EP1133799A1 - Thin-film solar array system and method for producing the same - Google Patents

Thin-film solar array system and method for producing the same

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EP1133799A1
EP1133799A1 EP99958114A EP99958114A EP1133799A1 EP 1133799 A1 EP1133799 A1 EP 1133799A1 EP 99958114 A EP99958114 A EP 99958114A EP 99958114 A EP99958114 A EP 99958114A EP 1133799 A1 EP1133799 A1 EP 1133799A1
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EP
European Patent Office
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contact
solar cell
layer
contact electrode
insulation layer
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Withdrawn
Application number
EP99958114A
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German (de)
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Inventor
Ralf LÜDEMANN
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a thin-film solar cell arrangement and a method for producing the same according to the preamble of claims 1 and 11.
  • Solar cells are components that convert light into electrical energy. They usually consist of a semiconductor material which contains n- and p-type areas, ie areas in which the current is transported by negative or positive charge carriers. The areas are called emitters or bases. Positive and negative charge carriers generated by incident light are separated and can be removed by metallic contacts in the respective areas. Accordingly, only those charge carriers that reach the contacts and do not previously recombine with a charge carrier of reversed polarity contribute to the usable electrical power. Another loss mechanism is the reflection of light from the metal contacts. One speaks of the shadowing of the solar cell through the contact. The less the shading, ie the more light can get into the solar cell, the greater the current efficiency of the cell per area, and thus the higher the efficiency.
  • the contacts on the side facing the light are therefore designed as comb-shaped structures, so-called grids. But to transport electricity To guarantee with low resistance, the distance between the grid fingers must not be too large, and the number and cross section must not be too small. A certain amount of shading has to be accepted with conventional solar cells.
  • Such a known solar cell (see FIG. 1 a) consists only of an active solar cell layer 1, which consists of a p-doped base 1 b and, in the illustrated case according to FIG. 1 a, of n-doped selective emitter regions 1 a.
  • the active solar cell layer 1 typically has a thickness of approximately 3-50 ⁇ m, which is applied to a carrier substrate 2.
  • many of these substrates 2 are not conductive. Therefore, the electrical contact to the base 1 b cannot be made from the rear via the carrier substrate 2. Instead, a so-called one-sided grid must be used, which consists of two interlocking grids, an emitter grid 3a and a base grid 3b, each for contacting the emitter 1a and the base 1b.
  • Such a solar cell structure can also be used at the same time to interconnect several solar cells on a carrier substrate, as is apparent from DE 197 15 138.
  • a solar cell emerges - see in particular the embodiment according to FIG. 8 of the publication - which has a contact layer 51 which is applied to a glass substrate 52 and is electrically connected via contacting regions to, for example, the n-doping region of a solar cell layer 54 is.
  • the solar cell layer 54 is produced by gradual doping with arsenic and bromine doping atoms. This can be seen essentially from FIG. 9 and the associated description.
  • Contact electrodes 16 are applied directly to the p-doping layer of the solar cell layer. The electrode structures are thus arranged on both sides of the solar cell layer and at least partially shade this with respect to unimpeded radiation.
  • the same disadvantage also has the solar cell from WO89 / 04062, which provides a multi-layer solar cell structure - see in particular the exemplary embodiments of the figures. 1a, b. 1b that a first electrode 14 is applied to a glass substrate, on which the silicon-based solar cell layer is applied directly.
  • a second electrode layer which is interrupted by dielectric layer regions 20, is in direct contact with the solar cell layer 16.
  • a grid-like electrode structure 32 is applied over the dielectric layer 20 and is connected to the solar cell layer 16 and the first electrode layer 14 via electrically conductive connection channels 22.
  • FIG. 1b A similarly known structure is shown for a rear-side contact cell in FIG. 1b, a concept for highly efficient solar cells.
  • both contacts 3a and 3b are attached to the back of the solar cell in order to completely eliminate the shading on the front. If the contacts are implemented as narrow grids, light that reaches the solar cell from the rear can also contribute to power generation (so-called bifacial cell).
  • the realization of these one-sided grids has so far only been possible using very complex methods.
  • the selective emitter is generated by several masking steps, the emitter not consisting of a laterally homogeneous layer, but of a partial area that corresponds to the shape of the emitter grid. In this way, basic areas remain on the surface and can be contacted directly.
  • the application of the respective metal contacts precisely on the corresponding areas is a critical adjustment problem and also requires masks that can be precisely adjusted.
  • EWT Emitter Wrap-Through
  • the EWT cell is limited to solar cells made of silicon wafers or wafers.
  • the main cost saving potential in photovoltaics lies in the reduction of the expensive silicon to a layer just a few micrometers thick, so-called thin-film solar cells. Since this is a carrier substrate assuming their back is not accessible and the known EWT process is not applicable.
  • thin-film solar cells allow the use of poorer quality silicon due to their small thickness than is the case with conventional or EWT solar cells made of silicon wafers.
  • the invention is based on the object of a thin-film solar cell arrangement with a solar cell layer arranged over a planar support substrate, which has at least one n-type (emitter) and at least one p-type (base) semiconductor layer area, and a first and second contact electrode, each with a different one electrical polarity, each of which is electrically connected to the emitter or the base, to be indicated in such a way that the solar cell can be produced more easily and more cost-effectively without deteriorating the efficiency.
  • the electrical contacting of the individual semiconductor regions is to take place without the use of high-precision masks to be adjusted and, rather, can be implemented using simple process techniques.
  • the thin-film solar cell arrangement according to the invention is also intended to offer the possibility of easily interconnecting a plurality of solar cell structures on a carrier substrate and to provide a protective diode.
  • the thin-film solar cell arrangement is intended to provide the connection electrodes on only one side to the solar cell layer, in order in this way to have as little or no shading losses as possible due to electrode structures.
  • a method for producing the novel thin-film solar cell arrangement is to be specified.
  • the solution to the problem underlying the invention is specified in claim 1.
  • a method according to the invention is the subject of claim 11.
  • the thin-film solar cell arrangement according to the invention with a solar cell layer arranged over a planar support substrate, which has at least one n-type, the emitter region, and at least one p-type, the base region, semiconductor layer region, and first and second contact electrodes, each with different electrical polarity, which are each electrically connected to the emitter or the base, is designed such that the first and second contact electrodes, over which an electrical insulation layer is provided, and the solar cell layer are arranged over the insulation layer, directly or separately by an electrical insulation layer on the carrier substrate is.
  • the contact electrodes are preferably designed as grid-shaped conductor tracks and consist of metal or other highly conductive materials.
  • the two contact electrodes, which can be electrically connected with different polarities, are applied to the carrier substrate at a distance from one another.
  • first and second contact channels are provided which penetrate the insulation layer and / or the active solar cell layer down to the contact electrodes.
  • the generation can take place during the deposition of the silicon layer, but also by conversion, for example by diffusion.
  • a plurality of first and second contact channels are preferably provided, in which electrically conductive material is introduced, through which the first contact electrode with the semiconductor layer region assigned to its polarity are electrically connected to one another.
  • the second contact electrode and the semiconductor layer region corresponding to its polarity are electrically connected to one another via second contact channels.
  • the contact channels are formed as blind holes on one side, delimited by the respective contact electrodes, and are used for electrical contacting of the individual semiconductor layer regions without the contacting measures having a significant influence on the active solar cell surface. Only that The cross-sectional area of the individual contact channels is lost from the active solar cell layer, a proportion of the area which, however, is relatively small.
  • the solar cell can be divided into any lateral sections by severing the layers down to the insulation layer covering the contact electrodes.
  • Such a subdivision allows several solar cells to be combined with one another, which are applied on a single carrier substrate. This is not possible, for example, with the EWT solar cells mentioned at the beginning.
  • protective diodes can be provided which are applied to the same carrier substrate as the solar cells and which serve to bridge the solar cells in the event of malfunctions in order to increase the operational reliability and the service life of the solar cells.
  • FIG. 3 ad Process steps for producing an emitter base contact in the rear-side thin-film solar cell, FIGS. 4 a, b, c Cross-sectional representations through different thin-film solar cells FIG. 5 Thin-film solar cell arrangement with protective diode, Fig. 6 modular interconnection of several
  • FIG. 7 cross-sectional representation through an arrangement according to FIG. 6.
  • FIG. 2 shows the basic structure of the back contact thin film solar cell (BC-TFC, back contact thin-film cell).
  • conductor tracks 3a, 3b made of metal or other conductive materials, such as suicides (for example TiSi 2 ), are applied directly or on a lower insulation layer 4 on a carrier substrate 2.
  • the conductor tracks are covered with an upper electrical insulation layer 5 (for example made of nitrides and / or oxides and / or carbides).
  • the task of this layer 5 is to encapsulate the metal of the contact electrodes 3a, 3b, since it can melt in subsequent high-temperature steps (for example during the deposition of the active semiconductor layer or when the emitter is formed). The encapsulation ensures that the metal neither runs nor diffuses to a greater extent through the insulation layer into the active layer and thereby deteriorates the quality of the active layer.
  • the contact electrode 3b must also be applied in an insulated manner to the substrate in this case.
  • the carrier substrate 2 is made conductive or porous.
  • the contact electrode 3b is also attached to the back of the carrier substrate, so that the contact can take place via the substrate. This still corresponds to a contact with both contacts on the side of the solar cell facing away from the light; a special case, so to speak.
  • the contact electrodes 3a, 3b furthermore represent the electrical contacting of the solar cell. Corresponding to the electrical polarity in the outer circuit they can be divided into positive (plus) 3b and negative (minus) 3a contact electrodes. In general, the plus and minus contact electrodes alternate, but other arrangements are also possible (for example, a minus contact conductor track is followed by two minus contact conductor tracks and only then a plus contact conductor track again).
  • the active semiconductor layer 1 is deposited on the encapsulated contact electrodes 3a, 3b.
  • Various processes are available in semiconductor technology, e.g. Deposition from the liquid phase (LPE) or from the gas phase (CVD) or plasma-assisted deposition (PECVD), etc. It may be expedient to first deposit a thin seed layer which is improved in quality by a recrystallization process before it is applied to it the actual solar cell layer is deposited epitaxially. It makes sense that this layer is already p-type and represents the base 1b in the solar cell. The emitter 1a is then either by deposition of n-type material or by diffusion of dopants into the surface of the semiconductor layer with a typical depth of 0.3-1 ⁇ m , educated.
  • LPE liquid phase
  • CVD gas phase
  • PECVD plasma-assisted deposition
  • the contacting of the solar cell i.e. the electrical connection of emitter 1a and base 1b to the corresponding contact electrodes, i.e. Minus contact conductor tracks 3a for emitter contacting, plus contact conductor tracks 3b for basic contacting, are implemented by way of contact channels 6a, 6b which are formed as blind holes and which are preferably generated perpendicularly above the respective contact electrode through the active semiconductor layer 1.
  • the distance and size of the contact channels 6a, 6b must be optimized in such a way that, on the one hand, care is taken to ensure good transport of the charge carriers from the solar cell into the conductor tracks and, on the other hand, the lowest possible loss of solar cell material.
