaltbild einer Solarzelle gemäß der Erfindung.
12 ist ein Graph, der die I-V-Kennlinie der Solarzelle von 11 zeigt.
13 ist ein Graph, der die I-V-Kennlinie zeigt, die tatsächlich bei einer gemäß der Erfindung erhaltenen Solarzelle gemessen wurden.
14 ist ein Graph, der die I-V-Kennlinie von 13 zeigt, aufgeteilt in die I-V-Kennlinie der Hauptkomponenten der Solarzelle und die I–V-Kennlinie einer parallelen Diode.
15 ist ein Graph, der die I–V-Kennlinie in einem Solarzellenmodul mit 36 seriell verschalteten Solarzellen gemäß der Erfindung zeigt.
16 und 17 sind Graphen zum Beschreiben der I-V-Kennlinie in einem Solarzellenmodul, das durch Solarzellen mit einem großen parallelen Widerstand bzw. einem niedrigen seriellen Widerstand zeigt.
18 ist eine Ansicht von unten einer Solarzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
19 ist eine Ansicht von oben einer konventionellen Solarzelle.
20 ist eine Ansicht von unten der Solarzelle von 19.
21 zeigt Schnittansichten des Herstellungsschritts der Solarzelle der 19 und 20.
22 zeigt Schnittansichten des auf 21 folgenden Herstellungsprozesses.
23 zeigt ein Solarzellenmodul mit 36 verbundenen Solarzellen.
24 ist ein Graph, der die I-V-Kennlinie in einer Solarzelle mit einem großen parallelen Widerstand zeigt.
25 ist ein Ersatzschaltbild einer konventionellen Solarzelle.
26 ist ein Graph, der die I-V-Kennlinie in einem durch konventionelle Solarzellen gebildeten Solarzellenmodul.
27 und 28 sind Graphen, die den Leistungsverbrauch einer abgeschatteten Solarzelle in einem Solarzellenmoduls zeigt, das durch Solarzellen mit einem großen parallelen Widerstand bzw. einem niedrigen parallelen Widerstand gebildet wird.
29 zeigt die Beziehung zwischen dem Leistungsverbrauch und dem Verhältnis der abgeschatteten Fläche in einem abgeschatteten Solarzellenmodul.
30 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einem Anstieg der Temperatur und der abgeschatteten Fläche einer abgeschatteten Solarzelle in einem Solarzellenmodul zeigt.
31 zeigt ein konventionelles Solarzellenmodul, die eine Bypassdiode beinhaltet.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 und 2 zeigen eine Ansicht von oben und eine Rückoberflächenansicht einer Solarzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Licht empfangende Oberfläche einer Solarzelle 10A von 1 weist eine Struktur auf, die identisch zu der der Solarzelle 10 von 19 ist. Die Solarzelle von 2 unterscheidet sich von der Solarzelle 10 von 20 darin, dass eine n-Halbleiterschicht 2C an dem peripheren Randabschnitt der Rückoberfläche ausgebildet ist.
Die 3 und 4 zeigen die Herstellungsschritte der in den 1 und 2 gezeigten Solarzelle. Der Schritt von 3(A) ist identisch zu dem in 21(A) gezeigten, so dass ihre Beschreibung nicht wiederholt wird.
Bezug nehmend auf 3(B) wird eine Dotiermittelschicht 20 mittels eines Schleuderbeschichters auf die Oberseite eines Halbleitersubstrats 1 aufgebracht. Eine Lösung, die zum Beispiel 80 ml Tetra-Isopropyltitanat, 2000 ml Isopropyl-Alkohol und 45 g Phosphor-Pentaoxid enthält, kann als dieses Dotiermittel verwendet werden. Die Menge von Phosphor-Pentaoxid wird in Abhängigkeit von der Diffusionsbedingung aus dem Bereich von 20 g bis 70 g gewählt, um eine n-Schicht mit einer gewünschten Verunreinigungskonzentration (normaler Weise 10¹⁹ bis 10²⁰ cm^–3) auf der Oberseite des Substrats 1 zu erzeugen.
