EP1894254A2 - Verfahren zur herstellung einer einseitig kontaktierten solarzelle und einseitig kontaktierte solarzelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer einseitig kontaktierten solarzelle und einseitig kontaktierte solarzelle

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EP1894254A2
EP1894254A2 EP06753203A EP06753203A EP1894254A2 EP 1894254 A2 EP1894254 A2 EP 1894254A2 EP 06753203 A EP06753203 A EP 06753203A EP 06753203 A EP06753203 A EP 06753203A EP 1894254 A2 EP1894254 A2 EP 1894254A2
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EP
European Patent Office
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layer
contact
absorber
absorber layer
solar cell
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06753203A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Stangl
Marinus Kunst
Klaus Lips
Manfred Schmidt
Jens Schneider
Frank WÜNSCH
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Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Original Assignee
Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Hahn Meitner Institut Berlin GmbH filed Critical Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Publication of EP1894254A2 publication Critical patent/EP1894254A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L31/02—Details
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a unilaterally contacted solar cell having at least one absorber layer and a surface deposited emitter layer of semiconductor materials with opposite p- or n-type doping, wherein excess majority and minority carriers in the absorber layer generated by incidence of light, am separated pn junction between the absorber and emitter layer and the majority charge carriers of the absorber layer via a first contacting system and the minority carriers of the absorber layer from the emitter layer and a second contacting system are collected and derived, both contacting systems are on the same solar cell side, and on a unilaterally contacted solar cell.
  • Solar cells are devices that convert light into electrical energy. Usually, they consist of semiconductor materials which contain regions or layers of different conductivity for positive and negative charge carriers, n-type or p-type conducting regions. The areas are referred to as emitters and absorbers. Positive and negative excess charge carriers generated by incident light are separated at the pn junction between emitter and absorber and can be collected and dissipated by contacting systems electrically connected to the respective regions. Accordingly, only those excess charge carriers which reach the contacting systems and do not previously recombine with a respective opposite polarity charge carrier contribute to the usable electrical power of solar cells. Unilaterally contacted solar cells have both contacting systems for separately collecting the excess majority and minority carriers of the absorber layer on a common side.
  • front side contact is used when both contacting systems are located on the front side and thus the side of the solar cell facing the later use so that the side of the solar cell which faces away from the light in later use are arranged. Important in the arrangement of the contacting systems, however, is always primarily their efficiency in the charge carrier collection.
  • the absorber layer of the solar cell is of sufficiently good electronic quality, ie if the effective diffusion length of the minority charge carriers is greater than the layer thickness of the absorber layer, then the current-dissipating contacting systems should as a rule advantageously be on the side of the solar cell which faces away from light in later use (rear-side contacting). This results in particular in the advantages that firstly no shading losses occur through a contacting system, which leads to an improvement in the efficiency of the solar cell, and secondly, a good simple full-surface front-side passivation of the front side of the solar cell is possible in order to recombine the excess charges at the solar cell Front effective and easy to prevent.
  • the absorber layer is of relatively low electronic quality, ie if the effective diffusion length of the minority carriers is smaller than the layer thickness of the absorber layer, then the current-carrying contacting systems should advantageously be located on the front side of the solar cell (front-side contact). Any minority carriers of the absorber generated at a depth less than the effective diffusion length of the absorber can then be reliably collected.
  • the current-carrying contacting systems should advantageously be located on the front side of the solar cell (front-side contact). Any minority carriers of the absorber generated at a depth less than the effective diffusion length of the absorber can then be reliably collected.
  • a concept of the back contact is the use of surface elevations, for example, known from DE 41 43 083 A1.
  • the first and second contacting system are arranged directly or on an insulating layer on a protruding substrate surface, (for example, pyramidal, conical or cylindrical pronounced), the surveys at least partially covered in advance with Passivitationsmaterial and then sections of the attachment of the contacting systems of this have been exposed.
  • an inversion layer for the derivation of the minority charge carriers of the absorber layer extends along the substrate surface between the contacting systems. From DE 41 43 084 A1, it is further known to first passivate the entire structured substrate surface and then to remove the passivation layer again in the region of the elevations.
  • PC point contact
  • the two contacting systems on the back are kept very small in the form of dots in order to lower the saturation blocking current and thus increase the open circuit voltage of the solar cell.
  • an extremely good surface passivation plays a decisive role here.
  • US Pat. No. 5,468,652 discloses, for example, a point contact in which a laser is used to make contact with the second contacting system on the underside of the substrate through the emitter layer, which is arranged on the front side of the absorber layer, and through the absorber layer.
  • the second contacting system with the first contacting system for deriving the majority charge carriers of the absorber layer is arranged nested.
  • a point contact solar cell is further known, in which the second contacting system for collecting the minority carriers of the absorber layer formed lattice-shaped and directly on the back of the absorber layer in front of a electrically conductive substrate is arranged.
  • the first contacting system for collecting the majority carrier from the absorber layer is formed over the entire surface and arranged on the back of an electrically conductive substrate.
  • the second contacting system between absorber layer and substrate is electrically insulated on both sides.
  • connection to the emitter layer is again given by holes through emitter and absorber layer, as Contact holes are filled with a metal (see Figure 6 ibid).
  • the electrical contacting of the second contacting system via bridges arranged laterally from the solar cell. Even in the point contact, structuring process steps are required.
  • the third concept of the interdigitated back contact (IBC) with a back contact in which the first and second contacting system are also arranged in a comb-like manner on the substrate back side and the example of US 4,927,770, US 2004/0200520 A1 DE 195 25 720 C2 or DE 100 45 246 A1 is known.
  • the emitter layer is not arranged continuously on the front side of the absorber layer which faces the light in use, but in small subregions on the rear side which faces away from the light in use. There is a variety of subregions of the same, but stronger doping as the absorber layer to form a minority carrier backscatter surface field (Back Surface Field BSF).