  • the electrical contact is implemented in the following steps: Before emitter formation, ie the production of the uppermost semiconductor layer region 1a, the blind holes 6a, which are to be used for emitter contacting, are created through the active layer 1 up to the insulation layer 5 (see also FIG. 3a). The position of the blind holes 6a is chosen so that they lie above the minus contact electrodes 3a.
  • the blind holes 6a can be etched, lasered or produced by a high-pressure particle beam. It is also possible to saw small slots or crosses.
  • emitter formation in which the entire free surface, the semiconductor layer 1 a, that is to say also the flanks of the blind holes 6 a, is covered with a closed emitter layer 1 a, or a corresponding closed emitter layer 1 a (FIG. 3 b) is formed by diffusion.
  • the bottoms of the emitter contact channels 6a are driven through the insulation layer 5 until the blind holes 6a meet the metallic minus contact electrodes 3a (FIG. 3c).
  • blind holes 6b are produced above the positive contact electrodes 3b through the layer sequence 1a and 1b up to the positive contact electrodes 3b.
  • the electrical contact to the base layer 1b is to be established through these blind holes 6b (FIG. 3c).
  • the electrical contacting takes place by applying or introducing an electrically conductive material 7, preferably metal, into the blind holes 6a, 6b. the connection of emitter 1a or base 1b to the respective contact electrodes 3a and 3b (Fig. 3d).
  • metal 7 is typically achieved by vapor deposition and, if necessary, by subsequent galvanic reinforcement. Scrapping of metal pastes is also possible. It is advantageous that the vapor-deposited metal 7 covers not only the bottom, but also the flanks in the lower region of the holes 6a and 6b and thus contact between the insulation layer 5 manufactures respective semiconductor layer regions 1 a and 1 b and the contact electrodes 3a, 3b. In order to ensure this, it has proven to be advantageous to form blind holes tapering downwards, as will be explained in more detail later with reference to FIG. 4.
  • contact electrode material e.g. silver or a mixture of aluminum and silver
  • vapor deposition can also be dispensed with.
  • metal e.g. silver
  • metal can be grown directly on the contact electrode locations exposed in the blind holes 6a, 6b.
  • the metal of the contact electrodes exposed at the bottom of the blind holes as a vapor deposition source. By heating strongly above the melting point, the metal of the contact electrodes partially evaporates or splashes and is deposited on the side of the blind hole.
  • FIGS 4a, b, c again illustrate the contact scheme in detail, the. Show cross-sectional representations of a fully contacted thin-film solar cell.
  • the metal 7 introduced into the blind holes causes the emitter layer 1a to be electrically connected to the negative contact electrode 3a.
  • the blind holes 6b above the positive contact electrode 3b were only created after the emitter formation (through the emitter layer on the surface).
  • the metal 7 here connects the base 1b to the plus contact electrode 3b.
  • the emitter contact channels 6a can also be produced during the production of the active solar cell layer 1.
  • a thin one Layer 1b is deposited and in it the holes provided for emitter contacting are produced as described above.
  • the layer 1b can also be remelted or recrystallized in another way in order to improve its crystallographic quality.
  • it then preferably follows an epitaxial deposition of the remaining solar cell layers 1b and 1a. There is no growth in the blind holes.
  • the holes and the deposition process must be chosen accordingly so that the holes do not overgrow or overgrow from the edge. Holes tapering strongly towards the top must be avoided, since this would hinder metallization by vapor deposition.
  • the metal of the contact electrodes can be used as a source for vapor deposition, contact holes tapering upwards are even very advantageous, as shown in FIG. 4b.
  • the advantages in the formation of the emitter contact holes after a first deposition as described above are the small depth of the blind holes to be produced, the larger diameter of the holes to be produced - since they become narrower again in the subsequent deposition due to growth on the hole flanks - and the avoidance damage to the material on the hole flanks, as can always occur in the production of blind holes.
  • the first two facts reduce the manufacturing effort enormously through shorter process times and coarser masking.
  • the base 1b of the solar cell can in principle also be contacted in another way.
  • the prerequisite here is that the deposition of at least the first layers of the active layer 1b (approximately a few nanometers) is at temperatures below the melting temperature of the contact web material used.
  • the insulation layer 5 is removed or not applied at all before the deposition at the points on the corresponding contact electrodes 3b which are to have contact with the base 1b (see FIG. 4c in this regard).
  • the subsequent high-temperature steps over the contact even give a highly doped zone, a so-called back surface field, which has a positive effect on the solar cell.
  • the thin-film solar cell arrangement according to the invention is inherent in the possibility of simultaneously producing a protective diode 9 on the same carrier substrate with the solar cell 8 (see FIG. 5).
  • Protective diodes basically have the task of bridging the solar cell in the event of possible malfunctions or of protecting against damage from currents flowing in the reverse direction from the external circuit. This occurs in partially shaded modules made up of several solar cells. Protective diodes are therefore installed in modules parallel to the solar cells.
  • an insulation trench 10 perpendicular to the contact electrodes 3a, 3b through the active solar cell layer 1 down to the insulation layer 5 is required.
  • the isolation trench 10 can be etched, lasered, sawn or produced in some other way and separates the active solar cell layer into an area that functions as a solar cell 8 and an area that serves as a protective diode 9.
  • the solar cell together with the protective diode is otherwise produced as described above.
  • the emitter layer 1a of the protective diode 9 is connected to the positive contact electrodes 3b via corresponding contact channels 6a, and the base layer 1b is connected to the negative contact electrodes 3a.
  • the necessary parallel connection of protective diode 9 and solar cell 8 with reverse polarity is automatically realized.
  • the contact electrodes 3a, 3b which contact the emitter or the base of the solar cell, can be connected at the end of the component by means of a transverse conductor track 31a, 31b as a so-called bus.
  • a transverse conductor track 31a, 31b as a so-called bus.
  • part of the respective bus is exposed, ie the solar cell and insulation layer is removed in places.
  • the module is manufactured analogously to the manufacture of a single solar cell described above.
  • the active solar cell layer 1 is either deposited only in spatially separated areas, which then correspond to the individual solar cells, or a homogeneous layer is divided into corresponding areas by separating trenches 10 which extend as far as the insulation layer 5 (see FIGS. 6, 7).
  • the subdivision takes place along the contact electrodes, ie the individual solar cells are separated from one another perpendicular to the contact electrodes.
  • the series connection of all solar cells 81, 82, 83 is guaranteed by two aspects.
  • the contact electrodes are not applied continuously, but in such a way that successive solar cells each use only one of the two types of contact electrodes for contacting (FIG. 6).
  • the emitter layers of successive solar cells are alternately connected to the other contact electrode type. If, for example, the emitter of cell 81 is connected to the positive contact electrode, cell 82 is connected to the negative contact electrode, cell 83 is connected to the positive contact electrode again, and so on. Accordingly, the bases of successive solar cells are alternately contacted with the minus and the plus contact electrodes. This is realized in that the emitter contact holes 6a of successive solar cells are produced alternately over the minus or plus contact electrodes. The same applies to the base contact holes 6b. Since all emitter 6a or base contact holes 6b can be produced for all solar cells at the same time, apart from the separation trenches, no additional process step is required in order to produce an entire module instead of a single solar cell.
  • FIG. 7 shows two longitudinal sections through such a module along a minus 3a or plus contact electrode 3b. Emitter 1a or base 1b of successive solar cells are alternately contacted along a contact electrode and through the 14
  • the invention can also integrate a protective diode for each solar cell during manufacture in such a module.
  • An electrically protected monolithic voltage source is thus obtained, the voltage of which can be adapted to the requirements of the electrical consumer via the number of solar cells.
  • active solar cell layer a emitter layer, semiconductor layer area of one doping type b base layer, semiconductor layer area of the other doping type carrier substrate a contact electrode, negative pole contact electrode b contact electrode, positive pole contact electrode 1a, 31b bus contact electrode insulation layer insulation layer a contact channel, emitter contact channel b contact channel, base contact channel conductive material

Abstract

The invention relates to a thin-film solar array system and to a method for producing the same. Said thin-film solar array system comprises a solar cell layer (1) arranged on a tabular carrier substrate (2). Said solar cell layer comprises a least one n-type (emitter) (1a) and at least one p-type (base) (1b) zone of the semiconductor layer. It further comprises a first (3a) and a second (3b) contact electrode which are electrically connected to the emitter (1a) and the base (1b), respectively. The first contact electrode (3a) is applied on the carrier substrate (2) either directly or separated by an electrically insulating layer (4). An electrically insulating layer (5) is provided and the solar cell layer (1) is arranged on said insulating layer (5). The second contact electrode (3b) is arranged on the carrier substrate (2) either directly or separated by an electrically insulating layer (4) and below the electrically insulating layer (5) and the solar cell layer (1). A contact channel (6a, 6b) extends through the insulating layer (5) and/or the solar cell layer (1) in such a manner that the first and second contact electrode (3a, 3b) and the zone of the semiconductor layer (1a) corresponding to the polarity of said contact electrodes (3a, 3b) are electrically interconnected within the solar cell layer (1) by way of an electrically conductive material (7) which is provided in the contact channel (6a, 6b).

Description

Dünnschichtsolarzellenanordnung sowie Verfahren zur Herstellung derselben Thin-film solar cell arrangement and method for producing the same
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dünnschichtsolarzellenanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs 1 und 11.The invention relates to a thin-film solar cell arrangement and a method for producing the same according to the preamble of claims 1 and 11.
Stand der TechnikState of the art
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitermaterial, das n- und p-leitende Bereiche enthält, d.h. Bereiche in denen der Stromtransport durch negative bzw. positive Ladungsträger erfolgt. Die Bereiche werden als Emitter bzw. Basis bezeichnet. Durch einfallendes Licht erzeugte positive und negative Ladungsträger werden getrennt und können durch metallische Kontakte auf den jeweiligen Bereichen abgeführt werden. Zur nutzbaren elektrischen Leistung tragen entsprechend nur solche Ladungsträger bei, die die Kontakte erreichen und nicht vorher mit einem Ladungsträger umgekehrter Polarität rekombinieren. Ein weiterer Verlustmechanismus ist die Reflexion von Licht an den Metallkontakten. Man spricht von der Abschattung der Solarzelle durch die Kontaktierung. Je geringer die Abschattung, d.h. je mehr Licht in die Solarzelle gelangen kann, desto größer ist die Stromausbeute der Zelle pro Fläche, und somit der Wirkungsgrad. Die Kontakte auf der dem Licht zugewandten Seite, meist die Vorderseite der Zelle werden deshalb als kammförmige Strukturen, sog. Grids, ausgeführt. Um aber einen Stromtransport mit geringem Widerstand zu garantieren, darf der Abstand der Gridfinger nicht zu groß, und die Anzahl und der Querschnitt nicht zu klein gewählt werden. Eine gewisse Abschattung muß also bei herkömmlichen Solarzellen in Kauf genommen werden.Solar cells are components that convert light into electrical energy. They usually consist of a semiconductor material which contains n- and p-type areas, ie areas in which the current is transported by negative or positive charge carriers. The areas are called emitters or bases. Positive and negative charge carriers generated by incident light are separated and can be removed by metallic contacts in the respective areas. Accordingly, only those charge carriers that reach the contacts and do not previously recombine with a charge carrier of reversed polarity contribute to the usable electrical power. Another loss mechanism is the reflection of light from the metal contacts. One speaks of the shadowing of the solar cell through the contact. The less the shading, ie the more light can get into the solar cell, the greater the current efficiency of the cell per area, and thus the higher the efficiency. The contacts on the side facing the light, usually the front of the cell, are therefore designed as comb-shaped structures, so-called grids. But to transport electricity To guarantee with low resistance, the distance between the grid fingers must not be too large, and the number and cross section must not be too small. A certain amount of shading has to be accepted with conventional solar cells.