Ein solches Dotiermittel 20 kann durch ein in 5 gezeigtes Schleuderbeschichtungsverfahren auf das Halbleitersubstrat 1 aufgebracht werden. Das Halbleitersubstrat wird über ein Rohr entlang der Drehwelle einer Schleuderspannvorrichtung 21 angesaugt. Das von der Schleuderspannvorrichtung 21 gehaltene Substrat 1 wird mit etwa 5000 l/min rotiert, und die Dotiermittellösung 20 wird über eine Düse 22 tropfenweise auf das Substrat 1 auf gebracht. Die auf das Substrat 1 aufgetropfte Dotiermittellösung 20 verteilt sich durch die Zentrifugalkraft über die oberseitige Oberfläche des Halbleitersubstrats 1.
Eine Vielzahl der Halbleitersubstrate von 3(B), auf die das Dotiermittel 20 aufgebracht ist, werden auf eine in 7 gezeigte Quarzplatine 30 gesetzt. Hierbei wird die Vielzahl von Halbleitersubstraten 1 so gesetzt, dass die Hauptoberfläche, auf welche das Dotiermittel aufgebracht wird, in dieselbe Richtung weist. Der Abstand zwischen jedem Substrat 1 wird so eingestellt, dass er innerhalb dem Bereich von 2,0 mm bis 5,0 mm liegt. Die Quarzplatine 30 wird in ein Quarzrohr 31 eingesetzt. In dem Quarzrohr 31 wird N₂-Gas mit 0,5% bis 10% O₂-Gas bereitgestellt. Bevorzugt ist der Konzentrationsbereich von O₂-Gas 1% bis 5%. Unter dieser Bedingung wird die Vielzahl von Halbleitersubstraten 1 einer Wärmebehandlung für zum Beispiel 45 Minuten bei 900°C unterzogen.
3(C) zeigt die Ergebnisse der in 7 gezeigten Wärmebehandlung. Auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 werden gleichzeitig eine n⁺-Schicht 2a mit einer Dicke von etwa 0,4 um und ein Antireflexionsfilm 3 aus TiO₂ mit einer Dicke von etwa 70–80 nm erzeugt. Hierbei werden die n-Schichten 2b und 2c aufgrund eines automatischen Dotierens in Übereinstimmung mit einer Ausdiffusion aus dem Dotiermittel 20 an der Seitenfläche bzw. der Bodenfläche des Substrats 1 erzeugt. Die n-Schichten 2b und 2c, die durch das automatische Dotieren erzeugt wurden, haben eine Verunreinigungskonzentration niedriger als die der n⁺-Schicht 2a, die durch direkte Diffusion aus dem Dotiermittel 20 erzeugt wurde. Ferner wird an den Oberflächen der n-Schichten 2b und 2c ein dünner Oxidfilm 1a von 20 × 10^– ¹⁰ m – 100 × 10^–10 m (20 Å–100 Å; die Dicke dieses Oxidfilms ist in der Zeichnung nicht gezeigt) an den Oberflächen der n-Schichten 2b und 2c erzeugt. Dieser Oxidfilm kann als ein Passivierungsfilm verwendet werden.
Bezug nehmend auf 4(A) werden die Paste 5, die Silber enthält, und die Paste 6, die Aluminium enthält, mit einem vorbestimmten Muster auf die rückseitige Oberfläche des Substrats 1 gedruckt. Der periphere Rand der Pastenschicht 6, die Aluminum enthält, zieht sich um 1 mm–4 mm von dem peripheren Rand des Substrats 1 zurück. Nachdem die aufgedruckte Paste getrocknet ist, wird ein Backprozess bei der Temperatur von 700°C–750°C ausgeführt, wodurch eine rückseitige Aluminiumelektrode 6 mit einer Dicke von etwa 50 μm und eine rückseitige Silberelektrode 5 mit einer Dicke von etwa 20 μm erzeugt werden. Hierbei wird eine p⁺-Schicht 7 mit einer Dicke von etwa 5 μm auf der Alumini umelektrode 6 erzeugt. Diese p⁺-Schicht 7 dient dazu, den BSF-Effekt einer Solarzelle zu generieren.
