EP1815521A1 - Anordnung mit solarzelle und integrierter bypass-diode - Google Patents

Anordnung mit solarzelle und integrierter bypass-diode

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EP1815521A1
EP1815521A1 EP05815533A EP05815533A EP1815521A1 EP 1815521 A1 EP1815521 A1 EP 1815521A1 EP 05815533 A EP05815533 A EP 05815533A EP 05815533 A EP05815533 A EP 05815533A EP 1815521 A1 EP1815521 A1 EP 1815521A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
layer sequence
doped
solar cell
sequence
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05815533A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sascha Van Riesen
Rüdiger LÖCKENHOFF
Gerhard Strobl
Ron Dietrich
Wolfgang Koestler
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Azur Space Solar Power GmbH
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
RWE Space Solar Power GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Albert Ludwigs Universitaet Freiburg, RWE Space Solar Power GmbH filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1815521A1 publication Critical patent/EP1815521A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0475—PV cell arrays made by cells in a planar, e.g. repetitive, configuration on a single semiconductor substrate; PV cell microarrays
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    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/142—Energy conversion devices
    • H01L27/1421—Energy conversion devices comprising bypass diodes integrated or directly associated with the device, e.g. bypass diode integrated or formed in or on the same substrate as the solar cell
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    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • H01L31/0693—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells the devices including, apart from doping material or other impurities, only AIIIBV compounds, e.g. GaAs or InP solar cells
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement with at least one solar cell, which is formed by a first layer sequence over a substrate, and at least one bypass diode, which is connected to the solar cell, in particular in a monolithic series-connected solar module.
  • Solar cells are often used in solar modules in which they are arranged in rows and columns. By series connection of the solar cells in the solar module, a sufficiently high electrical voltage is generated for the consumer. In a Sectionabschattung a solar module, however, there is the danger of destruction of the shadowed cells, which operate in this case as electrical loads due to the series connection. The individual solar cells in the solar module should therefore be protected against overvoltages in the reverse direction by bypass diodes.
  • MIM Monolithically Interconnected Modules
  • Monolithic series-connected solar modules have a larger number of solar cells, which on a common, semi-insulating substrate are applied as Schicht ⁇ sequence.
  • the individual solar cells are separated from each other by trenches in the layer sequence and interconnected via integrated metallic contacts.
  • An example of a MIM solar module and a method for its production can be found, for example, in the publication by S. van Riesen et al.
  • Receiving area are accepted to integrate the bypass diodes between the solar cells in the solar module. Furthermore, the performance of the diodes is limited in such an arrangement.
  • bypass diodes are either on or next to the photovoltaically active layers.
  • the object of the present invention is to provide an arrangement of a solar cell with a Specify bypass diode, which allows a higher ho ⁇ ability of the bypass diode and leads to a lower loss of active receiving surface during integration in a solar module.
  • the present arrangement with a solar cell, which is formed in a known manner by a first layer sequence differently doped layers over a substrate, and a bypass diode, which connects to the solar cell, is characterized in that the bypass diode by a second layer sequence is formed, which is arranged between the substrate and the first layer sequence.
  • the first layer sequence represents the photovoltaically active layer sequence of the solar cell.
  • the bypass diode is thus integrated into the structure of the solar cell comprising the substrate and the first layer sequence.
  • the bypass diode consists of a layer sequence of an n-conducting and a p-conducting layer, which are formed voll ⁇ surface between the photovoltaically active layer sequence of the solar cell and the substrate.
  • the bypass diode itself no additional Liehe surface next to the photovoltaically active surface, ie the active receiving surface of the solar cell needed. Only the area necessary for contacting the bypass diode causes a small additional loss of active reception area of less than 5%. Nevertheless, all solar cells in such a solar module, preferably a MIM solar module, are protected by the bypass diodes.
  • the full-surface design of the bypass diode also leads to a higher performance of this device.
  • a thin, highly doped layer sequence forms a tunnel diode between the photovoltaically active layer sequence of the solar cell and the layer sequence forming the bypass diode.
  • the first layer sequence preferably comprises at least one p-type and one n-type layer which form the photovoltaically active area and lie on a highly doped lateral conduction layer (LCL). Furthermore, additional reflection and / or passivation layers can be provided.
  • a layer sequence for the formation of a solar cell is known from the prior art, for example the publication by S. van Riesen mentioned in the introduction to the description.