Im Zuge der Entwicklung von billigeren Ausgangsmaterialien kommt dem Konzept der Dünnschichtsolarzelle auf kostengünstigem Substrat eine besondere Bedeutung zu. Eine derartige bekannte Solarzelle (siehe Figur 1 a) besteht nur aus einer aktiven Solarzellenschicht 1 , die aus einer p-dotierten Basis 1 b und im dargestellten Fall gemäß Figur 1a aus n-dotierten selektiven Emitterbereichen 1a besteht. Die aktive Solarzellenschicht 1 weist typischerweise eine Dicke von ca. 3-50 μm auf, die auf ein Trägersubstrat 2 aufgebracht wird. Viele dieser Substrate 2 sind allerdings nicht leitfähig. Deshalb kann der elektrische Kontakt zur Basis 1 b nicht von der Rückseite über das Trägersubstrat 2 erfolgen. Statt dessen muß ein sog. Einseitengrid verwendet werden, das aus zwei ineinandergreifende Grids, ein Emittergrid 3a und ein Basisgrid 3b jeweils zur Kontaktierung des Emitters 1a und der Basis 1 b besteht.In the course of developing cheaper starting materials, the concept of thin-film solar cells on inexpensive substrates is of particular importance. Such a known solar cell (see FIG. 1 a) consists only of an active solar cell layer 1, which consists of a p-doped base 1 b and, in the illustrated case according to FIG. 1 a, of n-doped selective emitter regions 1 a. The active solar cell layer 1 typically has a thickness of approximately 3-50 μm, which is applied to a carrier substrate 2. However, many of these substrates 2 are not conductive. Therefore, the electrical contact to the base 1 b cannot be made from the rear via the carrier substrate 2. Instead, a so-called one-sided grid must be used, which consists of two interlocking grids, an emitter grid 3a and a base grid 3b, each for contacting the emitter 1a and the base 1b.
Ein derartiger Solarzellenaufbau kann gleichzeitig auch dazu genutzt werden, auf einem Trägersubstrat mehrere Solarzellen miteinander zu verschalten, wie es aus der DE 197 15 138 hervorgeht.Such a solar cell structure can also be used at the same time to interconnect several solar cells on a carrier substrate, as is apparent from DE 197 15 138.
Aus der US 4,490,573 geht eine Solarzelle hervor - siehe hierzu insbesondere die Ausführungsform gemäß Fig. 8 der Druckschrift -, die eine Kontaktschicht 51 aufweist, die auf einem Glassubstrat 52 aufgebracht ist und über Kontaktierungsbereiche mit, beispielsweise dem n-Dotierungsbereich einer Solarzellenschicht 54 elektrisch verbunden ist. Die Solarzellenschicht 54 wird durch eine graduelle Dotierung mit Dotieratomen Arsen und Brom erzeugt. Dies geht im wesentlichen aus Fig. 9 und die dazugehörige Beschreibung hervor. Unmittelbar auf der p-Dotierschicht der Solarzellenschicht sind Kontaktelektroden 16 aufgebracht. Somit sind die Elektrodenstrukturen beidseitig zur Solarzellenschicht angeordnet und schatten diese zumindest teilweise bezüglich einer ungehinderten Bestrahlung ab. Den gleichen Nachteil weist auch die Solarzelle aus der WO89/04062 auf, die einen vielschichtigen Solarzellenaufbau vorsieht - siehe hierzu insbesondere die Ausführungsbeispiele der Figuren. 1a, b. Im wesentlichen geht aus Fig. 1b hervor, daß auf einem Glassubstrat eine erste Elektrode 14 aufgebracht ist, auf der unmittelbar die auf Silizium basierende Solarzellenschicht aufgebracht ist. In unmittelbarem Kontakt mit der Solarzellenschicht 16 befindet sich eine zweite Elektrodenschicht, die durch dielektrische Schichtbereiche 20 unterbrochen ist. Über der dielektrischen Schicht 20 ist eine gridartige Eiektrodenstruktur 32 aufgebracht, die über elektrisch leitende Verbindungskanäle 22 mit der Solarzellenschicht 16 sowie der ersten Elektrodenschicht 14 verbunden ist.From US 4,490,573 a solar cell emerges - see in particular the embodiment according to FIG. 8 of the publication - which has a contact layer 51 which is applied to a glass substrate 52 and is electrically connected via contacting regions to, for example, the n-doping region of a solar cell layer 54 is. The solar cell layer 54 is produced by gradual doping with arsenic and bromine doping atoms. This can be seen essentially from FIG. 9 and the associated description. Contact electrodes 16 are applied directly to the p-doping layer of the solar cell layer. The electrode structures are thus arranged on both sides of the solar cell layer and at least partially shade this with respect to unimpeded radiation. The same disadvantage also has the solar cell from WO89 / 04062, which provides a multi-layer solar cell structure - see in particular the exemplary embodiments of the figures. 1a, b. 1b that a first electrode 14 is applied to a glass substrate, on which the silicon-based solar cell layer is applied directly. A second electrode layer, which is interrupted by dielectric layer regions 20, is in direct contact with the solar cell layer 16. A grid-like electrode structure 32 is applied over the dielectric layer 20 and is connected to the solar cell layer 16 and the first electrode layer 14 via electrically conductive connection channels 22.
Ein ähnlich bekannter Aufbau ist für eine Rückseitenkontaktzelle in Figur 1b gezeigt, ein Konzept für hocheffiziente Solarzellen. Hier sind beide Kontakte 3a und 3b auf der Rückseite der Solarzelle angebracht, um die Abschattung auf der Vorderseite völlig zu eliminieren. Werden die Kontakte als schmale Grids realisiert, kann auch Licht, das von der Rückseite auf die Solarzelle gelangt, zur Stromerzeugung beitragen (sog. bifacial cell).A similarly known structure is shown for a rear-side contact cell in FIG. 1b, a concept for highly efficient solar cells. Here, both contacts 3a and 3b are attached to the back of the solar cell in order to completely eliminate the shading on the front. If the contacts are implemented as narrow grids, light that reaches the solar cell from the rear can also contribute to power generation (so-called bifacial cell).
Die Realisierung dieser Einseitengrids ist bislang nur durch sehr aufwendige Verfahren möglich. Dabei wird durch mehrere Maskenschritte der selektive Emitter erzeugt, wobei der Emitter nicht aus einer lateral homogenen Schicht, sondern aus einem Teilbereich besteht, der der Form des Emittergrids entspricht. Auf diese Weise bleiben auf der Oberfläche Basisbereiche erhalten und können direkt kontaktiert werden. Das Aufbringen der jeweiligen Metallkontakte genau auf den entsprechenden Bereichen ist ein kritisches Justageproblem und erfordert ebenfalls Masken, die präzise zu justieren sind.The realization of these one-sided grids has so far only been possible using very complex methods. The selective emitter is generated by several masking steps, the emitter not consisting of a laterally homogeneous layer, but of a partial area that corresponds to the shape of the emitter grid. In this way, basic areas remain on the surface and can be contacted directly. The application of the respective metal contacts precisely on the corresponding areas is a critical adjustment problem and also requires masks that can be precisely adjusted.