Bezug nehmend auf 4(B) wird die Paste 8, die Silber enthält, mit einem Muster identisch zu dem des Musters 8a von 1 aufgedruckt. Der periphere Rand des Pastenmusters 8 zieht sich um 1 mm–3 mm von dem peripheren Rand des Substrats 1 zurück. Das Pastenmuster 8 wird bei einer Temperatur von 650°C–750°C gebacken, wodurch eine vorderseitige Silberelektrode 8 erzeugt wird. Hierbei beinhaltet die Paste, die Silber enthält, auch Glasfritte, so dass die Silberelektrode 8 einen 0hm'schen Kontakt mit der n⁺-Schicht 2a über den Antireflexionsfilm 3 bildet.
Bezug nehmend auf 4(C) wird das Halbleitersubstrat 1 in einen Lötmitteltank von etwa 190°C getaucht, wodurch die Silberelektroden 5 und 8 mit Lötmittelschichten 5a bzw. 8a einer Dicke von etwa 20 μm bedeckt werden. Somit ist die in den 1 und 2 gezeigte Solarzelle vervollständigt. Die Schnittansicht von 4(C) entspricht der Struktur von 2 entlang der Linie 4F–4F.
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der maximalen Ausgabe und dem Sheetwiderstand der rückseitigen n-Schicht 2c in der Solarzelle von 4(C) zeigt. Die maximale Ausgabe (W) der Solarzelle ist entlang der Abszisse aufgetragen, und der Sheetwiderstand (Ω/⎕) der n-Schicht 2c auf der rückseitigen Oberfläche ist entlang der Ordinate aufgetragen. 8 ist entnehmbar, dass die Solarzelle eine hohe und stabile Ausgabe zeigt, wenn der Sheetwiderstand der n-Schicht 2c größer als 70 Ω/⎕ wird. Falls jedoch der Sheetwiderstand der n-Schicht 2c zu groß ist, wird die Solarzelle einen großen parallelen Widerstand haben, so dass das Ziel der vorliegenden Erfindung nicht erreicht werden kann. Daher liegt der Sheetwiderstand der n-Schicht 2c bevorzugt innerhalb des Bereichs von 70 – 300 Ω/⎕. Stärker bevorzugt liegt der Sheetwiderstand der n-Schicht 2c innerhalb des Bereichs von 70–200 Ω/⎕, um den Stromfluss weiter zu erleichtern, wenn eine Umkehrvorspannung an die Solarzelle angelegt wird.
Der Sheetwiderstand der n-Schicht 2c auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats 1 kann durch Einstellen der Diffusionsbedingungen, wie beispielsweise des Sauerstoffteildrucks und des Abstands zwischen den Substraten, während des in den 3(C) und 7 gezeigten Diffusionsschritts gesteuert werden.
Im Gegensatz zu den in den 21 und 22 gezeigten Herstellungsschritten wird es geschätzt, dass das in den 3 und 4 gezeigte Ausführungsbeispiel die in 21(C) gezeigten, jeweiligen Antireflexionsfilm-Erzeugungsschritte nicht erfordert, da der Antireflexionsfilm 3 zur gleichen Zeit erzeugt wird, zu der die n-Schichten 2a, 2b und 2c erzeugt werden, wie in 3(C) gezeigt ist, und ebenfalls der Resistdruckschritt und der Ätz schritt, die in 21(D) gezeigt sind, sowie der Resistentfernungsschritt, der in 22(E) gezeigt ist. Genauer gesagt werden die Herstellungsschritte des in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiels im Vergleich zu dem in den 23 und 24 gezeigten Stand der Technik extrem vereinfacht. Daher kann eine Solarzelle zu geringen Kosten hergestellt werden.
9 und 10 zeigen den Herstellungsschritt einer Solarzelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bezug nehmend auf 9(A) wird ein p-Siliziumsubstrat 1 ähnlich zu dem von 3(A) vorbereitet.