  • the structuring measures in this concept therefore extend to the form of the emitter layer.
  • the electrical isolation of the different sections against each other is a major problem.
  • DE 696 31 815 T2 discloses a wafer-based, back-contacted crystalline homo-solar cell in which the emitter layer is patterned by counter-doping the absorber layer.
  • the counter doping is carried out by dopants from a contact grid.
  • a contact system in the form of a contact grid is arranged on the emitter layer, encased with an insulating layer and covered by the other contact system.
  • the two contact systems are thus directly superimposed and separated only by an insulating layer.
  • the emitter is not formed as an independent functional layer, but as integrated small areas in the semiconductor material (crystalline silicon) of the absorber layer formed by counter-doping, so it is about a homo solar cell.
  • the insulating layer on the metal grid can be formed in a self-aligning manner, for example by a selective oxide, for example aluminum oxide.
  • the deeper-reaching emitter regions are formed on the back side in the semiconductor material of the absorber layer or in a BSF layer previously diffused in back under high temperature effect by diffusion of portions of the metal lattice and formation of an alloy in the semiconductor material (counter-doping).
  • the contact grid is thus always arranged on the emitter areas. Due to the counter doping, the formation of a sharp p / n transition between two oppositely doped semiconductor layers is not possible.
  • the diffusion processes for counter doping require high temperatures and are difficult to control. All of this is efficiency-limiting for the known homo solar cells.
  • DE 198 19 200 A1 which, like the present invention, is fundamentally concerned with the contacting problem
  • one-sided front-side contacting is known, in which the emitter layer and both contacting systems are patterned finger-shaped (compare FIG. 4, ibid). Furthermore, one-side contacting is shown by etch-patterning trench or holes and applying metallizations through shadow masks.
  • DE 197 15 138 A1 it is further known to connect solar cells with a front-side contact by structuring both contacting systems and the emitter layer in series, in which the webs of the comb-like contacting systems are electrically conductively connected to each other. Such series or parallel circuits with back-contacted solar cells are also known from the prior art. task
  • the object of the invention is to provide a method for producing a unilaterally contacted solar cell, which manages in a simple manner without complex structuring measures both for the contacting systems and for the individual solar cell layers.
  • a reliable solar cell with a good electrical separation of the two contacting systems and the highest possible efficiency should nevertheless be made available.
  • the solution according to the invention for this task can be found in the method claim and the independent product claim.
  • the first contacting system is applied in the form of a contact grid directly on one side of the absorber layer, so that forms a good ohmic contact.
  • the contact surface of the contact grid to the absorber layer is dimensioned so that it can dissipate optimally the expected current.
  • the total surface area of the contact grid is usually less than 5% of the absorber area.
  • the contact grid is electrically insulated on its entire free, not with the absorber layer in contact surface by applying an insulating layer. In this case, this insulating layer has at least such a minimum layer thickness that the tunneling through of charge carriers is reliably prevented.
  • various ways of applying the insulation layer are shown.
  • the electrical contacting of the contact grid can by laterally arranged webs or by cutting (for example, by shadow mask) a connection area on the
  • the emitter layer is applied over the entire surface of the contact grid, so that the contact grid between the absorber and emitter layer is located.
  • the layer thickness of the applied emitter layer is dimensioned such that the minority charge carriers of the absorber layer can reach the rear side of the emitter layer facing away from the absorber layer, without them suffering appreciable ohmic losses.
  • an emitter thin film can also be applied.
  • a closed, all-surface emitter layer (layer thickness of the emitter layer is greater than the layer thickness of contact grid and insulation layer), which completely covers the contact grid, or else an interrupted emitter layer (layer thickness of the emitter layer is smaller than the layer thickness contact grid and insulation layer), which does not completely cover the contact grid.
  • an interruption of the emitter layer is not an elaborate structuring, but a consequence of a simple, full-surface emitter deposition, which inevitably results from the layer thickness selection.
  • the emitter layer consists of such a material that a well-passivating pn junction is spanned to the absorber layer, wherein a maximum interfacial recombination rate of the charge carriers of 10 5 recombinations / cm 2 s is to be observed.
  • a maximum interfacial recombination rate of the charge carriers of 10 5 recombinations / cm 2 s is to be observed.
  • Embodiments of the emitter layer see below.
  • the second contacting system for deriving the minority charge carriers of the absorber layer from the emitter layer is then arranged in the inventive method as an unstructured contact layer on the back of the emitter layer, so that a good ohmic contact is formed.
  • the contact layer over the entire surface or by applying masking technology may be formed over part of the surface and in a simple manner, for example by applying a metal contact or by vapor deposition applied.
  • the electrical contacting of the contact layer can be done directly without further measures due to their direct accessibility.
  • the method according to the invention is equally suitable for producing a one-sided front-side or rear-side contacting of a solar cell. It has already been stated above that the choice of the one-sided contacting depends on the electronic quality of the absorber layer. If this is good, back contact is preferable because of lower shading losses. However, if the electronic quality is poor, preference should be given to front-side contacting.
  • a back contact is obtained when the method step II - applying the contact grid for collecting the majority carrier of the absorber layer - is performed on the back of the absorber layer.
  • the emitter layer is arranged on the back of the absorber layer, whereby the normally occurring absorption losses are avoided by a arranged on the front side of the absorber layer emitter layer. Since no passivation of the absorber layer on the front side by the emitter layer takes place, the absorber layer is passivated there in a further method step A after process step I - providing the absorber layer - by a correspondingly transparent cover layer.
  • the passivating top layer which can consist of silicon oxide or silicon nitride, for example, both surface recombination reduction (by direct passivation of the surface defects or formation of a minority carrier backscattering surface field, front surface field FSF) and the reduction of the reflection incident Light in the form of an antireflective layer.