Eine derartige Rückseitenkontaktzelle geht aus der JP 2-51282 A hervor, die einem Zellenkonzept entspricht das unter dem Namen Emitter Wrap-Through (EWT) Zelle bekannt ist. Die EWT Zelle ist allerdings auf Solarzellen aus Siliziumscheiben bzw. - wafern beschränkt. Das wesentliche Kosteneinsparungspotential in der Photovoltaik liegt aber in der Reduktion des teuren Siliziums auf eine nur wenige Mikrometer dicke Schicht, sog. Dünnschichtsolarzellen. Da diese ein Trägersubstrat voraussetzen ist ihre Rückseite nicht zugänglich und das bekannte EWT Verfahren nicht anwendbar. Gleichzeitig erlauben Dünnschichtsolarzellen aufgrund der geringen Dicke die Verwendung qualitativ schlechterem Siliziums als es bei konventionellen oder EWT Solarzellen aus Siliziumscheiben der Fall ist.Such a rear-side contact cell emerges from JP 2-51282 A, which corresponds to a cell concept which is known under the name Emitter Wrap-Through (EWT) cell. However, the EWT cell is limited to solar cells made of silicon wafers or wafers. The main cost saving potential in photovoltaics, however, lies in the reduction of the expensive silicon to a layer just a few micrometers thick, so-called thin-film solar cells. Since this is a carrier substrate assuming their back is not accessible and the known EWT process is not applicable. At the same time, thin-film solar cells allow the use of poorer quality silicon due to their small thickness than is the case with conventional or EWT solar cells made of silicon wafers.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Dünnschichtsolarzellenanordnung mit einer über einem flächig ausgebildeten Trägersubstrat angeordneten Solarzellenschicht, die wenigstens einen n-leitenden (Emitter) und wenigstens einen p-leitenden (Basis) Halbleiter-Schichtbereich aufweist, sowie eine erste und zweite Kontaktelektrode mit jeweils unterschiedlicher elektrischer Polarität, die jeweils mit dem Emitter bzw. der Basis elektrisch verbunden sind, derart anzugeben, daß ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades die Solarzelle einfacher und kostengünstiger herstellbar ist. Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Halbleiterbereiche soll anders wie beim Stand der Technik ohne die Verwendung hochpräzise zu justierender Masken erfolgen und vielmehr mit einfachen Prozeßtechniken realisierbar sein. Die erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzellenanordnung soll darüber hinaus die Möglichkeit einer leichten Verschaltbarkeit mehrerer Solarzellenstrukturen auf einem Trägersubstrat miteinander bieten sowie das Vorsehen einer Schutzdiode gestatten. Insbesondere soll die Dünnschichtsolarzellenanordnung die Anschlußelektroden auf nur einer Seite zur Solarzellenschicht vorsehen, um auf diese Weise möglichst geringe bzw. keine Abschattungsverluste durch Elektrodenstrukturen zu haben. Schließlich soll ein Verfahren zur Herstellung der neuartigen Dünnschichtsolarzellenanordnung angegeben werden.The invention is based on the object of a thin-film solar cell arrangement with a solar cell layer arranged over a planar support substrate, which has at least one n-type (emitter) and at least one p-type (base) semiconductor layer area, and a first and second contact electrode, each with a different one electrical polarity, each of which is electrically connected to the emitter or the base, to be indicated in such a way that the solar cell can be produced more easily and more cost-effectively without deteriorating the efficiency. In contrast to the prior art, the electrical contacting of the individual semiconductor regions is to take place without the use of high-precision masks to be adjusted and, rather, can be implemented using simple process techniques. The thin-film solar cell arrangement according to the invention is also intended to offer the possibility of easily interconnecting a plurality of solar cell structures on a carrier substrate and to provide a protective diode. In particular, the thin-film solar cell arrangement is intended to provide the connection electrodes on only one side to the solar cell layer, in order in this way to have as little or no shading losses as possible due to electrode structures. Finally, a method for producing the novel thin-film solar cell arrangement is to be specified.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 11. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzellenanordnung mit einer über einem flächig ausgebildeten Trägersubstrat angeordneten Solarzellenschicht, die wenigstens einen n-leitenden, den Emitterbereich, und wenigstens einen p-leitenden, den Basisbereich, Halbleiter-Schichtbereich aufweist, sowie eine erste und zweite Kontaktelektrode mit jeweils unterschiedlicher elektrischer Polarität, die jeweils mit dem Emitter bzw. der Basis elektrisch verbunden sind, ist derart ausgestaltet daß unmittelbar oder getrennt durch eine elektrische Isolationsschicht auf dem Trägersubstrat die erste und zweite Kontaktelektrode aufgebracht ist, über der eine elektrische Isolationsschicht vorgesehen ist, und über der Isolationsschicht die Solarzellenschicht angeordnet ist. Die Kontaktelektroden sind vorzugsweise als gridförmige Leiterbahnen ausgebildet und bestehen aus Metall oder anderen hochleitfähigen Materialien. Die beiden Kontaktelektroden, die elektrisch mit unterschiedlichen Polaritäten verbindbar sind, sind gegenseitig beabstandet auf dem Trägersubstrat aufgebracht.The solution to the problem underlying the invention is specified in claim 1. A method according to the invention is the subject of claim 11. Features advantageously further developing the inventive idea are the subject of the subclaims. The thin-film solar cell arrangement according to the invention with a solar cell layer arranged over a planar support substrate, which has at least one n-type, the emitter region, and at least one p-type, the base region, semiconductor layer region, and first and second contact electrodes, each with different electrical polarity, which are each electrically connected to the emitter or the base, is designed such that the first and second contact electrodes, over which an electrical insulation layer is provided, and the solar cell layer are arranged over the insulation layer, directly or separately by an electrical insulation layer on the carrier substrate is. The contact electrodes are preferably designed as grid-shaped conductor tracks and consist of metal or other highly conductive materials. The two contact electrodes, which can be electrically connected with different polarities, are applied to the carrier substrate at a distance from one another.
Zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen, übereinander erzeugten Halbleiter- Schichtbereiche (Emitter-, Basisbereich) mit den entsprechenden Kontaktelektroden sind erste und zweite Kontaktkanäle vorgesehen, die die Isolationsschicht und/oder die aktive Solarzellenschicht bis hinab zu den Kontaktelektroden durchsetzen. Die Erzeugung kann während der Abscheidung der Siliziumschicht, aber auch durch Umwandlung bspw. durch Diffusion, erfolgen. So sind vorzugsweise mehrerer erste und zweite Kontaktkanäle vorgesehen, in denen elektrisch leitendes Material eingebracht ist, durch das die erste Kontaktelektrode mit dem ihrer Polarität zugeordneten Halbleiter-Schichtbereich miteinander elektrisch verbunden sind. Ferner ist die zweite Kontaktelektrode und der zu ihrer Polarität entsprechende Halbleiter-Schichtbereich über zweite Kontaktkanäle miteinander elektrisch verbunden.For electrical contacting of the respective semiconductor layer regions (emitter region, base region) produced one above the other with the corresponding contact electrodes, first and second contact channels are provided which penetrate the insulation layer and / or the active solar cell layer down to the contact electrodes. The generation can take place during the deposition of the silicon layer, but also by conversion, for example by diffusion. Thus, a plurality of first and second contact channels are preferably provided, in which electrically conductive material is introduced, through which the first contact electrode with the semiconductor layer region assigned to its polarity are electrically connected to one another. Furthermore, the second contact electrode and the semiconductor layer region corresponding to its polarity are electrically connected to one another via second contact channels.
Die Kontaktkanäle sind als einseitig, durch die jeweiligen Kontaktelektroden begrenzte Sacklöcher ausgebildet und dienen der elektrischen Kontaktierung der einzelnen Halbleiter-Schichtbereiche ohne, daß die Maßnahmen der Kontaktierung die aktive Solarzellenoberfläche wesentlich beeinflussen. Lediglich die Querschnittsfläche der einzelnen Kontaktkanäle gehen von der aktiven Solarzellenschicht verloren, ein Flächenanteil, der jedoch verhältnismäßig gering ist.The contact channels are formed as blind holes on one side, delimited by the respective contact electrodes, and are used for electrical contacting of the individual semiconductor layer regions without the contacting measures having a significant influence on the active solar cell surface. Only that The cross-sectional area of the individual contact channels is lost from the active solar cell layer, a proportion of the area which, however, is relatively small.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kontaktierung und des schichtförmigen Aufbaus der Dünnschichtsolarzelle kann die Solarzelle in beliebige laterale Abschnitte unterteilt werden, indem die Schichten bis hinab zur die Kontaktelektroden überdeckenden Isolationsschicht durchtrennt werden. Eine derartige Unterteilung erlaubt es mehrere Solarzellen miteinander zu kombinieren, die auf einem einzigen Trägersubstrat aufgebracht sind. Dies ist beispielsweise mit den eingangs ertwähnten EWT- Solarzellen nicht möglich. Ferner können Schutzdioden vorgesehen werden, die auf dem selben Trägersubstrat wie die Solarzellen aufgebracht sind, die dazu dienen bei Fehlfunktionen die Solarzellen zu überbrücken um auf diese Weise die Betriebssicherheit und die Lebensdauer der Solarzellen zu erhöhen.With the help of the contacting according to the invention and the layered structure of the thin-film solar cell, the solar cell can be divided into any lateral sections by severing the layers down to the insulation layer covering the contact electrodes. Such a subdivision allows several solar cells to be combined with one another, which are applied on a single carrier substrate. This is not possible, for example, with the EWT solar cells mentioned at the beginning. Furthermore, protective diodes can be provided which are applied to the same carrier substrate as the solar cells and which serve to bridge the solar cells in the event of malfunctions in order to increase the operational reliability and the service life of the solar cells.
Weitergehende Ausführungen zum Aufbau der Dünnschichtsolarzellenanordnung sowie deren Herstellungsverfahren sollen anhand der nachstehenden Figuren näher erläutert werden.Further explanations regarding the structure of the thin-film solar cell arrangement and its production method are to be explained in more detail with reference to the figures below.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is described below by way of example with reference to the drawings, without limitation of the general inventive concept. Show it:
Fig. 1a, b Einseitig kontaktierte Solarzellenanordnungen, die zum Stand derFig. 1a, b solar cell arrangements contacted on one side, to the state of the
Technik zählen, Fig. 2 Prinzipaufbau einer erfindungsgemäß ausgebildetenTechnology count, Fig. 2 Principle structure of an inventive
Rückseitenkontakt-Dünnschichtsolarzelle, Fig. 3 a-d Verfahrensstufen zur Herstellung einer Emitter-Basiskontaktierung bei der Rückseiten-Dünnschichtsolarzelle, Fig. 4 a,b,c Querschnittsdarstellungen durch verschiedene Dünnschichtsolarzellen Fig. 5 Dünnschichtsolarzellenanordnung mit Schutzdiode, Fig. 6 Modulartige Verschaltung mehrererRear-side contact thin-film solar cell, FIG. 3 ad Process steps for producing an emitter base contact in the rear-side thin-film solar cell, FIGS. 4 a, b, c Cross-sectional representations through different thin-film solar cells FIG. 5 Thin-film solar cell arrangement with protective diode, Fig. 6 modular interconnection of several
Dünnschichtsolarzellenanordnungen sowie Fig. 7 Querschnittsdarstellung durch eine Anordnung gemäß Figur 6.Thin-film solar cell arrangements and FIG. 7 cross-sectional representation through an arrangement according to FIG. 6.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen und gewerblicher AnwendbarkeitDescription of exemplary embodiments and industrial applicability
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Rückseitenkontakt- Dünnschichtsolarzelle (BC-TFC, engl. back contact thin-film cell). Auf einem Trägersubstrat 2 werden vor Abscheidung der aktiven Solarzellenschicht 1 , Leiterbahnen 3a, 3b aus Metall oder anderen leitfähigen Materialien, wie z.B. Suiziden (z.B. TiSi2) direkt oder auf einer unteren Isolationsschicht 4 aufgebracht. Die Leiterbahnen sind mit einer oberen elektrischen Isolationsschicht 5 (beispielsweise aus Nitriden und/oder Oxiden und/oder Carbiden) überdeckt. Neben der elektrischen Isolation besteht die Aufgabe dieser Schicht 5 darin, das Metall der Kontaktelektroden 3a, 3b zu kapseln, da es in nachfolgenden Hochtemperaturschritten (z.B. bei der Abscheidung der aktiven Halbleiterschicht oder bei der Bildung des Emitters) schmelzen kann. Durch die Kapselung wird sichergestellt, daß das Metall weder verläuft noch in größerem Maße durch die Isolationsschicht in die aktive Schicht diffundiert und dadurch die Qualität der aktiven Schicht verschlechtert.Figure 2 shows the basic structure of the back contact thin film solar cell (BC-TFC, back contact thin-film cell). Before deposition of the active solar cell layer 1, conductor tracks 3a, 3b made of metal or other conductive materials, such as suicides (for example TiSi 2 ), are applied directly or on a lower insulation layer 4 on a carrier substrate 2. The conductor tracks are covered with an upper electrical insulation layer 5 (for example made of nitrides and / or oxides and / or carbides). In addition to the electrical insulation, the task of this layer 5 is to encapsulate the metal of the contact electrodes 3a, 3b, since it can melt in subsequent high-temperature steps (for example during the deposition of the active semiconductor layer or when the emitter is formed). The encapsulation ensures that the metal neither runs nor diffuses to a greater extent through the insulation layer into the active layer and thereby deteriorates the quality of the active layer.