  • the present arrangement is part of a monolithic series-connected solar module (MIM), in which several Solar cells with integrated bypass diode are arranged side by side and interconnected in series.
  • MIM monolithic series-connected solar module
  • the individual layers are preferably first applied over the whole area using an epitaxial process, preferably MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), to a common substrate.
  • MOVPE Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
  • the second layer sequence for forming the bypass diodes thereby comes to rest between the first layer sequence for forming the solar cells and the substrate.
  • deeper semiconductor layers for electrical contacting are exposed by etching trenches and the individual solar cells of the solar module are insulated from one another by these trenches, which extend into the substrate.
  • flanks of the etched trenches are covered by an insulator.
  • the series connection of the adjacent solar cells takes place by applying a structured metal layer which electrically connects different semiconductor layers in the trenches and outside the trenches. With this electrical contacting, the bypass diodes are integrated into the interconnection.
  • a layer structure is selected in which a highly doped n-conducting transverse conductive layer, a thin layer sequence forming a tunnel diode, a p-doped layer, and on the semi-insulating substrate in the following order a highly doped n-type cross-conduction layer for forming the bypass diode, a thin layer sequence forming another tunnel diode, and a p-doped layer and an n-type layer. doped layer are applied to form the photovoltaically active layer sequence.
  • additional reflection and / or passivation layers can also be provided here at a suitable location in the layer structure.
  • only n-doped layers must be metallically contacted for the series connection of adjacent solar cells, including the bypass diodes, so that this is possible with a uniform structured metal layer. This reduces the production effort compared to one
  • FIG. 1 shows a cross-sectional illustration of a first example of a structure of the present arrangement in a solar module
  • Fig. 2 is an equivalent circuit diagram for the illustration of Figure 1;
  • FIG. 3 is a modified equivalent circuit diagram for the illustration of Figure 1;
  • Fig. 4 in cross-sectional view a second
  • Fig. 5 is an equivalent circuit diagram for the illustration of Figure 4.
  • FIG. 6 is a modified equivalent circuit diagram for the illustration of FIG. 4.
  • FIG. 1 shows an example of a construction of the present arrangement in a monolithically series-connected solar module (MIM).
  • MIM monolithically series-connected solar module
  • a section of the solar module can be seen in which 3 series-connected solar cells with bypass diodes are at least partially shown.
  • the figure shows a cross section through a layer structure and the interconnection of the adjacent solar cells.
  • the layer structure consists of the following semiconductor layers:
  • a layer sequence 4, 5 of semiconductor layers of opposite doping, which form the bypass diode, is applied to the semi-insulating substrate 6, a GaAs wafer.
  • the layer 4 of GaAs with a p-doping of about 2 * 10 18 cm “3 and a thickness of about 50 nm represents the emitter of the bypass diode.
  • the n-doped layer 5, also made of GaAs, is composed a 50 nm thick sub-layer with a doping of about 2 * 10 18 cm "3 as the basis of the bypass diode and a 500 nm thick sub-layer with a doping of about 5 * 10 18 cm "3 together, which forms a cross-conducting layer of the bypass diode.
  • a further thin semiconductor layer 3 of GaAs is applied to form a tunnel diode.
  • the upper layer 1 consists of a 1000 nm thick p-doped GaAs layer with a doping of approximately 2 ⁇ 10 18 cm -3 as an emitter of the solar cell, on which a 20 nm thick passivation layer of AlGaAs is applied as the window layer.
  • the n-doped layer 2 consists of three partial layers, of which the uppermost 2000 nm thick partial layer of GaAs with a doping of approximately 5 ⁇ 10 17 cm -3 forms the base of the solar cell.
  • a passivation layer made of AlGaAs with a thickness of 50 nm and a doping of approximately 5 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the lowermost partial layer of GaAs forms approximately 5 ⁇ 10 18 cm -3 and its high thickness of 2000 nm due to its high doping a highly conductive crossover layer with low layer resistance.
  • trenches are embedded in the epitaxially grown layer introduced structure, which extend partly into the substrate.
  • the isolation between the individual solar cells of the solar module is achieved by these trenches.
  • these trenches serve the electrical contacting of the semiconductor layers located at different depths.
