DE69837143T2

DE69837143T2 - Ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle

Info

Publication number: DE69837143T2
Application number: DE69837143T
Authority: DE
Inventors: Emmanuel Van Kerschaver; Jozef Szlufcik; Roland Einhaus; Johan Nijs
Original assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: WO1998054763A1; EP0985233A1; JP4073968B2; AU751678B2; EP0985233B1; EP0881694A1; DE69837143D1; ES2283057T3; US6384317B1; JP2002500825A; AU7632098A

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Solarzellen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein kosteneffektives Verfahren zur Realisierung von Solarzellen.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Die meisten im Stand der Technik beschriebenen Solarzellen können entsprechend ihrer allgemeinen Struktur in mehrere Kategorien unterteilt werden.
Eine dieser Kategorien ist die Gruppe der sogenannten Solarzellen mit Rückseitenkontakt, was bedeutet, daß beide ohmschen Kontakte zu den beiden entgegengesetzt dotierten Gebieten der Solarzellen auf der Rückseite beziehungsweise der unbeleuchteten Oberfläche der Solarzelle plaziert sind. Durch dieses Konzept werden Abschattungsverluste vermieden, die durch das vordere Metallkontaktgitter auf standardmäßigen Solarzellen hervorgerufen werden.
Der einfachste Weg zur Herstellung von Solarzellen mit Rückseitenkontakten besteht darin, den Kollektorübergang zwischen Halbleitergebieten entgegengesetzter Dotierung in der Nähe der hinteren Oberfläche der Zelle zu plazieren (Rückseitenzelle). Das Dokument „27.5-Percent Silicon Concentrator Solar Cells" (R. A. Sinton, Y. Kwark, J. Y. Gan, R. M. Swanson, IEEE Electron Device Letters, Band ED-7, Nr. 10, Oktober 1986) beschreibt eine derartige Einrichtung.
Da der größte Teil der Photonen immer in die Nähe der vorderen Oberfläche der Zelle absorbiert wird, müssen die erzeugten Ladungsträger in diesen Gebieten durch das ganze Basisgebiet der Zelle in Richtung des Kollektorübergangs in der Nähe der hinteren Oberfläche diffundieren. Für dieses Konzept wird ein qualitativ hochwertiges Material mit Minoritätsladungsträgerdiffusionslängen benötigt, die länger sind als die Zellendicke, wodurch sich diese Lösung für die meisten Materialien von Solarzellenqualität, die im allgemeinen kurze Diffusionslängen aufweisen, nicht anwenden läßt. Außerdem ist eine perfekte Passivierung der vorderen Oberfläche für Zellen mit dem Kollektorübergang in der Nähe der hinteren Oberfläche erforderlich.
Bei der größten Gruppe von Solarzellen liegt der Kollektorübergang in der Nähe ihrer vorderen Oberfläche. Der Strom aus diesen Solarzellen wird von einem Metallkontakt zu dem auf der vorderen Oberfläche dotierten Gebiet und von einem zweiten Kontakt zu dem auf der hinteren Oberfläche entgegengesetzt dotierten Gebiet gesammelt. Wenngleich diese vordere Gitterstruktur relativ leicht optimiert werden kann, um einen hohen Sammelwirkungsgrad zu erhalten, erfordert der Kompromiß zwischen Widerstandverlusten und Abschattungsverlusten eine Abdeckung der vorderen Oberfläche von 10–15% der Gesamtfläche.
Eine weitere Gruppe von Solarzellen vereinigt die beiden Ansätze. Nur solche Solarzellen weisen sowohl äußere Kontakte zu den auf der hinteren Oberfläche entgegengesetzt dotierten Gebieten und dem in der Nähe der vorderen Oberfläche Kollektorübergang auf. Der Kollektorstrom aus der vorderen Oberfläche wird von durch den ganzen Wafer erstreckten Öffnungen zu der hinteren Oberfläche geführt. Mit dieser Struktur werden normalerweise durch das vordere Metallisierungsgitter entstehende Abschattungsverluste stark reduziert.
Mehrere Patente verwenden diesen Ansatz.
Die Dokumente US-A-4,227,942 und US-A-4,427,839 offenbaren Solarzellenstrukturen, bei denen die Metallkontakte zu beiden entgegengesetzt dotierten Gebieten auf der hinteren Oberfläche der Einrichtung plaziert sind. Die Verbindung zu dem vorderen Kollektorübergang wird durch in einer Anordnung eingerichtete chemisch geätzte Durchgangslöcher realisiert. Die Metallgitter und die chemische Ätzmaske werden durch Photolithographie definiert. Die Photolithographie ist jedoch ein aufwendiger Bearbeitungsschritt und schwer in die industrielle Solarzellenproduktion umzusetzen.