  • Front-side contacting is achieved when method step II is carried out on the front side of the absorber layer. Accordingly, in the case of the front-side contacting, the contact layer for deriving the minority charge carriers of the absorber layer from the emitter layer, which is likewise arranged on the later light incident side, is to be transparent, for example in the form of a transparent conductive oxide layer, TCO.
  • a cover layer is to be applied to the rear side of the absorber layer (process step B) depends in turn on its electronic quality. If this is good, a passivation layer is required to avoid charge carrier recombination. In addition, if appropriate, a reflection layer is conducive to the reflection of the unabsorbed photons. On the other hand, if the electronic quality of the absorber layer is poor, the minority carriers do not reach the absorber layer back side, so that no further measures have to be taken here. Since then the backside of the absorber layer does not require a passivating cover layer, for example, very defect-rich initial layers (seed layers) for growing the absorber layer and / or reflection layers for reflecting the unabsorbed photons can be used as cover layers.
  • a further method step C may be provided after method step V-applying the contact layer.
  • This is the application of a contact element on the front side of the transparent contact layer. So that the shading losses are minimized, it is advantageous if contact element and contact grid are constructed congruently and are positioned directly above one another.
  • the application of the contact grid- which is also taken to mean finger-like or similar shapes-can be applied in prefabricated form directly to the absorber layer, for example by means of a conductive adhesive a corresponding mask by thermal evaporation made of an electrically conductive material.
  • Application of inkjet printing or photolithography is also possible.
  • an additional method step F according to method step II-applying the contact grid to the absorber layer-can be provided.
  • this thermal step can be combined with the thermal step of forming an electrically insulated insulation layer on the contact grid (see next paragraph).
  • the insulating layer For applying the insulating layer to the free surface of the contact grid according to method step III, it is possible, for example, to apply an insulating compound selectively using screen or inkjet printing or a mask, in particular a shadow mask, sputtering, vapor deposition or photolithography.
  • an oxide layer can also be grown thermally or wet-chemically or electrochemically on the entire free surface of contact grid and absorber layer rear side (method step D). In this case, forms a different oxide layer due to the differently selected for contact grid and absorber layer materials.
  • a contact grid for example of aluminum corresponding to aluminum oxide
  • an absorber layer of silicon in the case of oxygen tempering, thermal silicon oxide.
  • an approximately 20 nm thick aluminum oxide can be expected on the entire free surface of the contact grid and an approximately 5 nm thick silicon oxide on the surface of the absorber layer not covered by the contact grid ,
  • this process can be used together with the process step F - tempering of the conductive Material of the contact grid in the absorber layer to form a BSF - be carried out in a temperature-controlled heating process.
  • the subsequent selective etching of the oxide layer on the absorber layer is correspondingly easy to carry out, since the different oxides generally have different etching rates in the etching process.
  • a metal oxide is more etch-resistant than a silicon oxide.
  • the selective etching can be implemented, for example, by simple brief immersion in dilute hydrofluoric acid HF.
  • the hydrofluoric acid not only selectively removes the silicon oxide, but at the same time ensures good surface passivation of the silicon absorber layer by forming Si-H bonds.
  • the etchant can thus be chosen so that after the removal of the oxide on the absorber layer, this is well passivated on its exposed surface.
  • buffer layers are often used between the emitter and the absorber layer in order to better passivate the interface between emitter and absorber. Therefore, it may be advantageous if a further optional method step G is provided after method step III-generating the insulation layer on the contact grid. This is accordingly the optional, full-surface deposition of a buffer layer in the lowest possible layer thickness.
  • the buffer layer may be an ultrathin (about 5 nm) layer of intrinsic (undoped) amorphous silicon.
  • buffer layers can also be formed from a salt, for example from cesium chloride.
  • a highly efficient solar cell can be produced both as a thick-film cell based on a wafer as absorber layer and as a thin-film cell with a layer composite grown on a substrate or superstrate with an exclusively single-sided contacting. It should be noted that in the case of a self-supporting wafer as the absorber layer, any desired processing of both sides can take place.
  • a solar cell according to the invention is characterized in that the first contacting system is a surface-optimized with respect to the collection of majority carriers of the absorber view and with respect to the emitter layer by means of an insulating layer electrically insulated contact grid between the absorber layer and the emitter layer and as a second contacting a flat contact layer is arranged on the side facing away from the absorber layer of the emitter layer, wherein the emitter layer consists of a semiconductor material which spans the pn junction passivating to the absorber layer with a maximum interface recombination rate of the excess charge carriers of 10 5 recombinations / cm.
  • a solar cell back-contacted in this way also displays a novel layer structure geometry, since it has a continuous emitter layer on the back of the absorber layer.
  • Absorber and emitter layer may preferably consist of silicon.
  • a heterocontact solar cell can be formed if crystalline silicon, in particular with n- or p-type doping (n / p c-Si), for the absorber layer and amorphous, with hydrogen-enriched silicon, corresponding to p- or n-type doping (p / n a-Si: H) are used for the emitter layer.
  • An optional buffer layer between absorber and emitter layer may also be preferably made of amorphous silicon, but undoped.
  • Such a material system ensures a particularly well-passivated pn junction for charge separation. All contacting systems can in this case be made of aluminum at a back contact.
  • the contact layer must be made of a transparent conductive material. To avoid repetition, reference is made to the specific description part with regard to further embodiments of the solar cell contacted on one side according to the invention.
  • FIG. 1 shows the schematic flowchart of the method
  • FIG. 2 shows a cross-sectional contact of a solar cell in cross-section
  • FIG. 3 shows a front-side contacted solar cell in cross-section
  • FIG. 4 shows a module interconnection of several solar cells contacted on one side in plan view.
  • the method for producing a single-sided contacted solar cell can equally be used to produce a front side as well as a rear side contact.
  • the front side OSZ of the solar cell SZ is the side intended for the incidence of light in the later operation and the back side OSA of the solar cell SZ is the side not intended for the incidence of light in the later operation Solar cell SZ defined. The same with regard to the incidence of light applies to other components.