Bezug nehmend auf 9(B) wird eine Dotiermittelschicht 20 auf die obere Seite des Substrats 1 aufgebracht, und wird eine unvollständige Maskenschicht auf den peripheren Randabschnitt der unteren Oberfläche aufgebracht. Das Dotiermittel 20 kann, wie in 6 gezeigt ist, unter Verwendung einer Schleuderbeschichters wie in dem Schritt von 3(B) aufgebracht werden. Es wird angemerkt, dass in 9(B) ein Maskenmaterial 23 aus einer Düse 24 auf den peripheren Randabschnitt der rückseitigen Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht.
Eine Lösung mit zum Beispiel 100 ml Äthylsilikat, 50 ml Ethansäure und 500 ml Äthylalkohol kann als das Maskenmaterial 23 verwendet werden. Das Maskenmaterial 23 kann 1 g –10 g Phosphor-Pentaoxid beinhalten, um zu verhindern, dass die Maskenschicht 23 als eine vollständige Maske wirkt, und um eine geringfügige Diffusion von n-Dotierstoffen zu gewährleisten. Das Maskenmaterial 23 kann anstelle des Alkylsilikats ein Alkyltitanat, wie beispielsweise Äthylsilikat, enthalten.
Bezug nehmend auf 9(C) wird das Substrat 1 mit der aufgebrachten Dotiermittelschicht 20 und der aufgebrachten Maskenschicht 23 einer Wärmebehandlung für zum Beispiel 45 Minuten bei 900°C unterzogen. Als Ergebnis werden eine n-Schicht 2a mit einer hohen Verunreinigungskonzentration und ein Antireflexionsfilm 3 auf dem Substrat 1 erzeugt. n-Schichten 2b und 2c mit einer Verunreinigungskonzentration niedriger als die der n-Schicht 2a werden auf der Seitenfläche bzw. der unteren Oberfläche des Substrats 1 erzeugt. Eine n-Schicht 2d mit einer Dicke und einer Verunreinigungskonzentration kleiner als diejenigen der unterseitigen n-Schicht 2c wird unter der Maskenschicht 23 erzeugt.
Die in (A) bis (C) von 10 gezeigten Herstellungsschritte sind ähnlich zu denen von 4, so dass ihre Beschreibung nicht wiederholt wird.
Das in den 9 und 10 gezeigte Herstellungsverfahren einer Solarzelle kann auf ein Dampfdiffusionsverfahren unter Verwendung von POCl₃-Gas angewandt werden. In die sem Fall wird die Aufbringung der Dotiermittelschicht 20 auf das Substrat 1 weggelassen, und wird eine Dampfdiffusion unter Verwendung von POCl₃-Gas ausgeführt, nachdem die Maskenschicht 23 bereitgestellt ist.
Obwohl das Ausführungsbeispiel der 9 und 10 beschrieben wurde, in welchem die Maskenschicht 23 nicht entfernt wurde, kann die Maskenschicht 23 unter Verwendung einer schwachen Fluorwasserstoffsäure entfernt werden. Die Maskenlösung 23 kann durch Mischen einer nachstehend beschriebenen Hauptlösung und eine Titan oder Silizium enthaltenden Lösung erhalten werden. Eine zusätzliche Lösung kann ferner beigemischt werden, falls dies gewünscht wird.
Als die Hauptlösung kann eine Alkoholgruppe, wie beispielsweise Isopropyl-Alkohol, Äthylalkohol, Methylalkohol und Butylalkohol, oder eine Ketongruppe, wie beispielsweise Methyläthylketon, verwendet werden.
Als eine Titan enthaltende Lösung kann Tetra-Isopropyltitanat, Tetra-n-Butyltitanat, Titanchlorid usw. verwendet werden. Ferner kann eine Lösung mit Pulver, wie beispielsweise Titan, Titanborid, Titankarbid und Titandioxid, das in Säure, Alkali, Alkohol, Ester usw. gemischt ist, verwendet werden.
Äthylsilikat, Methylsilikat und Isopropylsilikat können für die Silizium beinhaltende Lösung verwendet werden. Ferner kann eine ein Halogenid von Silizium beinhaltende Lösung verwendet werden.