Soll eine Verschaltung mit einer Schutzdiode oder mehrerer Zellen möglich sein, muß in diesem Fall auch die Kontaktelektrode 3b zum Substrat isoliert aufgebracht werden. Hierzu ist das Trägersubstrat 2 leitfähig oder porös ausgebildet. Im Falle eines derartig leitfähigen Substrates ist die Kontaktelektrode 3b ebenso auf der Rückseite des Trägersubstrats angebracht, sodass der Kontakt über das Substrat erfolgen kann. Das entspricht immer noch einer Kontaktierung mit beiden Kontakten auf der dem Licht abgewandten Seite der Solarzelle; sozusagen ein Sonderfall.If a connection with a protective diode or several cells is to be possible, the contact electrode 3b must also be applied in an insulated manner to the substrate in this case. For this purpose, the carrier substrate 2 is made conductive or porous. In the case of such a conductive substrate, the contact electrode 3b is also attached to the back of the carrier substrate, so that the contact can take place via the substrate. This still corresponds to a contact with both contacts on the side of the solar cell facing away from the light; a special case, so to speak.
Die Kontaktelektroden 3a, 3b stellen im weiteren die elektrische Kontaktierung der Solarzelle dar. Entsprechend der elektrischen Polarität im äußeren Stromkreis können sie eingeteilt werden in positive (Plus-) 3b und negative (Minus-) 3a Kontaktelektroden. Im allgemeinen wechseln sich Plus- und Minuskontaktelektrode ab, es sind aber auch andere Anordnungen (z.B. auf eine Pluskontakt-Leiterbahn folgen zwei Minuskontakt-Leiterbahnen und erst dann wieder eine Pluskontakt- Leiterbahn) möglich.The contact electrodes 3a, 3b furthermore represent the electrical contacting of the solar cell. Corresponding to the electrical polarity in the outer circuit they can be divided into positive (plus) 3b and negative (minus) 3a contact electrodes. In general, the plus and minus contact electrodes alternate, but other arrangements are also possible (for example, a minus contact conductor track is followed by two minus contact conductor tracks and only then a plus contact conductor track again).
Auf die gekapselten Kontaktelektroden 3a, 3b wird die aktive Halbleiterschicht 1 abgeschieden. Dazu stehen verschiedene Verfahren in der Halbleitertechnologie zur Verfügung, z.B. Abscheidung aus der flüssigen Phase (LPE) oder aus der Gasphase (CVD) oder plasmaunterstützte Abscheidung (PECVD), etc.. Dabei kann es zweckmäßig sein, zunächst eine dünne Keimschicht abzuscheiden, die durch einen Rekristallisationsprozeß in der Qualität verbessert wird, bevor auf ihr epitaktisch die eigentliche Solarzellenschicht abgeschieden wird. Sinnvollerweise ist diese Schicht bereits p-leitend und stellt in der Solarzelle die Basis 1b dar. Der Emitter 1a wird anschließend entweder durch Abscheidung von n-leitendem Material oder durch Diffusion von Dotierstoffen in die Oberfläche der Halbleiterschicht mit einer typischen Tiefe von 0.3 - 1 μm, gebildet.The active semiconductor layer 1 is deposited on the encapsulated contact electrodes 3a, 3b. Various processes are available in semiconductor technology, e.g. Deposition from the liquid phase (LPE) or from the gas phase (CVD) or plasma-assisted deposition (PECVD), etc. It may be expedient to first deposit a thin seed layer which is improved in quality by a recrystallization process before it is applied to it the actual solar cell layer is deposited epitaxially. It makes sense that this layer is already p-type and represents the base 1b in the solar cell. The emitter 1a is then either by deposition of n-type material or by diffusion of dopants into the surface of the semiconductor layer with a typical depth of 0.3-1 μm , educated.
Die Kontaktierung der Solarzelle, d.h. die elektrische Verbindung von Emitter 1a und Basis 1b mit den entsprechenden Kontaktelektroden, d.h. Minuskontakt-Leiterbahnen 3a für Emitter-Kontaktierung, Pluskontakt-Leiterbahnen 3b für Basis-Kontaktierung, erfolgt durch als Sacklöcher ausgebildete Kontaktkanäle 6a, 6b, die vorzugsweise senkrecht oberhalb der jeweiligen Kontaktelektrode durch die aktive Halbleiterschicht 1 hindurch erzeugt werden. Dabei müssen Abstand und Größe der Kontaktkanäle 6a, 6b derart optimiert sein, daß auf der einen Seite auf die Gewährleistung eines guten Abtransports der Ladungsträger aus der Solarzelle in die Leiterbahnen und auf der anderen Seite auf geringstmöglichen Verlust an Solarzellenmaterial geachtet wird.The contacting of the solar cell, i.e. the electrical connection of emitter 1a and base 1b to the corresponding contact electrodes, i.e. Minus contact conductor tracks 3a for emitter contacting, plus contact conductor tracks 3b for basic contacting, are implemented by way of contact channels 6a, 6b which are formed as blind holes and which are preferably generated perpendicularly above the respective contact electrode through the active semiconductor layer 1. The distance and size of the contact channels 6a, 6b must be optimized in such a way that, on the one hand, care is taken to ensure good transport of the charge carriers from the solar cell into the conductor tracks and, on the other hand, the lowest possible loss of solar cell material.
Die Realisierung der elektrischen Kontaktierung erfolgt in folgenden Schritten: Vor der Emitterbildung, d.h. der Herstellung des obersten Halbeiter- Schichtbereiches 1a werden die Sacklöcher 6a, die zur Emitterkontaktierung genutzt werden sollen, durch die aktive Schicht 1 bis zur Isolationsschicht 5 erzeugt (siehe hierzu Fig. Abb. 3a). Die Lage der Sacklöcher 6a ist dabei so gewählt, daß sie oberhalb der Minuskontaktelektroden 3a liegen. Die Sacklöcher 6a können geätzt, gelasert oder durch einen Hochdruck-Partikelstrahl erzeugt werden. Auch das Sägen von kleinen Schlitzen oder Kreuzen ist möglich.The electrical contact is implemented in the following steps: Before emitter formation, ie the production of the uppermost semiconductor layer region 1a, the blind holes 6a, which are to be used for emitter contacting, are created through the active layer 1 up to the insulation layer 5 (see also FIG. 3a). The position of the blind holes 6a is chosen so that they lie above the minus contact electrodes 3a. The blind holes 6a can be etched, lasered or produced by a high-pressure particle beam. It is also possible to saw small slots or crosses.
Anschließenden erfolgt die Emitterbildung, bei der die gesamte freie Oberfläche, der Halbleiterschicht 1 a, also auch die Flanken der Sacklöcher 6a, mit einer geschlossenen Emitterschicht 1a überzogen wird bzw. durch Diffusion bildet sich eine entsprechende geschlossene Emitterschicht 1a (Fig. 3b) aus.This is followed by emitter formation, in which the entire free surface, the semiconductor layer 1 a, that is to say also the flanks of the blind holes 6 a, is covered with a closed emitter layer 1 a, or a corresponding closed emitter layer 1 a (FIG. 3 b) is formed by diffusion.
Nach der Emitterbildung werden die Böden der Emitterkontaktkanäle 6a durch die Isolationsschicht 5 hindurch weitergetrieben bis die Sacklöcher 6a auf die metallischen Minuskontaktelektroden 3a stoßen (Fig. 3c).After the emitter formation, the bottoms of the emitter contact channels 6a are driven through the insulation layer 5 until the blind holes 6a meet the metallic minus contact electrodes 3a (FIG. 3c).
• Ebenfalls nach der Emitterbildung werden oberhalb der Pluskontaktelektroden 3b Sacklöcher 6b durch die Schichtenabfolge 1 a und 1 b hindurch bis auf die Pluskontaktelektroden 3b erzeugt. Durch diese Sacklöcher 6b soll der elektrische Kontakt zur Basisschicht 1b hergestellt werden (Fig. 3c).• Also after the emitter formation, blind holes 6b are produced above the positive contact electrodes 3b through the layer sequence 1a and 1b up to the positive contact electrodes 3b. The electrical contact to the base layer 1b is to be established through these blind holes 6b (FIG. 3c).
• Durch Auf- bzw. Einbringen eines elektrisch leitenden Materials 7, vorzugsweise Metall, in die Sacklöcher 6a, 6b erfolgt die elektrische Kontaktierung, d.h. die Verbindung von Emitter 1a bzw. Basis 1b mit den jeweiligen Kontaktelektroden 3a und 3b (Fig. 3d).The electrical contacting takes place by applying or introducing an electrically conductive material 7, preferably metal, into the blind holes 6a, 6b. the connection of emitter 1a or base 1b to the respective contact electrodes 3a and 3b (Fig. 3d).
Typischerweise wird das Aufbringen von Metall 7 durch Aufdampfen und falls nötig durch anschließende galvanische Verstärkung erreicht. Auch Einrakeln von Metallpasten ist möglich. Dabei ist es vorteilhaft, daß das aufgedampfte Metall 7 nicht nur den Boden, sondern auch die Flanken im unteren Bereich der Löcher 6a und 6b bedeckt und somit über die Isolationsschicht 5 hinweg Kontakt zwischen den jeweiligen Halbeiter-Schichtbereichen 1 a und 1 b und den Kontaktelektroden 3a, 3b herstellt. Um dies zu gewährleisten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen nach unten verjüngende Sacklöcher auszubilden, wie es an späterer Stelle unter Bezug auf die Figur 4 noch näher erläutert wird.The application of metal 7 is typically achieved by vapor deposition and, if necessary, by subsequent galvanic reinforcement. Scrapping of metal pastes is also possible. It is advantageous that the vapor-deposited metal 7 covers not only the bottom, but also the flanks in the lower region of the holes 6a and 6b and thus contact between the insulation layer 5 manufactures respective semiconductor layer regions 1 a and 1 b and the contact electrodes 3a, 3b. In order to ensure this, it has proven to be advantageous to form blind holes tapering downwards, as will be explained in more detail later with reference to FIG. 4.
Durch geeignete Wahl des Kontaktelektroden-Materials (z.B. Silber oder eine Mischung aus Aluminium und Silber) kann aber auch auf das Aufdampfen verzichtet werden. In einem Galvanik-Prozeß kann direkt Metall (z.B. Silber) auf den in den Sacklöchern 6a, 6b freiliegenden Kontaktelektrodenstellen aufgewachsen werden.By suitable selection of the contact electrode material (e.g. silver or a mixture of aluminum and silver), vapor deposition can also be dispensed with. In an electroplating process, metal (e.g. silver) can be grown directly on the contact electrode locations exposed in the blind holes 6a, 6b.
Ebenfalls ist es möglich die Nutzung des am Boden der Sacklöcher freigelegten Metalls der Kontaktelektroden als Aufdampfquelle zu verwenden. Durch starkes Erhitzen über den Schmelzpunkt verdampft oder verspritzt das Metall der Kontaktelektroden teilweise und schlägt sich an den Sacklöcherflanken nieder.It is also possible to use the metal of the contact electrodes exposed at the bottom of the blind holes as a vapor deposition source. By heating strongly above the melting point, the metal of the contact electrodes partially evaporates or splashes and is deposited on the side of the blind hole.