  • the S ⁇ flanks of the trenches are in this case first with an insulating layer 7, for example. Of polyimide, covered. The application of this insulator takes place in a known manner by means of suitable photolithographic and / or etching steps in structured form.
  • the metal layer 8 which serves an electrical connection for series connection of adjacent solar cells on the one hand and for parallel connection of the respective bypass diode with the solar cell on the other. It consists of common, thin metal contacts for the production of ohmic metal-semiconductor junctions and an overlying, highly conductive 2 ⁇ m thick silver layer.
  • the metallization extends as Griffingrid 9 of fine contact fingers over the photovoltaically active surface of the respective solar cell.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram for the interconnection of the individual solar cells and bypass diodes shown in FIG.
  • the solar cells are re remplisen ⁇ in this equivalent circuit in a known manner by a current source and a parallel diode, wherein parallel to the solar cell, the bypass diode and the tunnel diode are connected. From this equivalent circuit diagram can be seen that at a
  • FIG. 3 shows a modified equivalent circuit diagram in which the layer structure of the solar cell and the bypass diode are additionally taken into account.
  • the layer structure of the arrangement according to FIG. 1 in a solar module differs from known solar modules without integrated bypass diode due to the additional layer sequence of the semiconductor layer 4, 5 forming the bypass diode and the layer 3 forming the tunnel diode and the additional metallic contacting of the semiconductor layer 5, which is part of the bypass diode.
  • the layer structure shown in FIG. 1 there is a need for semiconductor layers of different doping, ie. H. both n-doped and p-doped semiconductors, kontak ⁇ animals.
  • different metal layers are necessary, so that the production cost increases. This additional production effort can be achieved through the
  • FIG. 4 shows an example of a modified construction of the arrangement of solar cell
  • the epitaxially grown Schicht ⁇ structure consists of the following semiconductor layers:
  • a highly n-doped transverse conductive layer 15 (LCL).
  • a thin layer sequence 20 is applied to form a tunnel diode.
  • the Tunnel diode forming layer sequence 20 is a layer sequence of a p-doped layer 14 and a highly doped n-type cross-conducting layer 13, through whose pn junction the bypass diode is formed.
  • a further thin layer sequence 21 forming a tunnel diode, on which a p-doped semiconductor layer 12 is situated as the base of the solar cell.
  • the n-doped semiconductor layer 11 forming the emitter of the solar cell follows.
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of this layer structure, in which the solar cell, the two tunnel diodes and the bypass diode can be seen.
  • FIG. 6 shows a modified equivalent circuit diagram of this layer structure with additional consideration of the layer structure. It can also be seen from these equivalent circuit diagrams that the bypass diode protects the individual solar cells in the event of overvoltage in the reverse direction.
  • FIGS. 1 and 4 it is immediately apparent from FIGS. 1 and 4 that the presently selected integration of the bypass diode into the layer structure of the individual solar cells brings with it only a small loss of active receiving surface.
  • large-area receivers can be provided in which each individual solar cell is protected by the bypass diodes.
  • tunnel diode forming layer sequence 20 tunnel diode forming layer sequence 21 tunnel diode forming layer sequence

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit zumindest einer Solarzelle, die durch eine erste Schichtfolge (1, 2, 11, 12) unterschiedlich dotierter Schichten über einem Substrat (6, 16) gebildet ist, und zumindest einer Bypass-Diode, die mit der Solarzelle verschaltet ist, insbesondere in einem monolithisch serienverschalteten Solarmodul . Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bypass-Diode durch eine zweite Schichtfolge (4, 5, 13, 14) gebildet ist, die zwischen dem Substrat und der ersten Schicht folge (1, 2, 11, 12) angeordnet ist. Mit der vorliegenden Anordnung lassen sich bei einem sehr geringen Verlust an aktiver Empfangsfläche monolithisch serienverschaltete Solarmodule bilden, bei denen die Solarzellen durch Bypass-Dioden geschützt sind.

Description

Anordnung mit Solarzelle und integrierter Bypass-Diode
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit zumindest einer Solarzelle, die durch eine erste Schichtfolge über einem Substrat gebildet ist, und zumindest einer Bypass-Diode, die mit der Solarzelle verschaltet ist, insbesondere in einem monolithisch serienverschalteten Solarmodul .