Als die zusätzliche Lösung kann eine Carbonsäure, wie beispielsweise Ameisensäure, Oxalsäure, Benzoesäure usw., verwendet werden.
Als Dotiermittel 20 kann eine Mischung der vorstehend beschriebenen Hauptlösung und eine Titan enthaltende Lösung, der eine geeignete Menge einer Phosphorquelle, wie beispielsweise Phosphor-Pentaoxid oder Sauerstoff-Phosphor-Chlorid hinzugefügt ist, verwendet werden. Zum Beispiel wird Phosphor mit 1,04–3,63 Gramm-Atom pro 1 Mol von TiO₂ in einer Titan beinhaltenden Lösung hinzugefügt, und wird bei der Alkoholgruppe als der Hauptlösung das Mischungsverhältnis in Übereinstimmung mit der Drehzahl des Schleuderbeschichters so bestimmt, dass die Dotiermittelschicht 20 mit einer gewünschten Dicke (zum Beispiel 70–80 nm) erhalten wird. Ein stärker bevorzugtes Mischungsverhältnis von Phosphor beträgt 2,2–2,5 Gramm-Atom pro 1 Mol von TiO₂. Dieser Wert wird gewählt, da die vorderseitige Silberelektrode 8 den Antireflexionsfilm 3 nicht leicht durchstoßen kann, falls die Phosphorkonzentration zu niedrig ist, und die Steuerung der Verunreinigungskonzentration der auf der Seitenfläche und der rückseitigen Oberfläche des Substrats ausgebildeten n-Schicht aufgrund einer signifikanten Ausdiffusion schwierig werden kann, falls die Phosphorkonzentration zu hoch ist. Genauer gesagt ist ein zu bevorzugendes Beispiel einer Dotiermittellösung eine Mischung aus 80 ml Tetra-Isopropyltitanat (entsprechend 28% TiO₂), 2000 ml Isopropylalkohol, und 45 g Phosphor-Pentaoxid.
11 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Solarzelle in Übereinstimmung mit der Erfindung. Die Solarzelle 11A beinhaltet eine parallele Diode 11B zusätzlich zu dem parallelen Widerstand und dem seriellen Widerstand. Die Solarzelle 11A besteht aus einem p-Substrat 1 und einer n⁺-Schicht 2a. Die parallele Diode 11B besteht aus einer p⁺-Schicht 7 und einer n-Schicht 2c in dem Ausführungsbeispiel von 4(C), und aus einer p⁺-Schicht 7 und einer n-Schicht 2d in dem Ausführungsbeispiel von 10(C). In einer solchen Solarzelle dient die parallele Diode 11B als eine Solarzelle, wenn sie mit Licht beleuchtet wird. Wenn jedoch die Solarzelle abgeschattet ist und eine Rückwärtsvorspannung über die Knoten 11C und 11D angelegt wird, kann ein relativ großer Leckstrom von dem Knoten 11D zu dem Knoten 11C geführt werden, da die parallele Diode 11B nur geringe Rückwärtsrichtungseigenschaften aufweist. Genauer gesagt ist die in 11 gezeigte Solarzelle äquivalent zu einem extrem niedrigen parallelen Widerstand, wenn sie abgeschattet ist.
12 zeigt die I-V-Kennlinie der Solarzelle von 11 in einer qualitativen Art und Weise. Die Kurven 12A und 12B zeigen die I-V-Kennlinien einer nicht abgeschatteten bzw. einer vollständig abgeschatteten Solarzelle. Durch Vergleichen der Kurve 12B mit der Kurve 24B von 24 ist entnehmbar, dass die Solarzelle von 11 im Vergleich zu der Solarzelle von 25 einen größeren Stromfluß leiten kann, wenn eine Rückwärtsvorspannung angelegt wird.
13 zeigt ein Beispiel der I-V-Kennlinie, die an einer in Übereinstimmung mit der Erfindung erhaltenen Solarzelle gemessen wurde. Es wird geschätzt, dass die Solarzelle gemäß der Erfindung mit einem extrem niedrigen parallelen Widerstand eine fotoelektrische Umwandlungseffizienz identisch zu der einer Solarzelle mit einem großen, hohen parallelen Widerstand aufweist.