  • FIG. 1 is based on a schematic flow chart (solar cell shown in cross-section), the preparation of a back-contacted solar cell SZ explained.
  • the production of a front-contacted solar cell takes place in an analogous manner.
  • the production of a solar cell SZ with an absorber layer AS of crystalline silicon with p-type doping (p c-Si), an emitter layer ES of amorphous, hydrogen-enriched silicon with n-type doping (n a-Si: H) and aluminum for the contact grid KG and the contact layer KS is shown by way of example.
  • p c-Si absorber layer AS of crystalline silicon with p-type doping
  • ES emitter layer ES of amorphous, hydrogen-enriched silicon with n-type doping
  • HKS aluminum for the contact grid KG and the contact layer KS
  • the aluminum / silicon contact can form a local charge carrier backscattering region BSF with highly p-doped silicon in a known manner by brief annealing, so that the recombination at the contact lattice KG can be minimized (alneal process).
  • Process step I Selection and provision of a suitable absorber layer AS.
  • This may be a silicon wafer, but also a thin silicon film grown by thin-film technology. It may preferably be crystalline silicon in p-type doping (p c-Si).
  • p c-Si p-type doping
  • the subsequent incidence of light in the front side OSZ of the absorber layer AS, which faces the light, is shown by arrows, these are shown in Figure 1 below the absorber layer AS.
  • the front side OSZ of the absorber layer can be textured if necessary to improve the light coupling. In the case of a wafer-based solar cell, this also applies to the backside OSA of the absorber layer.
  • the cover layer DS can have a dual function since, in addition to the passivation (passivation layer PAS), it also reduces the reflection (antireflection layer ARS) of the incident light.
  • the application of two or more cover layers DS with separate functions is also possible.
  • the contact grid KG can be applied by thermal evaporation through a mask, by simple screen printing, by inkjet printing or by photolithography.
  • Annealing (indicated in the figure 1 by vertically serpentine arrows) of the aluminum of the contact grid KG in the absorber layer AS (alneal process).
  • local charge carrier backscattering regions BSF form below the AI contact grid KG.
  • the method step A can also be interchanged with the method steps II and F to produce the BSF.
  • process step F is an option, the efficiency of the solar cell SZ can be increased even further.
  • the method step F can be carried out in a common heating process with method step D.
  • the insulation layer IS can be produced in a simple manner by applying an insulating compound, for example by screen or inkjet printing, masking, sputtering, vapor deposition or photolithography.
  • an insulating oxide layer OX according to method step D (aluminum oxide Al 2 O 3 and silicon oxide SiO 2 ) in which the silicon oxide on the absorber layer AS according to method step E is subsequently selectively removed again on the absorber layer AS.
  • Oxidation of the surface of the AI contact grid KG for example by annealing in an oxygen atmosphere (indicated in Figure 1 by vertically serpentine arrows). This results in an approximately 30 nm thick alumina Al 2 O 3 and an approximately 5 nm thick silica SiO 2 , at least if the method step F is not performed. A wet or electrochemical growth of the oxide layer OX is also possible.
  • Process step E Selective etching of the silicon oxide (indicated in FIG. 1 by small upward-pointing arrows) in the region of the absorber layer AS, for example by immersion in dilute hydrofluoric acid (HF dip). Hydrofluoric acid strongly etches silicon oxide, but alumina hardly, so that when immersing only selectively, the silicon oxide is removed. If step F is omitted, the silica is also thinner than the aluminum oxide. If silicon nitride is used as passivating top layer DS, then this is also inert to the etching with hydrofluoric acid.
  • HF dip dilute hydrofluoric acid
  • the etching rate must be chosen such that the silicon oxide on the front side OSZ of the absorber layer AS (about 200 nm) is still retained, but the silicon oxide on the back side OSA of the absorber layer AS (FIG. approx. 5 nm) is completely removed.
  • the HF dip Not only is the backside silicon oxide removed, but also the silicon surface is passivated well over forming Si-H bonds.
  • Process step G Optional, full-surface deposition of an ultrathin buffer layer PS, in the selected embodiment intrinsic, hydrogenated, amorphous silicon i a-Si: H, for example by plasma-assisted gas phase deposition (PECVD).
  • the buffer layer PS serves to passivate the interface (pn junction) between the absorber layer AS and the emitter layer ES, thereby reducing recombination.
  • PECVD plasma-assisted gas phase deposition
  • Whole-area deposition of the thin emitter layer ES for example, by plasma-assisted gas-phase deposition (PECVD) of a thin-film emitter of n-doped, hydrogenated amorphous silicon, n a-Si: H. Deposition by sputtering or thermal evaporation is also possible.
  • PECVD plasma-assisted gas-phase deposition
  • the thin emitter layer ES (at least about 5 nm in order to be able to span a pn junction) is located thicker on the back side OSA of the absorber layer AS when a rear side contact is formed, it can be deposited thicker without appreciable recombination losses (eg nm instead of 5 nm), thus ensuring complete coverage of the absorber layer AS despite the comparatively large dimensions of the contact grid KG (about 1 ⁇ m high).
  • These layer thickness ratios result in an interruption of the emitter layer ES in the region of the contact grid KG. However, this has no influence on the functioning of the solar cell SZ.
  • a complete coverage of the contact grid KG is represented by the emitter layer ES, the emitter layer ES is therefore thicker than the contact grid KG and the insulation layer IS together.
  • Emitter layer ES on a charge carrier separating pn junction. there the emitter layer ES has such a maximum layer thickness that the charge carriers can reach the absorber-layer-facing side OSE of the emitter layer ES without significant ohmic losses.
  • the second contacting system in the form of a sheet-like contact layer KS on the backside of the emitter layer ES facing away from the absorber layer.
  • a full-area metallic contacting by thermal evaporation of aluminum can take place.