Die Figuren 4a, b, c verdeutlichen nochmals das Kontaktschema im einzelnen, die . Querschnittsdarstellungen einer fertig kontaktierten Dünnschichtsolarzelle zeigen. Auf dem Trägersubstrat 2 mit optionaler Isolationsschicht 4 befinden sich abwechselnd Kontaktelektroden 3a, 3b für den negativen und positiven Kontakt. Sie sind von der aktiven Solarzellenschicht 1 durch eine Schicht 5 isoliert. Oberhalb der Kontaktelektroden 3a, 3b befinden sich Sacklöcher 6a, 6b in der Solarzellenschicht 1. Da die Sacklöcher 6a über der Minuskontaktelektrode 3a bereits vor der Emitterbildung erzeugt worden sind, sind deren Flanken mit einer geschlossenen Emitterschicht 1a überzogen. Folglich bewirkt das in die Sacklöcher eingebrachte Metall 7 eine elektrische Verbindung der Emitterschicht 1a mit der Minuskontaktelektrode 3a. Die Sacklöcher 6b über der Pluskontaktelektrode 3b sind hingegen erst nach der Emitterbildung (durch die Emitterschicht an der Oberfläche hindurch) erzeugt worden. Das Metall 7 verbindet hier die Basis 1b mit der Plus- Kontaktelektrode 3b.Figures 4a, b, c again illustrate the contact scheme in detail, the. Show cross-sectional representations of a fully contacted thin-film solar cell. On the carrier substrate 2 with optional insulation layer 4 there are alternating contact electrodes 3a, 3b for the negative and positive contact. They are isolated from the active solar cell layer 1 by a layer 5. There are blind holes 6a, 6b in the solar cell layer 1 above the contact electrodes 3a, 3b. Since the blind holes 6a have already been created above the minus contact electrode 3a before the emitter formation, their flanks are covered with a closed emitter layer 1a. As a result, the metal 7 introduced into the blind holes causes the emitter layer 1a to be electrically connected to the negative contact electrode 3a. The blind holes 6b above the positive contact electrode 3b, however, were only created after the emitter formation (through the emitter layer on the surface). The metal 7 here connects the base 1b to the plus contact electrode 3b.
Die Emitterkontaktkanäle 6a können jedoch auch während der Herstellung der aktiven Solarzellenschicht 1 erzeugt werden. Dabei wird zunächst eine dünne Schicht 1b abgeschieden und in dieser werden die zur Emitterkontaktierung vorgesehenen Löcher wie oben beschrieben erzeugt. Zuvor kann die Schicht 1b auch umgeschmolzen oder auf andere Art rekristallisiert werden, um ihre kristallographische Qualität zu verbessern. Anschließend er olgt dann vorzugsweise eine epitaktische Abscheidung der restlichen Solarzellenschicht 1b und 1a. In den Sacklöchern findet dabei kein Wachstum statt. Die Löcher und der Abscheideprozeß müssen aber entsprechend so gewählt werden, daß die Löcher nicht vom Rand her zuwachsen oder überwachsen werden. Sich nach oben stark verjüngende Löcher müssen vermieden werden, da dies eine Metallisierung durch bedampfen behindern würde. Kann jedoch, wie oben beschrieben, das Metall der Kontaktelektroden als Quelle zur Bedampfung genutzt werden, so sind sich nach oben verjüngende Kontaktlöcher sogar sehr vorteilhaft, wie es in Figur 4b dargestellt ist.However, the emitter contact channels 6a can also be produced during the production of the active solar cell layer 1. First, a thin one Layer 1b is deposited and in it the holes provided for emitter contacting are produced as described above. Before this, the layer 1b can also be remelted or recrystallized in another way in order to improve its crystallographic quality. Subsequently, it then preferably follows an epitaxial deposition of the remaining solar cell layers 1b and 1a. There is no growth in the blind holes. However, the holes and the deposition process must be chosen accordingly so that the holes do not overgrow or overgrow from the edge. Holes tapering strongly towards the top must be avoided, since this would hinder metallization by vapor deposition. However, as described above, if the metal of the contact electrodes can be used as a source for vapor deposition, contact holes tapering upwards are even very advantageous, as shown in FIG. 4b.
Die Vorteile bei der Bildung der Emitterkontaktlöcher nach einer ersten Abscheidung wje vorstehend beschrieben sind die nur geringe zu erzeugende Tiefe der Sacklöcher, der größere Durchmesser der zu erzeugenden Löcher - da sie in der folgenden Abscheidung durch Wachstum an den Lochflanken wieder enger werden - und das Vermeiden von Schädigungen des Materials an den Lochflanken, wie sie bei der Erzeugung von Sacklöchern immer auftreten kann. Gerade die beiden ersten Tatsachen verringern den Herstellungsaufwand durch kürzere Prozeßzeiten und gröbere Maskierung enorm.The advantages in the formation of the emitter contact holes after a first deposition as described above are the small depth of the blind holes to be produced, the larger diameter of the holes to be produced - since they become narrower again in the subsequent deposition due to growth on the hole flanks - and the avoidance damage to the material on the hole flanks, as can always occur in the production of blind holes. The first two facts reduce the manufacturing effort enormously through shorter process times and coarser masking.
Die Basis 1b der Solarzelle kann prinzipiell auch auf andere Art kontaktiert werden. Voraussetzung dabei ist, daß die Abscheidung zumindest der ersten Lagen der aktiven Schicht 1b (ca. einige Nanometer) bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des verwendeten Kontaktbahnmaterials liegt. Dazu wird vor der Abscheidung an den Stellen auf den entsprechenden Kontaktelektroden 3b, die Kontakt mit der Basis 1 b haben sollen, die Isolationsschicht 5 entfernt oder gar nicht erst aufgebracht (siehe hierzu Figur 4c). Durch dieses Verfahren erhält man durch die nachfolgenden Hochtemperaturschritte über dem Kontakt sogar zusätzlich eine hochdotierte Zone, ein sog. back surface field, was sich positiv auf die Solarzelle auswirkt. Der erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarzellenanordnung ist die Möglichkeit immanent, gleichzeitig mit der Solarzelle 8 eine Schutzdiode 9 auf demselben Trägersubstrat zu erzeugen (siehe Figur 5). Schutzdioden haben grundsätzlich die Aufgabe, die Solarzelle bei möglichen Fehlfunktionen zu überbrücken oder vor Schäden durch in Sperrichtung fließende Ströme aus dem äußeren Stromkreis zu schützen. Dies tritt in teilweise abgeschatteten Modulen aus mehreren Solarzellen auf. Schutzdioden werden deshalb parallel zu den Solarzellen in Modulen angebracht.The base 1b of the solar cell can in principle also be contacted in another way. The prerequisite here is that the deposition of at least the first layers of the active layer 1b (approximately a few nanometers) is at temperatures below the melting temperature of the contact web material used. For this purpose, the insulation layer 5 is removed or not applied at all before the deposition at the points on the corresponding contact electrodes 3b which are to have contact with the base 1b (see FIG. 4c in this regard). With this method, the subsequent high-temperature steps over the contact even give a highly doped zone, a so-called back surface field, which has a positive effect on the solar cell. The thin-film solar cell arrangement according to the invention is inherent in the possibility of simultaneously producing a protective diode 9 on the same carrier substrate with the solar cell 8 (see FIG. 5). Protective diodes basically have the task of bridging the solar cell in the event of possible malfunctions or of protecting against damage from currents flowing in the reverse direction from the external circuit. This occurs in partially shaded modules made up of several solar cells. Protective diodes are therefore installed in modules parallel to the solar cells.
Mit der erfindungsmäßigen Dünnschichtsolarzellenanordnung ist es nun möglich, Solarzelle 8 und Schutzdiode 9 in einem Bauteil zu kombinieren. Dazu wird ein Isolationsgraben 10 senkrecht zu den Kontaktelektroden 3a, 3b durch die aktive Solarzellenschicht 1 hindurch bis auf die Isolationsschicht 5 benötigt. Der Isolationsgraben 10 kann geätzt, gelasert, gesägt oder auf eine andere Art erzeugt werden und trennt die aktive Solarzellenschicht in einen Bereich, der als Solarzelle 8 funktioniert, und einen Bereich, der als Schutzdiode 9 dient.With the thin-film solar cell arrangement according to the invention, it is now possible to combine the solar cell 8 and the protective diode 9 in one component. For this purpose, an insulation trench 10 perpendicular to the contact electrodes 3a, 3b through the active solar cell layer 1 down to the insulation layer 5 is required. The isolation trench 10 can be etched, lasered, sawn or produced in some other way and separates the active solar cell layer into an area that functions as a solar cell 8 and an area that serves as a protective diode 9.
Die Herstellung der Solarzelle zusammen mit der Schutzdiode erfolgt ansonsten wie vorstehend beschrieben. Dabei wird allerdings die Emitterschicht 1a der Schutzdiode 9 über entsprechende Kontaktkanäle 6a mit den Pluskontaktelektroden 3b, die Basisschicht 1b mit den Minuskontaktelektroden 3a verbunden. Dadurch wird die nötige Parallelverschaltung von Schutzdiode 9 und Solarzelle 8 mit umgekehrter Polarität automatisch realisiert.The solar cell together with the protective diode is otherwise produced as described above. However, the emitter layer 1a of the protective diode 9 is connected to the positive contact electrodes 3b via corresponding contact channels 6a, and the base layer 1b is connected to the negative contact electrodes 3a. As a result, the necessary parallel connection of protective diode 9 and solar cell 8 with reverse polarity is automatically realized.