14 ist ein Graph, der zwei I-V-Kennlinien zeigt, die durch Teilen der in 13 gezeigten Kurve erhalten wurden. Genauer gesagt zeigt die Kurve 14A die I-V-Kennlinie der Solarzelle 11A von 11, und zeigt die Kurve 14B die I-V-Kennlinie der parallelen Diode 11B. Man kann das so sehen, dass die I-V-Kennlinie von 13 als ein Ergebnis des Kombinierens der I-V-Kennlinie der Solarzelle 11A von 11 und der I-V-Kennlinie der parallelen Diode 11B erhalten wird.
15 zeigt die I-V-Kennlinie, wenn eine Solarzelle in einem Solarzellenmodul mit 36 Solarzellen gemäß der Erfindung abgeschattet ist. Die vorliegende Solarzelle hat einen parallelen Widerstand von etwa 100 Ω/cm² einschließlich der parallelen Diode. Der in dem Graph gezeigte %-Wert repräsentiert das Verhältnis einer abgeschatteten Fläche in Bezug auf die Licht empfangende Oberfläche einer Solarzelle. Dem Graph von 15 ist entnehmbar, dass die Ausgabe des Solarzellenmodul auch dann um nur etwa 30% reduziert wird, wenn eine Solarzelle vollständig abgeschattet ist. Durch Vergleichen der 15 und 26 ergibt sich, dass bei einem Solarzellenmodul, das die Solarzellen gemäß der Erfindung verwendet, die Verringerung der Ausgabe bei einer Abschattung im Vergleich zu der eines konventionellen Solarzellenmoduls extrem unterdrückt wird.
Dies kann durch Vergleichen der 16 und 17 leichter verstanden werden. 16 zeigt die I-V-Kennlinie in einem Solarzellenmodul, das Solarzellen mit einem hohen parallelen Widerstand verwendet. In (A) zeigt die Kurve 16(B) die I-V-Kennlinie einer vollständig abgeschatteten Solarzelle. Die Kurve 16A zeigt die I-V-Kennlinie von n in Reihe verschalteten Solarzellen. V_A repräsentiert die Spannung der Kurve 16A, und V_B repräsentiert die Spannung der Kurve 16B. In (B) zeigt die Kurve 16C die I-V-Kennlinie, welche eine Kombination der Kurven 16A und 16B ist. Es ergibt sich, dass der Ausgangsstrom von (n + 1) in Reihe verschalteten Solarzellen signifikant reduziert wird, da die abgeschattete Solarzelle einen großen parallelen Widerstand hat.
17 zeigt die I-V-Kennlinie in einem Solarzellenmodul, das die Solarzellen gemäß der Erfindung verwendet. In 17(A) ist die Kurve 17A ähnlich zu der Kurve 16 in 16(A) und zeigt die I-V-Kennlinie von n in Reihe verschalteten Solarzellen. Demgegenüber zeigt die Kurve 17B die I-V-Kennlinie, wenn eine Solarzelle mit einem extrem niedrigen, kleinen parallelen Widerstand (100 Ω/cm²) vollständig abgeschattet ist. Genauer gesagt kann, da diese Solarzelle einen niedrigen parallelen Widerstand hat, ein Strom in Übereinstimmung mit einer Rückwärtsvorspannung leicht fließen. In 17(B) zeigt die Kurve 17C die durch Kombinieren der Kurven 17A und 17B erhaltene I-V-Kennlinie eines Solarzellenmoduls mit (n + 1) Solarzellen, die in Reihe verschaltet sind. Durch Vergleichen der 17(B) und 16(B) wird eine Verringerung der Ausgabe des gesamten Solarzellenmoduls auch dann signifikant unterdrückt, falls eine Solarzelle abgeschattet ist, wenn die Solarzelle einen niedrigen parallelen Widerstand hat.