  • the contact grid KG can be contacted directly by a small area above the contact grid KG is recessed when depositing the emitter layer ES according to method step IV and the vapor deposition of the rear contact layer KS by applying a mask. In this area, the insulating layer IS is then removed (e.g., by mechanical destruction such as scratching of the 30 nm thin alumina layer) so that an electric supply can be supplied to the contact grid KG.
  • the contact grid KG may have a comb-like web ST on the outside of the solar cell, which is half covered in the generation of the emitter layer ES and the contact layer KS. This web ST can then be electrically contacted after removal of the insulating layer IS (alternatively shown in FIG. 1 in process step VI on the right).
  • Process step H
  • a further method step H may be provided after method step IV: cleaning of the surface of the absorber layer AS not covered by the contact grid KG.
  • the surface of the absorber layer AS should always be cleaned or exposed shortly before the a-Si: H deposition of the emitter layer ES (short HF dip) in order to achieve good interfacial passivation of the absorber layer AS immediately before the emitter deposition and thus a good Efficiency of HeteroSolarzelle HKS to ensure.
  • the HF dip then removes either the natural silicon oxide, which is always present for more than 30 minutes, or else the thermal / electrochemical silicon oxide formed by the insulation process of the contact grid KG.
  • FIG. 2 shows the finished processed solar cell SZ in cross section (transversely to the contact fingers of the contact grid KG) (incidence of light represented by parallel arrows) with back contact.
  • the double-functional cover layer DS is arranged on the front side OSZ of the absorber layer AS.
  • the contact grid KG for collecting the majority charge carriers from the absorber layer AS is located on the rear side OSA of the absorber layer AS.
  • charge carrier backscattering fields BSF are formed in the absorber layer AS, which reduce the recombination losses.
  • the contact grid KG is covered with an electrical insulation layer IS, so that no short circuit to the following full-surface emitter layer ES can occur.
  • a buffer layer PS may optionally be arranged between the absorber layer AS and the emitter layer ES. Between the emitter layer ES and the absorber layer AS, the charge carrier separating pn junction forms, the minority charge carriers of the absorber layer are driven into the emitter layer.
  • the contact layer KS for collecting the charge carriers from the emitter layer ES is applied over the entire surface of the emitter layer ES.
  • the example metallic contact layer KS also serves as a reflector layer RS for the unabsorbed photons.
  • the electrical contact (voltage V) takes place between the freely accessible contact layer KS and an exposed location of the contact grid KG.
  • FIG. 3 shows a fully processed solar cell SZ in cross-section (transverse to the contact fingers of the contact grid KG) (incidence of light represented by parallel arrows) with a front-side contact.
  • the planar contact layer KS is formed in the form of a transparent, conductive oxide layer TCO.
  • an optional metallic contact element KE is arranged on the front side OSK of the transparent contact layer KS. This improves the collection and dissipation of the charge carriers, since a transparent conductive oxide layer as a contact layer KS depending on their layer thickness in their electrical conductivity is not as effective as a metallic contact layer KS.
  • the contact element KE By using a contact element KE, it is possible to reduce the layer thickness of the TCO contact layer KS which is necessary for current dissipation.
  • the contact element KE is constructed and arranged congruent to the contact grid KG. It can for example consist of chromium / silver and is contacted electrically together with the contact layer KS.
  • a passivation layer PAS on the back side OSA of the absorber layer AS in the front side contacted solar cell SZ is not required if the material of the absorber layer AS has a lower electronic quality.
  • On the back side OSA of the absorber layer AS it is therefore possible to provide as backing layer DS, for example, a seed layer SS for optimized deposition of the absorber layer AS.
  • the seed layer SS may have previously been applied to a substrate SU.
  • an additional reflection layer RS reflecting the unabsorbed photons can also be provided as the cover layer DS.
  • FIG. 4 shows an exemplary interconnection of a plurality of single-contact solar cells SZ in a common solar cell module SZM (simplified in the rear side facing away from the subsequent incidence of light when contacting on the back, the entire contact layer KS lies over the contact grid KG, but the web ST of the contact grid KG is not covered by the contact layer KS).
  • the proposed concept of the unilaterally contacted solar cell SZ namely allows a technologically very simple series / parallel connection of the individual solar cells SZ to a solar cell module SZM.
  • This interconnection is particularly useful in the case of the use of crystalline silicon wafers as absorber layer AS for the solar cell SZ, since the process of series and parallel connection can be considerably simplified by the one-sided back contact.
  • the interconnection shown in FIG. 4 is an interconnection with solar cells SZ contacted on one side at the back.
  • solar cells SZ contacted on one side on the front side there is a small difference in the structure due to the fact that the webs ST of the contact grid KG and of the contact element KE do not lie one above the other, but face each other.
  • Other interconnection methods, in particular adapted to thin-film technology, are naturally also possible. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Bekannte einseitig kontaktierte Solarzellen mit beiden Kontaktierungssystemen auf einer Seite der Absorberschicht weisen bezüglich der Emitterschicht und der Kontaktierungssysteme besondere Strukturen auf, die aufwändige Strukturierungsschritte erforderlich machen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einseitige Kontaktierung, ohne eine Strukturierung der Absorberschicht oder der Emitterschicht vornehmen zu müssen. Es eignet sich gleichermaßen zur Herstellung von Vorder- oder Rückseitenkontaktierungen. Es sieht eine direkte Anordnung eines Kontaktgitters (KG) auf einer Seite der Absorberschicht (AS) vor (Vorderseitenkontaktierung, Rückseitenkontaktierung). Das Kontaktgitter (KG) wird anschließend auf seiner gesamten freien Oberfläche mit einer elektrisch nicht leitenden Isolationsschicht (IS) überzogen. Nachfolgend wird ganzflächig die Emitterschicht (ES) abgeschieden, sodass das Kontaktgitter (KG) zwischen der Absorberschicht (AS) und der Emitterschicht (ES) liegt. Die Emitterschicht (ES) wird dann flächig von einer Kontaktschicht (KS) belegt. Bei der Rückseitenkontaktierung ist die Emitterschicht (ES) ebenfalls auf der Rückseite (OSA) der Absorberschicht (AS) angeordnet, so dass zusätzliche Absorptionsverluste vermieden werden. Es können sowohl waferbasierte Dickschicht- als auch Dünnschicht-Solarzellen (HKS) hergestellt werden.