Stand der Technik
Solarzellen werden vor häufig in Solarmodulen eingesetzt, in denen sie reihen- und spaltenweise angeordnet sind. Durch eine Serienverschaltung der Solarzellen im Solarmodul wird eine ausreichend hohe elektrische Spannung für den Verbraucher erzeugt. Bei einer Teilabschattung eines Solarmoduls besteht jedoch aufgrund der Serienverschaltung die Gefahr der Zerstörung der abgeschatteten Zellen, die in diesem Fall als elektrische Verbraucher arbeiten. Die einzelnen Solarzellen im Solarmodul sollten daher durch Bypass-Dioden vor Überspannungen in Sperrrichtung geschützt werden.
Die Verschaltung der einzelnen Solarzellen mit Bypass-Dioden ist jedoch in monolithisch serienver¬ schalteten Modulen (MIM: Monolithically Interconnected Module) nicht ohne Einschränkungen möglich. Monolithisch serienverschaltete Solarmodule weisen eine größere Anzahl von Solarzellen auf, die auf ein gemeinsames, semi-isolierendes Substrat als Schicht¬ folge aufgebracht sind. Die einzelnen Solarzellen sind hierbei durch Gräben in der Schichtfolge voneinander getrennt und über integrierte metallische Kontakte miteinander verschaltet. Ein Beispiel für ein MIM- Solarmodul sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung kann bspw. der Veröffentlichung von S. van Riesen et al. , „GaAs-Monolithically Interconnected Modules (MIMS) with an Efficiency above 20%", 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 7-11 June 2004, Paris, entnommen werden. Die einzelnen photovoltaisch aktiven Flächen der Solarzellen eines derartigen Solarmoduls weisen in der Regel nur eine kleine Breite von etwa 1 mm auf, um die Stromstärke bei intensivem Lichteinfall in Grenzen zu halten. Sie eigenen sich daher sehr gut für den Einsatz in Konzentratorsystemen, bspw. in Parabolspiegel- und Form-Konzentratoren. Bei der Verschaltung der Einzelzellen monolithisch serien- verschalteter Solarmodule mit Bypass-Dioden muss allerdings bisher ein erheblicher Verlust aktiver
Empfangsfläche hingenommen werden, um die Bypass-Dioden zwischen den Solarzellen in das Solarmodul zu integrieren. Weiterhin ist die Leistungsfähigkeit der Dioden in einer derartigen Anordnung begrenzt.
Auch in der gattungsgemäßen US 6600100 B2 oder in der US 2004/0163698 Al werden lediglich Anordnungen beschrieben, bei denen sich die Bypass-Dioden entweder auf oder neben den photovoltaisch aktiven Schichten befinden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung einer Solarzelle mit einer Bypass-Diode anzugeben, die eine höhere Leistungs¬ fähigkeit der Bypass-Diode ermöglicht und zu einem geringeren Verlust aktiver Empfangsfläche bei der Integration in einem Solarmodul führt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Anordnung aus Solarzelle und Bypass-Diode gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vor- teilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorliegende Anordnung mit einer Solarzelle, die in bekannter Weise durch eine erste Schichtfolge unterschiedlich dotierter Schichten über einem Substrat gebildet ist, und einer Bypass-Diode, die mit der Solarzelle verschaltet, zeichnet sich dadurch aus, dass die Bypass-Diode durch eine zweite Schichtfolge gebildet ist, die zwischen dem Substrat und der ersten Schichtfolge angeordnet ist. Die erste Schichtfolge stellt hierbei die photovoltaisch aktive Schichtfolge der Solarzelle dar.
Bei der vorliegenden Verschaltung der Solarzelle mit der Bypass-Diode ist somit die Bypass-Diode in den das Substrat und die erste Schichtfolge umfassenden Aufbau der Solarzelle integriert. Die Bypass-Diode besteht dabei aus einer Schichtfolge aus einer n- leitenden und einer p-leitenden Schicht, die voll¬ flächig zwischen der photovoltaisch aktiven Schicht- folge der Solarzelle und dem Substrat ausgebildet sind. Somit wird für die Bypass-Diode selbst keine zusätz- liehe Fläche neben der photovoltaisch aktiven Fläche, d.h. der aktiven Empfangsfläche der Solarzelle, benötigt. Lediglich die zur Kontaktierung der Bypass- Diode notwendige Fläche verursacht einen geringen zusätzlichen Verlust an aktiver Empfangsfläche von weniger als 5%. Dennoch sind sämtliche Solarzellen in einem derartigen Solarmodul, vorzugsweise einem MIM- Solarmodul, durch die Bypass-Dioden geschützt. Die vollflächige Ausbildung der Bypass-Diode führt auch zu einer höheren Leistungsfähigkeit dieses Bauelements.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der vor¬ liegenden Anordnung liegt zwischen der photovoltaisch aktiven Schichtfolge der Solarzelle und der die Bypass- Diode bildenden Schichtfolge eine dünne hochdotierte Schichtfolge, die eine Tunneldiode bildet. Durch diese Tunneldiode lässt sich ein vereinfachter Aufbau der Anordnung realisieren.