Die Linie 30B in 30 zeigt die Beziehung zwischen dem abgeschatteten Bereich einer Solarzelle und einem Anstieg der Temperatur innerhalb eines Solarzellenmoduls mit 36 Solarzellen gemäß der Erfindung. Es ergibt sich, dass auch dann, wenn eine Solarzelle in einem Solarzellenmodul mit 36 Solarzellen gemäß der Erfindung vollständig abgeschattet ist, der Temperaturanstieg dieser Solarzelle im Vergleich mit den anderen Solarzellen nur 11 °C beträgt. Dies ist deshalb so, weil Strom aufgrund einer Rückwärtsvorspannung leicht fließt, da der parallele Widerstand der abgeschatteten Solarzelle niedrig ist.
Wenn der parallele Widerstand in einer in 2 gezeigten Solarzelle gemäß der Erfindung weiter zu reduzieren ist, kann der periphere Rand des Aluminium-Elektrodenmusters 6 auf eine wellenförmige Art und Weise erzeugt werden, wie in 18 gezeigt ist, um die Kontaktschnittstelle zwischen der n-Schicht 2c und der p⁺-Schicht 7, die in 4(C) gezeigt sind, zu erhöhen.
Die Paste 6, die Aluminium enthält, kann Silberpaste einschließlich mehreren % Aluminium enthalten.
In Übereinstimmung mit der Erfindung kann eine Solarzelle bereitgestellt werden, die eine fotoelektrische Umwandlungseffizienz gleich der einer konventionellen Solarzelle aufweist, und bei der der nachteilige Effekt eines Schattens signifikant reduziert werden kann, wenn sie in einem Solarzellenmodul verwendet wird. Genauer gesagt kann in einem Solarzellenmodul unter Verwendung einer Solarzelle gemäß der Erfindung die Verringerung der Ausgabe bei lokaler Abschattung signifikant unterdrückt werden. Darüber hinaus kann eine zu starke Erwärmung einer abgeschatteten Solarzelle in einem Solarzellenmodul verhindert werden. Daher können der Nachteil eines Kurzschlußzusammenbruchs der Solarzelle und die Möglichkeit eines Brandes vermieden werden.
In Übereinstimmung mit der Erfindung kann eine Solarzelle, die überlegene Wirkungen zeigt, wenn sie in einem Solarzellenmodul verwendet wird, mit einem einfachen Prozess zu geringen Kosten bereit gestellt werden.
Obwohl die Erfindung im Einzelnen beschrieben und dargestellt wurde, ist klar, dass dieselbe nur der Darstellung und als Beispiel dient und nicht als beschränkend anzusehen ist, wobei der Schutzumfang der Erfindung nur durch die beigefügten Patentansprüche beschränkt ist.

Claims

Solarzelle, umfassend: ein p-Halbleitersubstrat (1) mit einer ersten Hauptoberfläche, einer zweiten Hauptoberfläche und einer dazwischen liegenden Seitenfläche, eine p-Schicht (7) mit einer Verunreinigungskonzentration höher als die des Substrats (1) auf der zweiten Hauptoberfläche des Substrats (1), eine erste n-Schicht (2a), die als eine n⁺-Schicht auf der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1) erzeugt ist, eine zweite n-Schicht (2b, 2c; 2b, 2d) mit einer Verunreinigungskonzentration niedriger als die der ersten n-Schicht (2a), wobei die zweite n-Schicht (2b) zumindest auf der Seitenfläche des Substrats (1) mit der niedrigeren Verunreinigungskonzentration erzeugt ist, um die erste n-Schicht (2a) mit der p-Schicht (7) zu verbinden und die niedrigere Verunreinigungskonzentration der zweiten n-Schicht (2c; 2d) zumindest in der Umgebung einer Region in Kontakt mit der p-Schicht (7) bereitzustellen, Elektroden (8) auf der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1), und Silberelektroden (5) und Aluminiumelektroden (6) auf der zweiten Hauptoberfläche des Substrats (1), wobei die zweite n-Schicht (2b, 2c; 2b, 2d) als eine einzelne, nicht unterbrochene Region erzeugt ist, welche so angeordnet ist, dass sie sich zu dem Umfangsrand der zweiten Hauptoberfläche am Ende des Substrats (1) sowie auf die Seitenfläche desselben erstreckend erzeugt ist.