Description

Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle und einseitig kontaktierte Solarzelle
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle mit zumindest einer Absorberschicht und einer ganzflächig abgeschiedenen Emitterschicht aus Halbleitermaterialien mit gegensätzlicher p- oder n-typ Dotierung, wobei überschüssige Majoritäts- und Minoritäts-Ladungsträger in der Absorberschicht durch Lichteinfall erzeugt, am pn-Übergang zwischen Absorber- und Emitterschicht getrennt und die Majoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht über ein erstes Kontaktierungs- system und die Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht von der Emitterschicht und einem zweiten Kontaktierungssystem gesammelt und abgeleitet werden, wobei sich beide Kontaktierungssysteme auf derselben Solarzellenseite befinden, und auf eine einseitig kontaktierte Solarzelle.
Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Üblicherweise bestehen sie aus Halbleitermaterialien, die Bereiche oder Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit für positive und negative Ladungsträger, n-typ oder, p-typ leitende Bereiche, enthalten. Die Bereiche werden als Emitter und Absorber bezeichnet. Durch einfallendes Licht erzeugte positive und negative Überschuss-Ladungsträger werden am pn-Übergang zwischen Emitter und Absorber getrennt und können durch mit den jeweiligen Bereichen elektrisch leitend verbundenen Kontaktierungssystemen gesammelt und abgeführt werden. Zur nutzbaren elektrischen Leistung von Solarzellen tragen entsprechend nur solche überschüssigen Ladungsträger bei, die die Kontaktierungssysteme erreichen und nicht vorher mit einem jeweils gegenpoligen Ladungsträger rekombinieren. Einseitig kontaktierte Solarzellen weisen beide Kontaktierungssysteme zum getrennten Einsammeln der überschüssigen Majoritäts- und Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht auf einer gemeinsamen Seite auf. Dies hat zunächst grundsätzlich den Vorteil, dass nur eine Seite zur Kontaktierung bearbeitet werden muss, während die andere Seite hinsichtlich der Kontaktierung unbearbeitet bleibt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Vorderseitenkontaktierung" verwendet, wenn sich beide Kontaktierungssysteme auf der Vorderseite und damit der im späteren Einsatz lichtzugewandten Seite der Solarzelle befinden. Der Begriff „Rückseitenkon- taktierung" wird hingegen verwendet, wenn beide Kontaktierungssysteme auf der Rückseite und damit der im späteren Einsatz lichtabgewandten Seite der Solarzelle angeordnet sind. Wichtig bei der Anordnung der Kontaktierungssysteme ist jedoch immer in erster Linie ihrer Effizienz bei der Ladungsträgersammlung. Ist die Absorberschicht der Solarzelle von hinreichend guter elektronischer Qualität, d.h. ist die effektive Diffusionslänge der Minoritäts- Ladungsträger größer als die Schichtdicke der Absorberschicht, so sollten die stromabführenden Kontaktierungssysteme in der Regel vorteilhafterweise auf der im späteren Einsatz lichtabgewandten Seite der Solarzelle liegen (Rückseitenkontaktierung). Hieraus ergeben sich dann insbesondere die Vorteile, dass erstens keine Abschattungsverluste durch ein Kontaktierungs- system auftreten, was zu einer Effizienzverbesserung der Solarzelle führt, und zweitens eine gute einfache ganzflächige vorderseitige Passivierung der Vorderseite der Solarzelle möglich ist, um eine Rekombination der überschüssigen Ladungen an der Vorderseite effektiv und einfach zu verhindern. Ist die Absorberschicht jedoch von relativ geringer elektronischer Qualität, d.h. ist die effektive Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger kleiner als die Schichtdicke der Absorberschicht, so sollten die stromabführenden Kontaktierungssysteme vorteilhafterweise auf der Vorderseite der Solarzelle (Vorderseitenkontaktierung) liegen. Alle Minoritäts-Ladungsträger des Absor- bers, die in einer Tiefe generiert werden, die kleiner als die effektive Diffusionslänge des Absorbers ist, können dann zuverlässig gesammelt werden. Gegenüber der dann unvermeidbaren nachteiligen Beschattung durch zumindest ein Kontaktierungssystem besteht bei der einseitigen Vorderseitenkontaktierung ein bedeutsamer Vorteil dann in einem technologisch sehr einfachen Kontaktierungsverfahren, das insbesondere keine Rückseitenkontaktierung umfasst, und somit beispielsweise in der Dünnschichtabscheidung keine Strukturierung der Absorber- oder der Emitterschicht benötigt.
Stand der Technik
Einseitig vorderseitig kontaktierte Solarzellen sind bisher in Ermangelung eines technologisch einfachen und effizienten Herstellungsverfahrens kaum realisiert worden. Aus dem Stand der Technik sind hauptsächlich einseitige Rückseiten- kontaktierungen bekannt. Dabei ist sicherzustellen, dass das erste Kontaktierungssystem zur Sammlung der Majoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht von dem zweiten Kontaktierungssystem zur Sammlung der Minoritäts- Ladungsträger der Absorberschicht elektrisch zuverlässig isoliert ist. Aus dem Stand der Technik sind dazu verschiedene Konzepte zur Herstellung und zum Aufbau von einseitig rückseitenkontaktierten Solarzellen bekannt.