Das Dokument US-A-4,838,952 offenbart eine ähnliche Struktur, wobei eine Löcheranordnung durch photolithographisch definierte Bereiche unter Verwendung chemischen Ätzens erzeugt wird. In diesem Fall erstrecken sich die Löcher nicht von der oberen Oberfläche zu der hinteren Oberfläche der Einrichtung. Sie verlaufen nur von der hinteren Oberfläche zu dem Übergangsgebiet. Aufgrund der geringeren Dotierungsdichte an dem Übergangsgebiet im Vergleich zu der Oberfläche, wo die Kontakte normalerweise plaziert sind, wird vorausgesetzt, daß der Kontaktwiderstand mit dieser Einrichtung höher ist, wenn industrielle Metallisierungstechniken wie etwa Siebdruck verwendet werden. Die Nachteile der Photolithographie gelten auch bei diesem Verfahren.
Das Dokument US-A-3,903,427 beschreibt auch eine Solarzelle mit einer Löchernanordnung, die durch mechanisches, Elektronenstrahl- oder Laserbohren eingearbeitet worden sind, um den Kollektorstrom von der vorderen Oberfläche der Solarzelle zu der hinteren Oberfläche zu leiten. In diesem Fall werden die Metallkontakte zu den Gebieten entgegengesetzter Polarität einer über dem anderen auf der hinteren Oberfläche angeordnet und sind durch eine dielektrische Schicht getrennt. Diese Einrichtung macht es auch erforderlich, eine isolierende dielektrische Schicht entlang der Wände der Löcher zu haben. Diese Schicht läßt sich mit industriellen Metallisierungstechniken wie zum Beispiel Siebdrucken der Metallpaste und Brennen der Metallpaste, was dielektrische Schichten auflöst, schwer vereinbaren.
Das Dokument US-A-4,626,613 offenbart Solarzellen mit beiden Kontakten auf der hinteren Oberfläche und einer Löcheranordnung, die die vordere und hintere Oberfläche verbinden. Die Löcher werden verwendet, um Strom von der vorderen Oberfläche zu dem auf der hinteren Oberfläche der entsprechenden Polarität Metallgitter zu leiten. Die Löcher werden durch Laserbohren oder durch Ritzen einer Menge parallel beabstandeter Nuten auf der vorderen und hinteren Oberfläche eingearbeitet. Die beiden Mengen von Nuten auf beiden Oberflächen sind senkrecht orientiert, so daß nach einem entsprechenden Ätzprozeß Löcher an den Schnittpunkten entstehen.
Eine ähnliche Struktur ist in US-A-5,468,652 gezeigt, wobei die Zellenstruktur eine Löcheranordnung aus lasergebohrten Löchern verwendet, um den Kollektorstrom der vorderen Oberfläche nach der hinteren Oberfläche zu leiten, wo die Metallkontakte zu den entgegengesetzt dotierten Gebieten plaziert sind. Wenngleich dieser letztere Fall im Vergleich zu den oben vorgeschlagenen Fällen auch Vereinfachungen an der Zellenverarbeitung bietet, gibt es weiterhin einige gemeinsame Mängel bei Zellstrukturen, die eine große Anzahl von Löchern verwenden, um die beiden Oberflächen einer Zelle elektrisch anzuschließen.
Um Widerstandsverluste zu vermeiden, die durch die Wirkung der Stromzusammendrängung innerhalb der stärker dotierten Oberflächenschicht der Zelle um die Löcher herum verursacht werden, müssen die Löcher in beiden Dimensionen 1–1,5 mm zueinander beabstandet sein. Auf großflächigen Solarzellen (10 × 10 cm²) wäre eine Gesamtzahl von mehr als 10 000 Löchern erforderlich. Weitere Schwierigkeiten entstehen unter dem Gesichtspunkt der Metallisierung. Die enge Beabstandung von Löchern erfordert sehr enge Ausrichtungstoleranzen für die beiden Metallgitter auf der hinteren Oberfläche. Die mit den in den oben aufgeführten Patenten assoziierte große Anzahl von Löchern macht diese Zellenstrukturen aufwendig und für die Massenproduktion nicht gut geeignet.