Zur einfacheren Verschaltung im Modul oder äußeren Stromkreis können jeweils die Kontaktelektroden 3a, 3b, die den Emitter bzw. die Basis der Solarzelle kontaktieren am Ende des Bauelements durch eine quer verlaufende Leiterbahn 31a, 31b als sogenannter Bus, verbunden werden. Anstatt alle Gridfinger der Kontaktelektroden an den äußeren Stromkreis einzeln, genügt es dann jeweils den querliegenden Plus- 31b bzw. Minuskontakt-Bus 31a zu kontaktieren. Dazu wird ein Teil des jeweiligen Busses freigelegt, d.h. die Solarzellen- und Isolationsschicht stellenweise entfernt. Basierend auf der erfindungsmäßigen Dünnschichtsolarzellenanordnung ist es weiterhin möglich, ein Modul von mehreren Solarzellen 81 , 82, 83 auf einem monolithischen Substrat auf einfache Weise zu realisieren, wobei die Verschaltung der Solarzellen der Struktur immanent ist. Die Herstellung des Moduls erfolgt analog zur oben beschriebenen Herstellung einer einzelnen Solarzelle. Dabei wird die aktive Solarzellenschicht 1 entweder nur in räumlich getrennten Bereichen, welche dann den einzelnen Solarzellen entsprechen, abgeschieden oder eine homogene Schicht wird durch Trenngräben 10, die bis zur Isolationsschicht 5 reichen, in entsprechende Bereiche unterteilt (siehe Figur 6, 7 ). Die Unterteilung erfolgt dabei entlang der Kontaktelektroden, d.h. die einzelnen Solarzellen sind senkrecht zu den Kontaktelektroden von einander getrennt. Die Serienverschaltung aller Solarzellen 81 , 82, 83 wird durch zwei Aspekte gewährleistet. Zum einen werden die Kontaktelektroden nicht durchgängig aufgebracht, sondern derart, daß aufeinanderfolgende Solarzellen jeweils nur einen der beiden Kontaktelektroden- Typen gemeinsam zur Kontaktierung nutzen (Figur 6). Zum anderen werden die Emitterschichten aufeinanderfolgender Solarzellen abwechselnd mit dem jeweils anderen Kontaktelektroden-Typ verbunden. Ist beispielsweise der Emitter der Zelle 81 mit den Pluskontaktelektrode verbunden, so wird Zelle 82 mit den Minuskontaktelektrode verbunden, Zelle 83 wieder mit den Pluskontaktelektrode und so fort. Entsprechend werden die Basen aufeinanderfolgender Solarzellen abwechselnd mit den Minus- und den Pluskontaktelektroden kontaktiert. Dies wird dadurch realisiert, daß die Emitterkontaktlöcher 6a aufeinanderfolgender Solarzellen abwechselnd über den Minus- bzw. Pluskontaktelektroden erzeugt werden. Entsprechendes gilt für die Basiskontaktlöcher 6b. Da alle Emitter- 6a bzw. Basiskontaktlöcher 6b gleichzeitig für alle Solarzellen hergestellt werden können, wird, abgesehen von den Trenngräben, kein zusätzlicher Prozeßschritt benötigt um statt einer einzelnen Solarzelle ein ganzes Modul zu fertigen.For simpler wiring in the module or external circuit, the contact electrodes 3a, 3b, which contact the emitter or the base of the solar cell, can be connected at the end of the component by means of a transverse conductor track 31a, 31b as a so-called bus. Instead of all the grid fingers of the contact electrodes on the outer circuit individually, it is then sufficient to contact the transverse plus 31b or minus contact bus 31a. For this purpose, part of the respective bus is exposed, ie the solar cell and insulation layer is removed in places. Based on the thin-film solar cell arrangement according to the invention, it is furthermore possible to easily implement a module of several solar cells 81, 82, 83 on a monolithic substrate, the interconnection of the solar cells being inherent in the structure. The module is manufactured analogously to the manufacture of a single solar cell described above. The active solar cell layer 1 is either deposited only in spatially separated areas, which then correspond to the individual solar cells, or a homogeneous layer is divided into corresponding areas by separating trenches 10 which extend as far as the insulation layer 5 (see FIGS. 6, 7). The subdivision takes place along the contact electrodes, ie the individual solar cells are separated from one another perpendicular to the contact electrodes. The series connection of all solar cells 81, 82, 83 is guaranteed by two aspects. On the one hand, the contact electrodes are not applied continuously, but in such a way that successive solar cells each use only one of the two types of contact electrodes for contacting (FIG. 6). On the other hand, the emitter layers of successive solar cells are alternately connected to the other contact electrode type. If, for example, the emitter of cell 81 is connected to the positive contact electrode, cell 82 is connected to the negative contact electrode, cell 83 is connected to the positive contact electrode again, and so on. Accordingly, the bases of successive solar cells are alternately contacted with the minus and the plus contact electrodes. This is realized in that the emitter contact holes 6a of successive solar cells are produced alternately over the minus or plus contact electrodes. The same applies to the base contact holes 6b. Since all emitter 6a or base contact holes 6b can be produced for all solar cells at the same time, apart from the separation trenches, no additional process step is required in order to produce an entire module instead of a single solar cell.
Figur 7 zeigt zwei Längsschnitte durch ein solches Modul entlang einer Minus- 3a bzw. Pluskontaktelektrode 3b. Entlang einer Kontaktelektrode werden abwechselnd Emitter 1a bzw. Basis 1b aufeinanderfolgender Solarzellen kontaktiert und durch die 14FIG. 7 shows two longitudinal sections through such a module along a minus 3a or plus contact electrode 3b. Emitter 1a or base 1b of successive solar cells are alternately contacted along a contact electrode and through the 14
Kontaktelektroden verbunden. Dabei sind zwei aufeinanderfolgende Zellen nur durch einen Kontaktelektroden-Typ verbunden. Dies ist eine Serienverschaltung aller Solarzellen auf dem monolithischen Modul. Eine Verlötung oder Verkabelung der einzelnen Zellen ist nicht mehr nötig.Contact electrodes connected. Two successive cells are only connected by one type of contact electrode. This is a series connection of all solar cells on the monolithic module. Soldering or wiring the individual cells is no longer necessary.
Wie oben beschrieben, kann in einem solchen Modul durch die Erfindung auch für jede Solarzelle schon bei der Herstellung eine Schutzdiode integriert werden. Man erhält damit eine elektrisch abgesicherte monolithische Spannungsquelle, deren Spannung über die Anzahl der Solarzellen an die Anforderungen des elektrischen Verbrauchers angepaßt werden kann. As described above, the invention can also integrate a protective diode for each solar cell during manufacture in such a module. An electrically protected monolithic voltage source is thus obtained, the voltage of which can be adapted to the requirements of the electrical consumer via the number of solar cells.
ιbιb
BezugszeichenlisteReference list
aktive Solarzellenschicht a Emitterschicht, Halbleiter-Schichtbereich eines Dotiertyps b Basisschicht, Halbleiter-Schichtbereich des anderen Dotiertyps Trägersubstrat a Kontaktelektrode, Minuspol-Kontaktelektrode b Kontaktelektrode, Pluspol-Kontaktelektrode 1a, 31b Buskontaktelektrode Isolationsschicht Isolationsschicht a Kontaktkanal, Emitterkontaktkanal b Kontaktkanal, Basiskontaktkanal leitfähiges Material, bspw. Metall Solarzelle 1 ,82,83 parallelgeschaltete Solarzellen Schutzdiode 0 Isolationsgraben active solar cell layer a emitter layer, semiconductor layer area of one doping type b base layer, semiconductor layer area of the other doping type carrier substrate a contact electrode, negative pole contact electrode b contact electrode, positive pole contact electrode 1a, 31b bus contact electrode insulation layer insulation layer a contact channel, emitter contact channel b contact channel, base contact channel conductive material Metal solar cell 1, 82, 83 parallel connected solar cell protective diode 0 isolation trench

Claims

Patentansprüche claims
1. Dünnschichtsolarzellenanordnung mit einer über einem flächig ausgebildeten Trägersubstrat (2) angeordneten Solarzellenschicht (1), die wenigstens einen n- leitenden (Emitter) (1a) und wenigstens einen p-leitenden (Basis) (1 b) Halbleiter- Schichtbereich aufweist, sowie eine erste (3a) und zweite (3b) Kontaktelektrode mit jeweils unterschiedlicher elektrischer Polarität, die jeweils mit dem Emitter (1a) bzw. der Basis (1 b) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar oder getrennt durch eine elektrische Isolationsschicht (4) auf dem Trägersubstrat (2) die erste Kontaktelektrode (3a) aufgebracht ist, eine elektrische Isolationsschicht (5) vorgesehen ist, und über der Isolationsschicht (5) die Solarzellenschicht (1) angeordnet ist, daß wenigstens ein Kontaktkanal (6a) die Isolationsschicht (5) und/oder die Solarzellenschicht (1) derart durchsetzt, daß mittels eines innerhalb des Kontaktkanals (6a) vorgesehenen elektrisch leitenden Materials (7) die erste Kontaktelektrode (3a) und der zu der Polarität dieser ersten Kontaktelektrode (3a) entsprechende Halbleiter-Schichtbereich (1a) innerhalb der Solarzellenschicht (1) miteinander elektrisch verbunden sind, und daß die zweite Kontaktelektrode (3b) unmittelbar oder getrennt durch eine elektrische Isolationsschicht (4) auf dem Trägersubstrat (2) und unter der elektrischen Isolationsschicht (5) und Solarzellenschicht (1) angeordnet ist, und daß wenigstens ein Kontaktkanal (6b) die Isolationsschicht (5) und/oder die Solarzellenschicht (1) derart durchsetzt, daß mittels eines innerhalb des Kontaktkanals (6b) vorgesehenen elektrisch leitenden Materials (7) die zweite Kontaktelektrode (3b) und der zu dieser Polarität entsprechende Halbleiter- Schichtbereich (1 b) innerhalb der Solarzellenschicht (1) miteinander elektrisch verbunden sind. 1. Thin-film solar cell arrangement with a solar cell layer (1) arranged over a planar support substrate (2), which has at least one n-type (emitter) (1a) and at least one p-type (base) (1b) semiconductor layer area, and a first (3a) and a second (3b) contact electrode, each with a different electrical polarity, which are each electrically connected to the emitter (1a) or the base (1b), characterized in that directly or separately by an electrical insulation layer (4th ) the first contact electrode (3a) is applied to the carrier substrate (2), an electrical insulation layer (5) is provided, and the solar cell layer (1) is arranged over the insulation layer (5) such that at least one contact channel (6a) the insulation layer ( 5) and / or the solar cell layer (1) penetrates in such a way that by means of an electrically conductive material (7) provided within the contact channel (6a) the first e contact electrode (3a) and the semiconductor layer region (1a) corresponding to the polarity of this first contact electrode (3a) within the solar cell layer (1) are electrically connected to one another, and that the second contact electrode (3b) is directly or separated by an electrical insulation layer ( 4) is arranged on the carrier substrate (2) and under the electrical insulation layer (5) and solar cell layer (1), and that at least one contact channel (6b) penetrates the insulation layer (5) and / or the solar cell layer (1) in such a way that by means of of an electrically conductive material (7) provided within the contact channel (6b), the second contact electrode (3b) and the semiconductor layer region (1b) corresponding to this polarity are electrically connected to one another within the solar cell layer (1).
2. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der n-leitende (1a) und p-leitende (1b) Halbleiter- Schichtbereich in Art einer Sandwichstruktur als flächig ausgebildete Schichten übereinander angeordnet sind.2. Thin-film solar cell arrangement according to claim 1, characterized in that the n-type (1a) and p-type (1b) semiconductor layer region are arranged one above the other in the manner of a sandwich structure as flat layers.
3. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektroden (3a, 3b) als Leitbahnen in Form von ineinandergreifende Gridfinger ausgebildet sind und gemeinsam über dem Trägersubstrat (2) und unter der elektrischen Isolationsschicht (5) und Solarzellenschicht (1) derart angeordnet sind, daß sie gegenseitig beabstandet sind.3. Thin-film solar cell arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the contact electrodes (3a, 3b) are designed as interconnects in the form of interlocking grid fingers and together over the carrier substrate (2) and under the electrical insulation layer (5) and solar cell layer (1) are arranged so that they are spaced apart.
4. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktkanäle (6a, 6b) durch die Solarzellenschicht (1) und die Isolationsschicht (5) hindurchtretende Sacklöcher sind, die einseitig durch die jeweilige Kontaktelektrode begrenzt sind.4. Thin-film solar cell arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the contact channels (6a, 6b) through the solar cell layer (1) and the insulation layer (5) are blind holes which are delimited on one side by the respective contact electrode.
5. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach einem der Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Kontaktierung des oberen Halbleiterschichtbereichs (1a) mit der ersten Kontaktelektrode (3a) der hohl ausgebildete Kontaktkanal (6a) bis zur Isolationsschicht (5) inwandig mit dem gleichen oder gleichartigen Halbleitermaterial ausgekleidet ist, aus dem die obere Halbleiterschicht (1a) besteht und wenigstens teilweise im Inneren des Kontaktkanals (6a) ein elektrisch leitendes Material (7) eingebracht ist, das die erste Kontaktelektrode (3a) mit dem inwandigen Halbleitermaterial elektrisch verbindet, daß zur elektrischen Kontaktierung der unteren Halbleiterschicht (1b) mit der zweiten Kontaktelektrode (3b) der hohl ausgebildete Kontaktkanal (6b) beide Halbleiterschichten (1a, 1b) sowie die Isolationsschicht (5) bis zur Kontaktelektrode (3b) bündig durchstößt und wenigstens teilweise im Inneren des Kontaktkanals (6b) ein elektrisch leitendes Material (7) eingebracht ist, das die zweite Kontaktelektrode (3b) mit der unteren Halbleiterschicht (1b) elektrisch verbindet. 5. Thin-film solar cell arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that for the electrical contacting of the upper semiconductor layer region (1a) with the first contact electrode (3a) the hollow contact channel (6a) up to the insulation layer (5) in one wall with the same or similar Semiconductor material is lined, from which the upper semiconductor layer (1a) and at least partially in the interior of the contact channel (6a) an electrically conductive material (7) is introduced, which electrically connects the first contact electrode (3a) with the in-walled semiconductor material that for electrical Contacting the lower semiconductor layer (1b) with the second contact electrode (3b), the hollow contact channel (6b) penetrates both semiconductor layers (1a, 1b) and the insulation layer (5) flush to the contact electrode (3b) and at least partially in the interior of the contact channel ( 6b) an electrically conductive material (7) is introduced, that electrically connects the second contact electrode (3b) to the lower semiconductor layer (1b).
6. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als hohle Sacklöcher ausgebildeten Kontaktkanäle (6a, 6b) jeweils eine Innenkontur in Gestalt eines geraden Zylinders oder eines Kegelstumpfes aufweisen.6. Thin-film solar cell arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that the contact channels designed as hollow blind holes (6a, 6b) each have an inner contour in the form of a straight cylinder or a truncated cone.
7. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat elektrisch nicht leitend ausgebildet ist, und daß die zweite Kontaktelektrode (3b) auf dem Trägersubstrat aufgebracht ist, über der die elektrische Isolationsschicht (5) vorgesehen ist.7. Thin-film solar cell arrangement according to claim 1 to 6, characterized in that the carrier substrate is electrically non-conductive, and that the second contact electrode (3b) is applied to the carrier substrate, over which the electrical insulation layer (5) is provided.
8. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat elektrisch leitend ausgebildet ist, und daß die zweite Kontaktelektrode (3b) auf der Rückseite des Trägersubstrats aufgebracht ist, und dass auf der Oberseite des Trägersubstrat die erste Kontaktelektrode (3a) aufgebracht ist, die gegenüber dem Trägersubstrat elektrisch isoliert ist.8. Thin-film solar cell arrangement according to claim 1 to 6, characterized in that the carrier substrate is electrically conductive, and that the second contact electrode (3b) is applied to the back of the carrier substrate, and that on the top of the carrier substrate, the first contact electrode (3a) is applied which is electrically insulated from the carrier substrate.
9. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß lateral getrennt und/oder elektrisch isoliert neben der Solarzellenschicht (1) auf dem Trägersubstrat (2) eine Schutzdiodenstruktur (9) aufgebracht ist, die eine identische Solarzellenschicht (1) aufweist, deren n- und p- leitende Halbleiter-Schichtbereiche (1a, 1b) mit der zweiten (3b) und ersten (3a) Kontaktelektrode derart elektrisch kontaktiert sind, daß die Kontaktierung der Halbleiterbereiche verglichen zur benachbarten Solarzellenschicht mit umgekehrter Polarität erfolgt.9. Thin-film solar cell arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that laterally separated and / or electrically insulated next to the solar cell layer (1) on the carrier substrate (2) a protective diode structure (9) is applied, which has an identical solar cell layer (1) , whose n- and p-type semiconductor layer regions (1a, 1b) are electrically contacted with the second (3b) and first (3a) contact electrodes in such a way that the semiconductor regions are contacted with the opposite polarity compared to the adjacent solar cell layer.
10. Dünnschichtsolarzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der n-leitende Halbleiterschichtbereich (1a) mit der Kontaktelektrode (3b) positiver Polarität und der p-leitende Halbleiterschicht (1 b) mit der Kontaktelektrode (3a) negativer Polarität verbunden ist. 10. Thin-film solar cell arrangement according to claim 9, characterized in that the n-type semiconductor layer region (1a) with the contact electrode (3b) positive polarity and the p-type semiconductor layer (1 b) with the contact electrode (3a) is connected to negative polarity.
11. Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:11. A method for producing a thin-film solar cell arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized by the combination of the following process steps:
- auf einem flächig ausgebildeten Trägersubstrat (2) werden unmittelbar oder getrennt durch eine Isolationsschicht (4), die flächig auf das Trägersubstrat (2) aufgebracht wird, zwei Kontaktelektroden (3a, 3b) unterschiedlicher Polarität mit einem gegenseitigen Abstand aufgebracht,two contact electrodes (3a, 3b) of different polarity are applied with a mutual spacing, directly or separately, by means of an insulation layer (4), which is applied flatly to the carrier substrate (2), on a planar support substrate (2),
- über den Kontaktelektroden (3a, 3b) wird eine, die Kontaktelektroden vollständig überdeckende Isolationsschicht (5) aufgebracht,an insulation layer (5) covering the contact electrodes is applied over the contact electrodes (3a, 3b),
- auf der die Kontaktelektroden (3a, 3b) überdeckenden Isolationsschicht (5) wird eine flächig ausgebildete Halbleiterschicht (1b) eines ersten Dotiertyps aufgebracht,a flat semiconductor layer (1b) of a first doping type is applied to the insulation layer (5) covering the contact electrodes (3a, 3b),
- durch die Halbleiterschicht (1b) hindurch bishin zur, die Kontaktelektroden überdeckenden Isolationsschicht (5) werden als hohle Sacklöcher ausgebildete Kontaktkanäle (6a) eingebracht, die unmittelbar über der Kontaktelektrode (3a) einer Polarität angeordnet sind,through the semiconductor layer (1b) to the insulation layer (5) covering the contact electrodes, contact channels (6a) which are formed as hollow blind holes and are arranged directly above the contact electrode (3a) of one polarity are introduced,
- auf der mit Kontaktkanälen (6a) versehenen, flächig ausgebildeten Halbleiterschicht (1b) wird eine Halbleiterschicht (1a) eines zweiten Dotiertyps oberflächendeckend aufgebracht, die bereits eingebrachten Kontaktlöcher (6a) werden bis zur Kontaktelektrode (3a) durch die Isolationsschicht (5) hindurch verlängert, durch die Halbleiterschichten des ersten (1b) und zweiten (1a) Dotiertyps sowie durch die Isolationsschicht (5) hindurch werden als hohle Sacklöcher ausgebildete Kontaktkanäle (6b) eingebracht, die unmittelbar auf der Kontaktelektrode (3b) der anderen Polarität münden, und- On the surface of the semiconductor layer (1b) provided with contact channels (6a), a semiconductor layer (1a) of a second doping type is applied covering the surface, the contact holes (6a) that have already been made are extended to the contact electrode (3a) through the insulation layer (5) , through the semiconductor layers of the first (1b) and second (1a) doping type as well as through the insulation layer (5) through hollow blind holes are introduced contact channels (6b) which open directly on the contact electrode (3b) of the other polarity, and
- zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktelektroden (3a, 3b) mit den jeweiligen Halbleiterschichten (1a, 1b) werden die Kontaktkanäle (6a, 6b) zumindest an ihren unteren Bereichen mit elektrisch leitendem Material (7) gefüllt. - For the electrical contacting of the contact electrodes (3a, 3b) with the respective semiconductor layers (1a, 1b), the contact channels (6a, 6b) are filled at least at their lower areas with electrically conductive material (7).
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (1b) des ersten Dotiertyps p- dotiert ist und als Basisbereich dient und die Halbleiterschicht (1a) des zweiten Dotiertyps n-dotiert ist und als Emitterbereich dient.12. The method according to claim 11, characterized in that the semiconductor layer (1b) of the first doping type is p-doped and serves as a base region and the semiconductor layer (1a) of the second doping type is n-doped and serves as an emitter region.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer strukturierten Dünnschichtsolarzelle lateral zur Erstreckung der Halbleiterschichten diese abschnittsweise bis hinab zur, die Kontaktelektroden überdeckenden Isolationsschicht durch Isoliergräben (10) durchtrennt werden.13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that for the production of a structured thin-film solar cell laterally to extend the semiconductor layers, these sections are cut down to the insulation layer covering the contact electrodes by insulating trenches (10).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Schutzdiode (9) auf dem Trägersubstrat (2) die Kontaktierung der Halbleiterschichten (1a, 1b) in einem abgetrennten Abschnitt umgekehrt zur Kontaktierung der übrigen Halbleiterschichten der Solarzelle (8) erfolgt.14. The method according to claim 13, characterized in that for the production of a protective diode (9) on the carrier substrate (2) the contacting of the semiconductor layers (1a, 1b) in a separate section reversed to contact the other semiconductor layers of the solar cell (8).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektrode (3b), die mit der Halbleiterschicht (1b) des ersten Dotiertyps elektrisch verbunden wird, mit der Isolationsschicht (5) nur teilweise überdeckt wird, so daß ein nachträgliches Abscheiden der Halbleiterschicht (1b) des ersten Dotiertyps unmittelbar mit der Kontakelektrode in elektrische Verbindung tritt.15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that the contact electrode (3b), which is electrically connected to the semiconductor layer (1b) of the first doping type, is only partially covered with the insulation layer (5), so that a subsequent Deposition of the semiconductor layer (1b) of the first doping type directly comes into electrical connection with the contact electrode.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktelektroden (3a, 3b) metallische Leiterbahnen verwendet werden, die zur Einbringung eines elektrisch leitenden Materials in die Kontaktkanäle als Quelle zum Aufdampfen von Metall dienen. 16. The method according to any one of claims 11 to 15, characterized in that metallic conductor tracks are used as contact electrodes (3a, 3b), which serve to introduce an electrically conductive material into the contact channels as a source for evaporating metal.
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