Solarzelle nach Anspruch 1, bei der die zweite n-Schicht (2b, 2c; 2b, 2d) zumindest in der Umgebung einer Region in Kontakt mit der p-Schicht einen Flächenwiderstand innerhalb des Bereichs von 70 bis 300 Ω/⎕ hat.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der die zweite n-Schicht (2b, 2c; 2b, 2d) und die p-Schicht (7) auf der zweiten Hauptoberfläche verbunden sind, wobei die verbindende Oberfläche derselben, die den Umfangsrand der Elektrode (6) repräsentiert, auf eine wellenförmige Art und Weise ausgebildet ist, um die Kontaktfläche zwischen diesen Schichten zu vergrößern.
Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, umfassend die Schritte: Herstellen eines p-Halbleitersubstrats (1) einschließlich einer ersten Hauptoberfläche, einer zweiten Hauptoberfläche und einer dazwischen liegenden Seitenfläche; Anwenden eines n-Dotiermittels (20) auf der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1), Erzeugen einer ersten n-Schicht (2a) als eine n⁺-Schicht auf der ersten Hauptoberflä che des Substrats (1) und einer zweiten n-Schicht (2b, 2c; 2b, 2d) durch Anwenden einer ersten Wärmebehandlung auf das Substrat (1), auf das das n-Dotiermittel (20) angewandt wurde, Ausbringen einer Pastenschicht (5, 6) mit Silber und Aluminium auf die zweite Hauptoberfläche des Substrats (1), Erzeugen von Silberelektroden (5) und Aluminiumelektroden (6) auf der zweiten Hauptoberfläche des Substrats (1), Erzeugen von Elektroden (8) auf der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1), Erzeugen einer p-Schicht (7) mit einer Verunreinigungskonzentration höher als die des Substrats (1) auf der zweiten Hauptoberfläche des Substrats (1), wobei die Elektroden (5, 6) und die p-Schicht (7) durch Anwenden einer zweiten Wärmebehandlung auf das Substrat (1) erzeugt werden, und die zweite n-Schicht (2b) zumindest auf der Seitenfläche des Substrats (1) mit einer niedrigeren Verunreinigungskonzentration erzeugt wird, um die erste n-Schicht (2a) mit der p-Schicht (7) zu verbinden und die niedrigere Verunreinigungskonzentration der zweiten n-Schicht (2c; 2d) zumindest in der Umgebung einer Region in Kontakt mit der p-Schicht (7) bereitzustellen, wobei die zweite n-Schicht (2b, 2c; 2b, 2d) als eine einzelne, nicht unterbrochene Region erzeugt wird, die sich zu dem Umfangsrand der zweiten Hauptoberfläche am Ende des Substrats (1) sowie auf die Seitenfläche desselben erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine unvollständige Maskenschicht (23) mit einer vorbestimmten Substanz, die verhindert, dass die unvollständige Maskenschicht (23) als eine vollständige Maskenschicht wirkt, bei dem Anwenden des n-Dotiermittels (20) auf die erste Hauptschicht auf einen Umfangsrand der zweiten Hauptoberfläche aufgebracht wird, wobei die durch die erste Wärmebehandlung erzeugte zweite n-Schicht (2b, 2c; 2b, 2d) eine in einer Region (2d) unter der Maskenschicht (23) verringerte Dicke und Verunreinigungskonzentration aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die erste Wärmebehandlung eine Wärmebehandlung für 45 Minuten bei 900°C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem das Dotiermittel (20) eine Lösung umfasst, die Phosphor in dem Bereich von 1,04 – 3,63 Gramm Atomgewicht pro 1 Mol von TiO₂ enthält, und bei dem bei der ersten Wärmebehandlung die n⁺-Schicht (2a) auf der ersten Hauptoberfläche und ein Antireflexionsfilm (3) aus TiO₂ erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem ein Sauerstoffteildruck von während der ersten Wärmebehandlung eingeleitetem Sauerstoff gesteuert wird.