Das Dokument US-A-3,903,428 offenbart eine Solarzellenstruktur, die ein zentral angeordnetes Loch in Kombination mit einem auf der vorderen Oberfläche der Zelle Metallgitter verwendet, um den Kollektorstrom von der vorderen zu der hinteren Oberfläche zu leiten. Die offenbarte Struktur eignet sich am besten für runde Einrichtungen mit einer kleinen Fläche, und zwar wegen erhöhter Widerstandsverluste, die durch Stromzusammendrängung um das zentral angeordnete Loch herum verursacht werden. US-A-3,903,428 ermöglicht auch nicht, auf der hinteren Oberfläche der Zellen einen zweiten Kollektorübergang zu plazieren, was mit einigen der oben erörterten Strukturen möglich wäre.
Das Dokument JP-63-211773-A beschreibt eine Solarzellenstruktur, wobei das Entfernen des externen Kontakts von der vorderen Oberfläche den aktiven Bereich vergrößert und beide Polaritätskontakte von der hinteren Oberfläche aus zugänglich macht. Einfallendes Licht erzeugt Elektronen-Loch-Paare in dem Volumen der Struktur. Überschüssige Minoritätsladungsträger diffundieren in Richtung des durch epitaxiales Wachsen an der vorderen Oberfläche ausgebildeten Kollektorübergangs. Nachdem sie den Übergang überquert haben, können sie als Majoritätsladungsträger in Richtung eines Metallkontakts diffundieren, der Teil eines Leitungswegs in Richtung externer Kontakte auf der hinteren Oberfläche der Zelle ist. Der Leitungsweg zwischen der vorderen und hinteren Oberfläche ist durch eine begrenzte Anzahl von Löchern vorgesehen. Die Diffusion der Minoritätsladungsträger durch den ganzen Wafer erschwert es, diesen Ansatz für Materialien geringerer Qualität zu verwenden. Die Entfernung, um die ein Minoritätsladungsträger durch das Volumengebiet diffundieren kann, bevor er rekombiniert, wird durch die Materialqualität begrenzt. Bei qualitativ hochwertigem Material können Minoritätsladungsträger ein Mehrfaches der Basisweite zurücklegen, bevor sie rekombinieren. Die Diffusionslänge in einem Material geringerer Qualität kann jedoch geringer sein als die Zellstruktur. In diesem Fall haben tief innerhalb der Struktur erzeugte Ladungsträger eine geringe Möglichkeit, die vordere Oberfläche zu erreichen, wo sie gesammelt werden können.
ZIELE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Realisierung einer Solarzellenstruktur vorzuschlagen, die sich für Materialien von Solarzellenqualität eignet und die die Begrenzungen der obenerwähnten Strukturen des Stands der Technik überwindet und gleichzeitig die industrielle Anwendbarkeit aufrechterhält.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein kosteneffektives Verfahren zur Realisierung von Solarzellen nach Anspruch 1 vorzuschlagen.
HAUPTCHARAKTERISTIKEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die erste Aufgabe besteht darin, eine Solarzelle in einem Halbleitersubstrat vorzuschlagen, umfassend mindestens eine strahlungsempfangende vordere Oberfläche und eine zweite Oberfläche, wobei das Substrat folgendes umfaßt: ein erstes Gebiet von einem Leitfähigkeitstyp und ein zweites Gebiet von dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, wobei sich zumindest ein erster Teil neben der vorderen Oberfläche befindet und wobei sich mindestens ein zweiter Teil neben der zweiten Oberfläche befindet, wobei die vordere Oberfläche leitende Kontakte zu dem zweiten Gebiet aufweist und die zweite Oberfläche getrennte Kontakte zu dem ersten Gebiet und zu dem zweiten Gebiet aufweist, wobei die Kontakte zu dem zweiten Gebiet auf der zweiten Oberfläche mit den Kontakten an der vorderen Oberfläche durch eine begrenzte Anzahl von Durchgangslöchern verbunden sind.
Unter einer begrenzten Anzahl von Durchgangslöchern wird ein Anzahl von Durchgangslöchern verstanden, die in einem industriell machbaren (ausreichend kurzen) Zeitrahmen hergestellt werden können. Somit liegt die Anzahl der Durchgangslöchern bei etwa 100 oder niedriger für eine 10 × 10 cm² große Solarzelle, beispielsweise in der Größenordnung von 10–20.
Wenn die zweite Oberfläche die hintere Oberfläche des Substrats ist, werden getrennte Kontakte zu dem ersten Gebiet und zu dem zweiten Gebiet auf der hinteren Oberfläche ausgebildet.
Das zweite Gebiet ist durch das dotierte Gebiet des Substrats definiert und kann entweder vom n-Typ oder p-Typ sein, während das erste Gebiet dann vom p-Typ oder n-Typ ist.