Ein Konzept der Rückseitenkontaktierung ist die Ausnutzung von Oberflächenerhebungen, beispielsweise aus der DE 41 43 083 A1 bekannt. Dabei sind das erste und zweite Kontaktierungssystem unmittelbar oder auf einer Isolationsschicht auf einer Erhebungen aufweisenden Substratfläche angeordnet, (beispielsweise pyramiden- , kegel- oder zylinderförmig ausgeprägt), wobei die Erhebungen zumindest bereichsweise zuvor mit Passivierungsmaterial abgedeckt und anschließend abschnittsweise zur Anbringung der Kontaktie- rungssysteme von diesem freigelegt worden sind. Weiterhin erstreckt sich entlang der Substratfläche zwischen den Kontaktierungssystemen eine Inversionsschicht zur Ableitung der Minoritäts-Ladungsträger der Absorber- schicht. Aus der DE 41 43 084 A1 ist es weiterhin bekannt, zunächst die gesamte strukturierte Substratoberfläche zu passivieren und die Passivie- rungsschicht anschließend im Bereich der Erhebungen wieder zu entfernen. Aus der DE 101 42 481 A1 ist es schließlich bekannt, diese Erhebungen in Form von Rippen auf der Unterseite des aktiven Halbleitersubstrats anzuordnen und je eine Rippenflanke durch gerichtetes Aufdampfen mit einem Kontaktierungssystem zu versehen. Teil dieses Konzepts ist also immer das Erzeugen von Erhebungen auf der Substratunterseite, die dann in unterschiedlicher Weise bearbeitet werden.
Ein anderes Konzept der Rückseitenkontaktierung ist die Punktkontaktierung (PC). Hier werden die beiden Kontaktierungssysteme auf der Rückseite in Form von Punkten sehr klein gehalten, um den Sättigungssperrstrom zu erniedrigen und damit die Leerlaufspannung der Solarzelle zu erhöhen. Eine extrem gute Oberflächenpassivierung spielt hierbei jedoch eine entscheidende Rolle. Aus der US 5.468.652 ist beispielsweise eine Punktkontaktierung bekannt, bei der mit einem Laser durch die Emitterschicht, die auf der Vorderseite der Absorberschicht angeordnet ist, und durch die Absorberschicht gebohrte Löcher mit dem zweiten Kontaktierungssystem auf der Substratunterseite kontaktiert werden. Dabei ist das zweite Kontaktierungssystem mit dem ersten Kontaktierungssystem zur Ableitung der Majoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht verschachtelt angeordnet. Aus der WO 03/019674 A1 ist eine Punktkontaktierung mit verschieden großen Kontaktlochdurchmessern, die rechteckigen Bereichen symmetrisch angeordnet sind, bekannt. Aus der DE 198 54 269 A1 , von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, ist weiterhin eine Punktkontaktsolarzelle bekannt, bei der das zweite Kontaktierungssystem zum Sammeln der Minoritäts- Ladungsträger der Absorberschicht gitterförmig ausgebildet und direkt auf der Rückseite der Absorberschicht vor einem elektrisch leitfähigen Substrat angeordnet ist. Das erste Kontaktierungssystem zum Sammeln der Majoritätsträger aus der Absorberschicht ist ganzflächig ausgebildet und auf der Rückseite eines elektrisch leitenden Substrats angeordnet. Das zweite Kontaktierungssystem zwischen Absorberschicht und Substrat ist auf beiden Seiten elektrisch isoliert. Die Verbindung zur Emitterschicht ergibt sich wiederum durch Bohrungen durch Emitter- und Absorberschicht, die als Kontaktlöcher mit einem Metall aufgefüllt sind (vergleiche Figur 6 ebenda). Die elektrische Kontaktierung des zweiten Kontaktierungssystems erfolgt über seitlich von der Solarzelle angeordnete Brücken. Auch bei der Punktkon- taktierung sind somit strukturierende Verfahrensschritte erforderlich.
Gleiches gilt für das dritte Konzept der interdigitalen Solarzelle (Interdigitated Back Contact IBC) mit einer Rückseitenkontaktierung, bei der das erste und zweite Kontaktierungssystem ebenfalls kammartig auf der Substratrückseite verschachtelt angeordnet sind und das beispielsweise aus der US 4.927.770, der US 2004/0200520 A1 , der DE 195 25 720 C2 oder der DE 100 45 246 A1 bekannt ist. Im Gegensatz zu der Punktkontaktsolarzelle ist aber die Emitterschicht, nicht durchgängig auf der im Einsatz lichtzugewandten Vorderseite der Absorberschicht angeordnet, sondern in kleinen Teilbereichen auf der im Einsatz lichtabgewandten Rückseite. Dort erfolgt eine Abwechslung mit Teilbereichen der gleichen, aber stärkeren Dotierung wie die Absorberschicht zur Ausbildung eines Minoritäts-Ladungsträger rückstreuenden Oberflächenfeldes (Back Surface Field BSF). Die Strukturierungsmaßnahmen erstrecken sich bei diesem Konzept daher auf die Ausprägung der Emitterschicht. Die elektrische Isolation der verschiedenen Teilbereiche gegeneinander ist dabei ein gewichtiges Problem.