Vorzugsweise umfasst die erste Schichtfolge zumindest eine p-leitende und eine n-leitende Schicht, die den photovoltaisch aktiven Bereich bilden, und auf einer hochdotierten Querleitschicht (LCL: Lateral Conduction Layer) liegen. Weiterhin können zusätzliche Reflexions- und/oder Passivierungsschichten vorgesehen sein. Eine derartige Schichtfolge zur Bildung einer Solarzelle ist aus dem Stand der Technik, bspw. der in der Beschreibungseinleitung genannten Veröffentlichung von S. van Riesen, bekannt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die vorliegende Anordnung Bestandteil eines monolithisch serienverschalteten Solarmoduls (MIM) , in dem mehrere Solarzellen mit integrierter Bypass-Diode nebeneinander angeordnet und in Serie miteinander verschaltet sind. Hierbei werden die einzelnen Schichten vorzugsweise zunächst ganzflächig mit einem Epitaxieverfahren, vorzugsweise MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxie) auf ein gemeinsames Substrat aufgebracht. Die zweite Schichtfolge zur Bildung der Bypass-Dioden kommt dabei zwischen der ersten Schichtfolge zur Bildung der Solarzellen und dem Substrat zu liegen. Nach dem Aufbringen der Schichtfolgen werden tiefer liegende Halbleiterschichten zur elektrischen Kontaktierung durch Ätzen von Gräben freigelegt und die einzelnen Solarzellen des Solarmoduls durch diese Gräben, die sich bis in das Substrat hinein erstrecken, voneinander isoliert. Wo dies notwendig oder vorteilhaft ist, werden die Flanken der geätzten Gräben durch einen Isolator abgedeckt. Anschließend erfolgt die Serien- verschaltung der benachbarten Solarzellen durch Aufbringen einer strukturierten Metallschicht, die unterschiedliche Halbleiterschichten in den Gräben und außerhalb der Gräben elektrisch miteinander verbindet. Bei dieser elektrischen Kontaktierung werden die Bypass-Dioden in die Verschaltung eingebunden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der vor¬ liegenden Anordnung wird ein Schichtaufbau gewählt, bei dem auf dem semi-isolierenden Substrat in der folgenden Reihenfolge eine hochdotierte n-leitende Querleit- schicht, eine dünne eine Tunneldiode bildende Schicht- folge, eine p-dotierte Schicht und eine hochdotierte n- leitende QuerleitSchicht zur Bildung der Bypass-Diode, eine dünne eine weitere Tunneldiode bildende Schicht- folge, und eine p-dotierte Schicht sowie eine n- dotierte Schicht zur Bildung der photovoltaisch aktiven Schichtfolge aufgebracht sind. Weiterhin können auch hier an geeigneter Stelle im Schichtaufbau zusätzliche Reflexions- und/oder Passivierungsschichten vorgesehen sein. Bei diesem Aufbau müssen für die Serienver- schaltung benachbarter Solarzellen unter Einschluss der Bypass-Dioden lediglich n-dotierte Schichten metallisch kontaktiert werden, so dass dies mit einer einheit¬ lichen strukturierten Metallschicht möglich ist. Dies verringert den Produktionsaufwand gegenüber einer
Ausgestaltung, bei der sowohl n-dotierte als auch p- dotierte Halbleiterschichten kontaktiert werden müssen, wofür unterschiedliche Metallschichten erforderlich sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Anordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die
Patentansprüche vorgegebenen Schutzumfangs nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 in Querschnittsdarstellung ein erstes Beispiel für einen Aufbau der vorliegen¬ den Anordnung in einem Solarmodul;
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild für die Darstellung der Figur 1;
Fig. 3 ein modifiziertes Ersatzschaltbild für die Darstellung der Figur 1; Fig. 4 in Querschnittsdarstellung ein zweites
Beispiel für einen Aufbau der vorliegen¬ den Anordnung in einem Solarmodul;
Fig. 5 ein Ersatzschaltbild für die Darstellung der Figur 4; und