Bevorzugt verlaufen die Durchgangslöcher von der vorderen Oberfläche zu der hinteren Oberfläche des Substrats und sind kegelförmig oder zylindrisch.
Die auf der vorderen Oberfläche leitenden Kontakte werden von einer Reihe von schmalen Metalleitungen gebildet, jeweils Teil eines leitenden Wegs in Richtung mindestens eines auf der vorderen Oberfläche geöffneten Durchgangsloches.
Beide Kontakte auf der hinteren Oberfläche dienen als externe Kontakte für die Einrichtung. Der Kontakt zu dem zweiten Gebiet auf der hinteren Oberfläche dient dazu, an dem vorderen Übergang zwischen den Gebieten gesammelte Ladungsträger mit Hilfe der Verbindung zu dem Kontakt an der vorderen Oberfläche durch die Durchgangslöcher aufzugreifen und zu transportieren und außerdem die an dem Übergang in der Nähe der hinteren Oberfläche gesammelten Ladungsträger aufzugreifen und zu transportieren.
Eine zweite Aufgabe besteht darin, ein Realisierungsverfahren für eine Solarzelle vorzuschlagen, die im wesentlichen aus einem Halbleitersubstrat besteht, das folgendes aufweist: ein erstes Gebiet von einem Leitfähigkeitstyp und ein zweites Gebiet von dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, wobei das Substrat durch eine vordere Oberfläche definiert ist, die die Strahlung aufnehmen soll, und eine zweite Oberfläche, die Kontakte zu dem ersten Gebiet und zu den zweiten Gebieten aufnehmen soll, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfaßt:

– maschinelles Herstellen einer Reihe von Durchgangslöchern durch das Substrat;
– chemisches Ätzen der Durchgangslöcher;
– Einführen von Phosphor oder irgendeinem anderen Dotierstoff in das Substrat einschließlich der Wände der Durchgangslöcher, um ein zweites Gebiet zu erzeugen;
– Ausbilden von Kontakten sowohl zu dem ersten Gebiet als auch dem zweiten Gebiet der Solarzelle, wobei die Kontakte mindestens Kontakte zu dem zweiten Gebiet auf der vorderen Oberfläche umfassen und wobei sich externe Kontakte auf der zweiten Oberfläche befinden;
– Metallisieren der Durchgangslöcher auf eine Weise, daß die Metallisierung einen Leitungsweg zwischen den Kontakten zu dem zweiten Gebiet auf der vorderen Oberfläche und mindestens einen der externen Kontakte auf der zweiten Oberfläche bildet.

Bevorzugt können die Schritte des Ausbildens der Kontakte und Metallisierens der Durchgangslöcher im wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden.
Das Einführen eines Dotierstoffs in das Substrat kann zum Beispiel durch Diffusion und Ionenimplantation eines Dotierstoffs in das Substrat erfolgen.
Die Ausbildung von Metallkontakten kann beispielsweise durch Siebdruck und Brennen, Aufdampfen und/oder eine beliebige andere Technik zum Abscheiden von Metall erfolgen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 stellen einen isometrischen Querschnitt durch eine Zelle in verschiedenen Verarbeitungsstadien des Realisierungsverfahrens dar.
2 und 3 zeigen mögliche Metallgitterkonzepte für die Metallisierung der vorderen Oberfläche.
4 zeigt mögliche Metallkontaktierungsverfahren auf der hinteren Oberfläche einer Solarzelle gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt die Reihenschaltung von zwei Solarzellen auf ihren hinteren Oberflächen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Solarzellen kann als eine Parallelschaltung aus zwei Dioden beschrieben werden, wodurch eine rückkontaktierte Doppelübergang-Solarzelle entsteht. Der von Metallfingern an der vorderen Oberfläche der Zelle gesammelte trom wird zu einem externen Kontakt an ihrer hinteren Oberfläche durch eine begrenzte Anzahl von Durchgangslöchern geleitet. Ein an der hinteren Oberfläche vorliegender Übergang erhöht das Sammelvolumen erzeugter Ladungsträger, wodurch der Ausgabestrom der Einrichtung erhöht wird.
In der folgenden Beschreibung wird ein Verfahren zum Produzieren von Solarzellen mit homogenen Emittern unter Bezugnahme auf 1 offenbart.
Die Verarbeitungssequenz für eine rückkontaktierte Solarzelle mit einem doppelten Übergang ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wie folgt:
Das Ausgangsmaterial ist ein Substrat 1 vom p-Typ mit einer vorderen Oberfläche 2 und einer hinteren Oberfläche 3, wie in 1a dargestellt.
In 1b ist eine Reihe von Durchgangslöchern 4 maschinell durch das Substrat hergestellt. Durch Einsatz einer geeigneten Technik können die Öffnungswinkel α der Durchgangslöcher variiert werden. Zu möglichen Techniken für das maschinelle Herstellen von Löchern mit einem Winkel α > 0° zählen mechanisches Bohren und Funkenerosion. Diese Techniken eignen sich auch für das Herstellen zylindrischer Löcher (α = 0°). Außerdem können Laserbohren, Wasserstrahlbohren, Elektronenstrahlbohren oder Ultraschallbohren auch zylindrische Löcher erzeugen. Es kann auch chemisches Ätzen verwendet werden, doch ist in diesem Fall immer die Definition der Öffnungen mit einer Maske erforderlich, wodurch sich diese Technik für die industrielle Anwendung nicht eignet.
Das Implementieren kegelförmiger Durchgangslöcher (mit einem Öffnungswinkel α > 0°) macht es einfacher, kommerzielle Herstellungstechniken wie siebgedruckte Metallisierung anzuwenden, wie weiter unten beschrieben wird. Die Durchgangslöcher können sich entweder durch das ganze Substrat 1 von der hinteren 3 zu der vorderen Oberfläche 2 oder nur eine kurze Entfernung (< 25 μm) ab der vorderen Oberfläche 2 des Substrats 1 erstrecken. Als nächstes wird ein chemischer Ätzschritt durchgeführt, um die aus dem Zersägen des Wafers und der maschinellen Herstellung von Durchgangslöchern entstehend beschädigte Oberflächenschicht zu entfernen. Wenn sich die Durchgangslöcher 4 nicht bis zu der vorderen Oberfläche 2 erstrecken würden, sollte ausreichendes Material von der vorderen Oberfläche 2 weggeätzt werden, um die Öffnungen 11 der Durchgangslöcher in der vorderen Oberfläche 2 herzustellen.
Nach diesem Schritt sollten Emittergebiete 8 vom n-Typ auf beiden Oberflächen der Zellen einschließlich den Wänden der Durchgangslöcher 7 ausgebildet werden, wie in 1d dargestellt. Der Hauptsubstratkörper der Zelle bleibt weiterhin massives Silizium vom p-Typ. Durch Licht erzeugte Ladungsträger diffundieren in Richtung der zwischen den Emittergebieten vom n-Typ und dem Volumen vom p-Typ ausgebildeten Übergängen, wo sie gesammelt werden. Zudem stellt der Emitter vom n-Typ in den Wänden der Löcher auch eine elektrische Isolierung zwischen dem Volumen des Substrats vom p-Typ und dem Kontakt vom n-Typ durch das Loch hindurch sicher.
Zu möglichen Techniken zum Ausbilden eines Emitters vom n-Typ zählen:

1. Siebdrucken einer phosphorhaltigen Paste auf die Bereiche der Zelle, wo ein Emitter hergestellt werden sollte, Trocknen der Paste und Verwenden eines Hochtemperaturofenschritts zum Ausführen der Diffusion selbst von dem ausgebildeten Phosphorsilikatglas (PSG) in das Oberflächengebiet des Substrats.
2. Verwenden einer gasförmigen Quelle wie POCl₃, um ein PSG auf der Oberfläche des Substrats zu erzeugen, von dem aus die Diffusion in das Oberflächengebiet durchgeführt wird.
3. Aufschleuder- und Aufsprühabscheidungstechniken.
4. Andere Techniken wie Ionenimplantation wären ebenfalls möglich, aber nicht auf einer industriellen Ebene.

Auf der hinteren Oberfläche muß ein Kontakt zu dem Substratgebiet vom p-Typ vorgesehen werden. Ein aus Solarzellenverfahren wie dem beschriebenen entstehendes signifikantes Problem ist die Isolation zwischen den Kontakten vom p-Typ und vom n-Typ, um Querleitwerte zu vermeiden. Deshalb sollten Teile der hinteren Oberfläche ohne Emitter vom n-Typ sein, oder das Emittergebiet von n-Typ sollte nur selektiv ausgebildet sein. Verfügbare Techniken reichen vom Ausschließen von Teilen der hinteren Oberfläche von der Diffusion durch Aufbringen einer geeigneten Maskierungsschicht, wie in 1c dargestellt, bis zum Entfernen des Emittergebiets vom n-Typ nach der Diffusion in den für den Volumenkontakt vom p-Typ vorgesehenen Bereichen.