Fig. 6 ein abgewandeltes Ersatzschaltbild für die Darstellung der Figur 4.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau der vorliegenden Anordnung in einem monolithisch serien- verschalteten Solarmodul (MIM) . In der Figur ist ein Ausschnitt aus dem Solarmodul zu erkennen, in dem 3 serienverschaltete Solarzellen mit Bypass-Dioden zumindest zum Teil dargestellt sind. Die Figur zeigt einen Querschnitt durch eine die Schichtstruktur sowie die Verschaltung der benachbarten Solarzellen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die SchichtStruktur aus den folgenden Halbleiterschichten:
Auf dem semi-isolierenden Substrat 6, einem Wafer aus GaAs, ist eine Schichtfolge 4, 5 aus Halbleiter¬ schichten entgegengesetzter Dotierung aufgebracht, die die Bypass-Diode, bilden. Die Schicht 4 aus GaAs mit einer p-Dotierung von ca. 2*1018 cm"3 und einer Dicke von etwa 50 nm stellt den Emitter der Bypass-Diode dar. Die n-dotierte Schicht 5, ebenfalls aus GaAs, setzt sich aus einer 50 nm dicken Teilschicht mit einer Dotierung von ca. 2*1018 cm"3 als Basis der Bypass-Diode und einer 500 nm dicken Teilschicht mit einer Dotierung von ca. 5*1018 cm"3 zusammen, die eine Querleitschicht der Bypass-Diode bildet.
Auf dieser Schichtfolge 4, 5 ist eine weitere dünne Halbleiterschicht 3 aus GaAs zur Bildung einer Tunneldiode aufgebracht. Diese Schicht setzt sich aus einer unteren p-dotierten Teilschicht (20 nm; p=1019 cm" 3) als Basis und einer oberen n-dotierten Teilschicht (20 nm; n=1019 cm"3) als Emitter der Tunneldiode zusammen.
Auf die die Tunneldiode bildende Schicht 3 folgt schließlich eine Schichtfolge 1, 2 aus zwei Halbleiter¬ schichten entgegengesetzter Dotierung. Die obere Schicht 1 besteht aus einer 1000 nm dicken p-dotierten Schicht aus GaAs mit einer Dotierung von ca. 2*1018 cm"3 als Emitter der Solarzelle, auf der als Fensterschicht eine 20 nm dicke Passivierungsschicht aus AlGaAs aufge¬ bracht ist, die Minoritätsladungsträger reflektiert. Die n-dotierte Schicht 2 besteht aus drei Teil¬ schichten, von denen die oberste 2000 nm dicke Teil¬ schicht aus GaAs mit einer Dotierung von ca. 5*1017 cm"3 die Basis der Solarzelle bildet. Darunter liegt eine 50 nm dicke Passivierungsschicht aus AlGaAs mit einer Dotierung von ca. 5*1018 cm"3. Die unterste Teilschicht aus GaAs bildet aufgrund ihrer hohen Dotierung von ca. 5*1018 cm"3 und ihrer hohen Dicke von 2000 nm eine hochleitfähige QuerleitSchicht mit geringem Schicht- widerstand.
Zur Trennung der einzelnen Solarzellen innerhalb des Solarmoduls sowie zur elektrischen Serienverschal- tung sind Gräben in die epitaktisch gewachsene Schicht- struktur eingebracht, die sich zum Teil bis in das Substrat erstrecken. Durch diese Gräben wird zum einen die Isolation zwischen den einzelnen Solarzellen des Solarmoduls erreicht. Zum anderen dienen diese Gräben der elektrischen Kontaktierung der in unterschiedlicher Tiefe befindlichen Halbleiterschichten. Die Seiten¬ flanken der Gräben werden hierbei zunächst mit einer Isolationsschicht 7, bspw. aus Polyimid, bedeckt. Die Auftragung dieses Isolators erfolgt in bekannter Weise durch geeignete Photolithographie- und/oder Ätzschritte in strukturierter Form. Das Gleiche gilt für die Metallschicht 8, die eine elektrische Verbindung zur Serienverschaltung benachbarter Solarzellen einerseits und zur Parallelverschaltung der jeweiligen Bypass- Diode mit der Solarzelle andererseits dient . Sie besteht aus gebräuchlichen, dünnen Metallkontakten zur Herstellung ohmscher Metall-Halbleiter-Übergänge und einer darüber liegenden, hochleitfähigen 2 μm dicken Silberschicht. Die Metallisierung erstreckt sich als Kontaktgrid 9 aus feinen Kontaktfingern bis über die photovoltaisch aktive Fläche der jeweiligen Solarzelle.
Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für die in der Figur 1 dargestellte Verschaltung der einzelnen Solarzellen und Bypass-Dioden. Die Solarzellen sind in diesem Ersatzschaltbild in bekannter Weise durch eine Stromquelle und eine dazu parallele Diode repräsen¬ tiert, wobei parallel zur Solarzelle die Bypass-Diode und die Tunnel-Diode geschaltet sind. Aus diesem Ersatzschaltbild ist erkennbar, dass die bei einer
Abschattung einer einzelnen Solarzelle in Sperrrichtung über der Solarzelle anliegende Spannung über die Bypassdiode abgebaut wird. Figur 3 zeigt schließlich noch ein modifiziertes Ersatzschaltbild, in dem zusätzlich der Schichtaufbau der Solarzelle sowie der Bypass-Diode berücksichtigt ist.
Der Schichtaufbau der Anordnung gemäß Figur 1 in einem Solarmodul unterscheidet sich von bekannten Solarmodulen ohne integrierte Bypass-Diode durch die zusätzliche Schichtfolge der die Bypass-Diode bildenden Halbleiterschichten 4, 5 sowie der die Tunneldiode bildenden Schicht 3 und die zusätzliche metallische Kontaktierung der Halbleiterschicht 5, die Bestandteil der Bypass-Diode ist. Bei dem in Figur 1 dargestellten Schichtaufbau besteht die Notwendigkeit, Halbleiter¬ schichten unterschiedlicher Dotierung, d. h. sowohl n- dotierte als auch p-dotierte Halbleiter, zu kontak¬ tieren. Dazu sind unterschiedliche Metallschichten notwendig, so dass der Produktionsaufwand steigt. Dieser zusätzliche Produktionsaufwand kann durch den
Einbau einer weiteren Tunneldiode vermieden werden, wie dies anhand der folgenden Figuren dargestellt ist.
Figur 4 zeigt hierzu ein Beispiel für einen modifizierten Aufbau der Anordnung aus Solarzelle und
Bypass-Diode innerhalb eines MIM-Solarmoduls. In diesem Beispiel besteht die epitaktisch gewachsene Schicht¬ struktur aus den folgenden Halbleiterschichten:
Über dem semi-isolierenden Substrat 16 liegt zunächst eine hoch n-dotierte Querleitschicht 15 (LCL) . Auf dieser Schicht ist eine dünne Schichtfolge 20 zur Bildung einer Tunneldiode aufgebracht. Oberhalb der die Tunneldiode bildenden Schichtfolge 20 befindet sich eine Schichtfolge aus einer p-dotierten Schicht 14 sowie einer hochdotierten n-leitenden Querleitschicht 13, durch deren pn-Übergang die Bypass-Diode gebildet wird. Es folgt eine weitere, eine Tunneldiode bildende dünne Schichtfolge 21, auf der eine p-dotierte Halbleiterschicht 12 als Basis der Solarzelle liegt. Schließlich folgt die den Emitter der Solarzelle bildende n-dotierte Halbleiterschicht 11. Die Ausbildung der Gräben, die Isolation der Seitenflanken der Gräben mit einer Isolationsschicht 17 sowie die elektrische Verschaltung der einzelnen Solarzellen und Bypass-Dioden dieser Struktur mit der Metallschicht 18, die über der photovoltaisch aktiven Fläche in eine Kontaktfingerstruktur 19 übergeht, erfolgen in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 - 3.
Durch den Schichtaufbau der Figur 4 wird erreicht, dass lediglich Halbleiterschichten der gleichen
Dotierung (hier: n-Dotierung) mit der Metallschicht 18 kontaktiert werden müssen. Dies verringert den Produktionsaufwand, erfordert jedoch den Einbau einer zusätzlichen Tunneldiode.