Schließlich können die Metallkontakte auf die Solarzelle aufgebracht werden. Dies kann unter Verwendung wohlbekannter Metallisierungstechniken wie etwa Siebdrucktechniken realisiert werden. Das Siebdrucken ermöglicht die Kombination der Ausbildung des Kontakts vom n-Typ auf der hinteren Oberfläche und der Metallisierung der Durchgangslöcher 4. Die Durchgangslöcher sollten auf eine Weise metallisiert werden, daß das Metall mindestens einen Leitungsweg zwischen den Kontakten vom n-Typ auf der vorderen und hinteren Oberfläche bildet. Wahlweise werden die Durchgangslöcher derart metallisiert, daß das Metall sie vollständig füllt und sich bis zu der vorderen Oberfläche erstreckt, wie in 1e dargestellt.
Ein Metallkontakt 10 vom n-Typ wird auf der vorderen Oberfläche 2 der Zelle derart ausgebildet, daß ein Kontakt zu den bereits metallisierten Durchgangslöchern wie in 1f dargestellt ausgebildet wird. Dieser Kontakt vom n-Typ auf der vorderen Oberfläche besteht aus schmalen Metallfingern, jeweils Teil eines leitenden Wegs zu mindestens einer Öffnung der Durchgangslöcher auf der vorderen Oberfläche, wie in 2 und 3 dargestellt.
Der Kontakt vom p-Typ zu der Zelle wird auf der hinteren Oberfläche gebildet, was zu einem von dem obenerwähnten Kontakt vom n-Typ auf der hinteren Oberfläche getrennten zweiten Gitter von Metalleitungen 6 auf der hinteren Oberfläche führt. Das Aufbringen der Metallkontakte kann in einer beliebigen Reihenfolge realisiert werden.
Auf der Basis der essentiellsten Verfahrenssequenz wie hier oben beschrieben können weitere, dem Fachmann bekannte Verarbeitungsschritte hinzugefügt werden, um die Leistung der Zellen weiter zu verbessern:

1. Nach dem Ätzschritt nach der Ausbildung der Durchgangslöcher kann ein Schritt zur Oberflächenstrukturierung aufgenommen werden. Das Ziel der Oberflächenstrukturierung besteht in der Reduktion der Reflexion von der vorderen Oberfläche der Zelle, was ermögicht, daß mehr Licht in die Zelle eintritt und somit zu einer höheren Stromabgabe der Zelle führt. Dem Fachmann sind mehrere Techniken zur Oberflächenstrukturierung bekannt.
2. Um die Oberflächen der Zelle zu passivieren, kann nach dem Schritt der Emitterdiffusion ein Oxidationsschritt durchgeführt werden. Die resultierende SiO₂-Schicht bildet keine Barriere für das Aufbringen von Metallkontakten auf dem Silizium. Techniken zum Kontaktieren des Siliziums durch das Oxid mit Metallgittern sind gut eingeführt.
3. Die vordere Oberfläche der Solarzelle kann mit einer Antireflexschicht (ARC – Anti-Reflexion Coating) bedeckt werden, um die Reflexionsverluste weiter zu reduzieren.

Folgendes sind mögliche Implementierungen des hier oben beschriebenen vorderen Metallgitters:

1. Die Anzahl der Durchgangslöcher braucht nicht der Anzahl von Fingern zu entsprechen. Ein Design, wo mehr als ein Finger mit einem Durchgangsloch verbunden ist, kann wie in 3 gezeigt realisiert werden. Ein Vorteil dieser Anordnung ist eine weitere Reduzierung der Gesamtzahl an Durchgangslöcher, was die Herstellungsverarbeitung von Löchern beschleunigen kann.
2. Verschiedene vordere Kontaktgitter außer parallelen Fingern können ebenfalls mit Durchgangslöchern kombiniert werden, um den Kollektorstrom zu der hinteren Oberfläche zu leiten.
3. Die Durchgangslöcher brauchen nicht notwendigerweise entlang zweier Linien plaziert zu werden. Alternative Plazierungen der Durchgangslöcher entsprechend der Frontmetallisierung stellen ebenfalls eine Designoption dar.

Die offenbarte Solarzellenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch für Zellen mit selektiven Emittern verwendet werden. Bei Zellen mit selektiven Emittern ist die Dotierungsdichte neben dem Metallkontakt höher als in den offenen Bereichen der Zellen, die das einfallende Licht empfangen.
Anstatt als Ausgangsmaterial Substrate vom p-Typ zu verwenden, ist es auch möglich, die obenerwähnten Verarbeitungsschritte auf Substrate vom n-Typ unter entsprechender Umkehrung der folgenden Gebiete in einer Zelle bestimmter Leitfähigkeit im Vergleich zu den hier oben erfolgten Beschreibungen anzuwenden.
4 gibt ein Beispiel für ein Metallisierungsdesign für eine hintere Oberfläche. Der Emitter auf der hinteren Oberfläche der Zelle und des Substratkörpers wird kontaktiert, und der Übergang wird als ein zweiter Kollektorübergang zusätzlich zu dem ersten Kollektorübergang auf der vorderen Oberfläche verwendet. Dieses Design führt zu einer ineinandergreifenden Struktur, die aus Kontaktfingern zu dem Volumen 15 und Kontaktfingern zu dem Emitter 16 auf der hinteren Oberfläche besteht.
Rückmetallisierungsstrukturen wie die beschriebene bieten die Möglichkeit einer leichten elektrischen Zwischenverbindung zwischen einzelnen Solarzellen. Als Beispiel zeigt 5 die Reihenschaltung zwischen zwei Zellen, die realisiert werden kann, indem die Zellen nebeneinander plaziert werden, wobei sich der Verbinder vom n-Typ am Rand der ersten Zelle neben dem Verbinder vom p-Typ am Rand der zweiten Zelle befindet. Die elektrische Verbindung kann leicht hergestellt werden, indem eine breite Leitung 17 über beiden Verbindern angebracht wird. Diese Weise der Zellenzwischenverbindung führt zu einer dichten Packung von Zellen in einem Modul und ist weit stärker vereinfacht als die Verbindung herkömmlicher Zellen, für die es erforderlich ist, einen Verbindungsdraht von der vorderen Oberfläche einer Zelle zu der hinteren Oberfläche der nächsten Zelle zu führen.

Claims

Prozess der Realisierung einer Solarzelle, die im wesentlichen aus einem Halbleitersubstrat besteht, das folgendes aufweist: ein erstes Gebiet (1) von einem Leitfähigkeitstyp und ein zweites Gebiet (8) von dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, wobei das Substrat durch eine vordere Oberfläche (2) definiert ist, die die Strahlung aufnehmen soll, und eine hintere Oberfläche (3), die Kontakte (6, 9) zu dem ersten Gebiet und zu den zweiten Gebieten aufnehmen soll, wobei der Prozess mindestens die folgenden sequentiellen Schritte umfasst: – maschinelles Herstellen einer Reihe von Durchkontakten (4) durch das Substrat; – chemisches Ätzen der Durchkontakte (4); – Einführen von Phosphor oder irgendeinem anderen Dotierstoff in beide Oberflächen des Substrats einschließlich der Wände (7) der Durchkontakte (4) zum Herstellen eines zweiten Gebiets (8) als ein homogener und kontinuierlicher Emitter auf beiden Oberflächen des Substrats, wodurch ein doppelter trägersammelnder Übergang hergestellt wird; – Ausbilden von Kontakten (6, 9) sowohl zu dem ersten Gebiet (1) als auch dem zweiten Gebiet (8) der Solarzelle, wobei die Kontakte mindestens Kontakte (10) zu dem zweiten Gebiet (8) auf der vorderen Oberfläche (2) umfasst und wobei sich externe Kontakte (6, 9) auf der hinteren Oberfläche (3) befinden; – Metallisieren der Durchkontakte (4) auf eine Weise, dass die Metallisierung einen Leitungsweg zwischen den Kontakten (9) zu dem zweiten Gebiet (8) auf der vorderen Oberfläche (2) und mindestens einem der externen Kontakte auf der hinteren Oberfläche (3) bildet.
Prozess nach Anspruch 1, wobei die Schritte des Ausbildens der Kontakte und Metallisierens der Durchkontakte im wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden.
Prozess nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin mit den folgenden Schritten: – Brennen der Metallkontakte; – Abscheiden einer Maskierungsschicht (5) auf der hinteren Oberfläche (3) des Substrats, wo die Basiskontakte platziert werden müssen; – Diffundieren des Dotierstoffs in die unbedeckte Oberfläche durch die Maske des Substrats einschließlich der Wände (7) der Durchkontakte (4) zum Herstellen des zweiten Gebiets (8); – Entfernen der Schutzmaske (5) auf der Oberfläche der Zelle nach dem Schritt des Einführens eines Dotierstoffs in das Substrat.
Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Fall, dass sich die Durchkontakte nicht von der hinteren Oberfläche (3) bis zu der vorderen Oberfläche (2) erstrecken, ausreichend Material des Substrats von der vorderen Oberfläche weggeätzt wird, um Durchkontaktöffnungen auf der vorderen Oberfläche herzustellen.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Phosphordiffusion oder eine Diffusion aus irgendeinem anderen Dotierstoff durchgeführt wird durch Siebdrucken einer phosphorhaltigen Paste auf die Bereiche der Zelle, wo ein Emitter hergestellt werden sollte, Trocknen der Paste und Verwenden eines Hochtemperaturofenschritts zum Durchführen der Diffusion selbst aus dem ausgebildeten Dotierstoffglas (PSG) in das Oberflächengebiet des Substrats.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Phosphordiffusion oder eine Diffusion eines beliebigen anderen Dotierstoffs durchgeführt wird durch Verwenden einer gasförmigen Quelle (zum Beispiel POCl₃) zum Erzeugen eines PSG auf der Oberfläche des Substrats, von der aus die Diffusion in das Oberflächengebiet durchgeführt wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Phosphordiffusion oder eine Diffusion aus einem beliebigen anderen Dotierstoff durch Aufschleuder- oder Aufsprühabscheidungstechniken ausgeführt wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Phosphordiffusion oder eine Diffusion aus einem beliebigen anderen Dotierstoff durch eine Ionenimplantationstechnik ausgeführt wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei das Entfernen der Schutzmaske erreicht wird durch Eintauchen des Substrats in verdünnte HF gefolgt von einer zweistufigen Reinigungssequenz mit chemischen Lösungen, wo die Maske von einem oxidierenden Mittel oxidiert wird, gefolgt von ihrem Entfernen in verdünnter HF.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei das Abscheiden der Metallkontakte durch Siebdrucktechniken ausgeführt wird.
Solarzelle mit einem doppelten Übergang, erhalten durch den Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in einem das Substrat definierenden Halbleitermaterial, umfassend mindestens eine strahlungsempfangende vordere Oberfläche (2) und eine hintere Oberfläche (3), wobei sich eine Reihe von Durchkontakten (4) von der vorderen Oberfläche (2) zu der hinteren Oberfläche (3) des Substrats erstrecken, wobei das Substrat ein erstes Gebiet (1) von einem Leitfähigkeitstyp und ein zweites Gebiet (8) von dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp umfasst, wobei die vordere Oberfläche (2) leitende Kontakte (10) zu dem zweiten Gebiet (8) aufweist und die hintere Oberfläche (3) getrennte Kontakte (6, 9) zu dem ersten Gebiet (1) und zu dem zweiten Teil des zweiten Gebiets (8) aufweist, wobei die Kontakte (9) zu dem zweiten Gebiet (8) an der hinteren Oberfläche (3) mit den Kontakten (10) an der vorderen Oberfläche (2) durch die Durchkontakte (4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gebiet ein homogener und kontinuierlicher Emitter auf beiden Oberflächen des Substrats sowie auf den Wänden der Durchkontakte ist.
Solarzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Oberfläche (3) die hintere Oberfläche ist, auf der getrennte externe Kontakte (6 und 9) zu dem ersten Gebiet (1) und dem zweiten Gebiet (8) hergestellt sind.
Solarzelle nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gebiet des Substrats vom p-Typ ist, während das zweite Gebiet von dem n-Typ ist.
Solarzelle nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gebiet des Substrats vom n-Typ ist, während das zweite Gebiet von dem p-Typ ist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Durchkontakte (4) von der vorderen Oberfläche (2) zu der hinteren Oberfläche (3) des Substrats erstrecken.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchkontakte (4) kegelförmige oder zylindrische Durchkontakte sind.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitenden Kontakte (10) auf der vorderen Oberfläche (2) aus einer Reihe von schmalen Metallfingern bestehen, wobei jeder Teil eines leitenden Wegs in Richtung mindestens eines Durchkontakts (4) auf der vorderen Oberfläche (2) mündet.
Solarzelle nach Anspruch 17, wobei die leitenden Kontakte (10) auf der vorderen Oberfläche (2) aus einer Reihe schmaler Metallfinger bestehen, deren Gesamtzahl größer ist als die Zahl von Durchkontakten in einer Reihe von Durchkontakten.
Solarzelle nach Anspruch 18, wobei die leitenden Kontakte (10) auf der vorderen Oberfläche (2) aus einer Reihe von parallel beabstandeten Fingern bestehen, deren Gesamtzahl genau der Anzahl von Durchkontakten in einer Reihe von Durchkontakten entspricht.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Durchkontakte kleiner ist als 100 für Zellen mit einer Fläche kleiner als etwa 10 cm × 10 cm.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Antireflexbeschichtungsschicht auf der vorderen Oberfläche (2) abgeschieden ist.