Figur 5 zeigt ein Ersatzschaltbild dieses Schichtaufbaus, in dem die Solarzelle, die beiden Tunneldioden sowie die Bypass-Diode zu erkennen sind. In gleicher Weise wie Figur 3 zeigt Figur 6 noch ein abgewandeltes Ersatzschaltbild dieser Schichtstruktur unter zusätzlicher Berücksichtigung des Schichtaufbaus. Auch aus diesen Ersatzschaltbildern ist ersichtlich, dass die Bypass-Diode die einzelnen Solarzellen bei Anliegen einer Überspannung in Sperrrichtung schützt.
Weiterhin ist aus den Figuren 1 und 4 unmittelbar ersichtlich, dass die vorliegend gewählte Integration der Bypass-Diode in den Schichtaufbau der einzelnen Solarzellen nur einen geringen Verlust an aktiver Empfangsfläche mit sich bringt . Somit lassen sich bei Einsatz der vorliegenden Anordnung in einem mono- lithisch serienverschalteten Solarmodul großflächige Empfänger bereitstellen, in denen jede einzelne Solarzelle mit den Bypass-Dioden geschützt ist.
Bezugszeichenliste
1 p-dotierte Halbleiterschicht als Emitter der Solarzelle 2 n-dotierte Halbleiterschicht als Basis der Solarzelle
3 Tunneldiode bildende Schichtfolge
4 p-dotierte Halbleiterschicht als Emitter der Bypass-Diode 5 n-dotierte Halbleiterschicht als Basis der Bypass- Diode
6 semi-isolierendes Substrat
7 Isolationsschicht
8 Metallschicht 9 Kontaktgrid
11 n-dotierte Halbleiterschicht als Emitter der Solarzelle
12 p-dotierte Halbleiterschicht als Basis der Solarzelle 13 n-dotierte Halbleiterschicht
14 p-dotierte Halbleiterschicht
15 n-dotierte Querleitschicht
16 semi-isolierendes Substrat
17 Isolationsschicht 18 Metallschicht
19 Kontaktgrid
20 Tunneldiode bildende Schichtfolge 21 Tunneldiode bildende Schichtfolge

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung mit zumindest einer Solarzelle, insbesondere in einem monolithisch serienverschal- teten Solarmodul, die durch eine erste Schichtfolge (1, 2, 11, 12) unterschiedlich dotierter Schichten über einem Substrat (6, 16) gebildet ist, und zumindest einer Bypass-Diode, die mit der Solar¬ zelle verschaltet und durch eine zweite Schicht¬ folge (4, 5, 13, 14) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Diode zwischen dem Substrat (6, 16) und der ersten Schichtfolge (1, 2, 11, 12) angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1, 2, 11, 12) und der zweiten Schichtfolge (4, 5, 13, 14) zumindest eine dritte Schichtfolge (3, 20, 21) liegt, die eine Tunneldiode bildet.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schichtfolge (1, 2, 11, 12) zumindest eine p-leitende und eine n-leitende
Schicht umfasst, die einen photovoltaisch aktiven Bereich bilden, und auf einer hochdotierten Querleitschicht liegen.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schichtfolge (4, 5, 13, 14) zumindest eine p-leitende und eine n-leitende Schicht umfasst .
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (16) zumindest die folgenden Schichten oder Schichtfolgen in der angegebenen Reihenfolge aufgebracht sind:
- eine hochdotierte n-leitende Querleitschicht (15) ;
- eine dünne eine Tunneldiode bildende Schichtfolge (21) ;
- eine p-dotierte Schicht (14) und eine hoch¬ dotierte n-leitende Querleitschicht (13) als zweite Schichtfolge;
- eine dünne eine weitere Tunneldiode bildende Schichtfolge (20) ; und
- eine p-dotierte Schicht (12) sowie eine n- dotierte Schicht (11) als erste Schichtfolge.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolgen durch epitaktisch gewachsene Schichten gebildet sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass tiefer liegende Schichten der Schichtfolgen über Gräben in den Schichtfolgen elektrisch kontaktiert sind.
Solarmodul aus mehreren nebeneinander angeordneten und in Serie miteinander verschalteten Solarzellen, die in einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit Bypass-Dioden verschaltet sind.
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