Weiterhin ist aus der DE 696 31 815 T2 eine waferbasierte rückseitenkon- taktierte kristalline Homo-Solarzelle bekannt, bei der eine Strukturierung der Emitterschicht durch Gegendotierung der Absorberschicht erfolgt. Die Gegendotierung erfolgt durch Dotanden aus einem Kontaktgitter. Dabei ist das eine Kontaktsystem in Form eines Kontaktgitters auf der Emitterschicht angeordnet, mit einer Isolationsschicht ummantelt und von dem anderen Kontaktsystem bedeckt. Die beiden Kontaktsysteme sind somit direkt übereinander gelagert und nur von einer Isolationsschicht getrennt. Der Emitter ist nicht als eigenständige funktionelle Schicht ausgebildet, sondern als integrierte kleine Bereiche in dem Halbleitermaterial (kristallines Silizium) der Absorberschicht durch Gegendotierung ausgebildet, es handelt sich also um eine Homo-Solarzelle. Die Isolationsschicht auf dem Metallgitter kann in selbstausrichtender Weise z.B. durch ein selektives Oxid, beispielsweise Aluminiumoxid, ausgebildet werden. Die tieferreichenden Emitterbereiche werden unter hoher Temperatureinwirkung durch Diffusion von Anteilen des Metallgitters und Ausbildung einer Legierung im Halbleitermaterial (Gegendotierung) rückseitig im Halbleitermaterial der Absorberschicht bzw. in einer vorher rückseitig eindiffundierten BSF Schicht ausgebildet. Das Kontaktgitter ist somit immer auf den Emitterbereichen angeordnet. Durch die Gegendotierung ist die Ausbildung eines scharfen p/n Übergangs zwischen zwei gegensätzlich dotierten Halbleiterschichten nicht möglich. Die Diffusionsvorgänge für die Gegendotierung benötigen hohe Temperaturen und sind schwer zu regeln. Dies alles ist wirkungsgradbegrenzend für die bekannten Homo-Solarzellen.
Schließlich ist aus der DE 198 19 200 A1 , die sich wie die vorliegende Erfindung grundsätzlich mit dem Kontaktierungsproblem beschäftigt, eine einseitige Vorderseitenkontaktierung bekannt, bei der die Emitterschicht und beide Kontaktierungssysteme fingerförmig strukturiert sind (vergleiche Figur 4 ebenda). Weiterhin wird eine Einseitenkontaktierung durch Ätzstrukturieren von Gräben- oder Löchern und Aufbringen von Metallisierungen durch Schattenmasken hindurch aufgezeigt. Aus der DE 197 15 138 A1 ist es weiterhin bekannt, Solarzellen mit einer Vorderseitenkontaktierung durch Strukturierung beider Kontaktierungssysteme und der Emitterschicht in Reihe zu schalten, in dem die Stege der kammartigen Kontaktierungssysteme miteinander entsprechend elektrisch leitend verbunden sind. Derartige Reihenoder Parallelschaltungen mit rückseitig kontaktierten Solarzellen sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Aufgabenstellung
Die Aufgabe für die Erfindung ist darin zu sehen, ein Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle anzugeben, das in einfacher Weise ohne aufwändige Strukturierungsmaßnahmen sowohl für die Kontaktierungs- systeme als auch für die einzelnen Solarzellenschichten auskommt. Dabei soll jedoch trotzdem eine zuverlässig arbeitende Solarzelle mit einer guten elektrischen Trennung der beiden Kontaktierungssysteme und einem möglichst hohen Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt werden. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Verfahrensanspruch und dem nebengeordneten Erzeugnisanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen werden in den jeweils zugeordneten Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Einseitenkontaktierung erzielt, ohne dass dabei die Absorber- oder Emitterschicht strukturiert werden muss. Dazu wird das erste Kontaktierungssystem in Form eines Kontaktgitters direkt auf eine Seite der Absorberschicht aufgebracht, sodass sich ein guter ohmscher Kontakt ausbildet. Die Kontaktfläche des Kontaktgitters zur Absorberschicht ist dabei so bemessen, dass es den zu erwartenden Strom optimal abführen kann. Die Gesamtfläche des Kontaktgitters beträgt dazu in der Regel weniger als 5% der Absorberfläche. Anschließend wird das Kontaktgitter auf seiner gesamten freien, nicht mit der Absorberschicht in Berührung stehenden Oberfläche durch Aufbringen einer Isolationsschicht elektrisch isoliert. Dabei weist diese Isolationsschicht mindestens eine solche minimale Schichtstärke auf, dass auch das Durchtunneln von Ladungsträgern sicher verhindert ist. Weiter unten werden verschiedene Wege zum Aufbringen der Isolationsschicht aufgezeigt. Die elektrische Kontaktierung des Kontaktgitters kann durch seitlich angeordnete Stege oder durch Aussparen (beispielsweise per Schattenmaske) eines Anschlussbereiches auf dem
Kontaktgitter während der Abscheidung der Emitterschicht und Freilegen des Anschlussbereiches durch Entfernen (beispielsweise durch mechanisches Abkratzen) der nachfolgend erzeugten Isolationsschicht erfolgen.
Nach der elektrischen Isolierung des Kontaktgitters wird ganzflächig die Emitterschicht auf das Kontaktgitter aufgebracht, sodass das Kontaktgitter zwischen Absorber- und Emitterschicht liegt. Die Schichtstärke der aufgebrachten Emitterschicht ist dabei so bemessen, dass die Minoritäts- Ladungsträger der Absorberschicht auf die absorberschichtabgewandte Rückseite der Emitterschicht gelangen können, ohne dass sie dabei nennenswerte ohmsche Verluste erleiden. Insbesondere kann auch eine Emitterdünnschicht aufgebracht werden. Je nach Schichtdicke von Emitterschicht und Kontaktgitter kann sich also entweder eine geschlossene ganzflächige Emitterschicht (Schichtdicke der Emitterschicht ist größer als die Schichtdicke von Kontaktgitter und Isolationsschicht), die das Kontaktgitter vollständig überdeckt, oder aber eine unterbrochene Emitterschicht (Schichtdicke der Emitterschicht ist kleiner als die Schichtdicke von Kontaktgitter und Isolationsschicht) ergeben, die das Kontaktgitter nicht vollständig überdeckt. Bei einer derartigen Unterbrechung der Emitterschicht handelt es sich aber nicht um eine aufwändige Strukturierung, sondern um eine sich durch die Schichtstärkenwahl zwangsläufig ergebende Folge einer einfachen, ganzflächigen Emitterabscheidung. Weiterhin besteht die Emitterschicht aus einem solchen Material, dass zur Absorberschicht ein gut passivierender pn-Übergang aufgespannt wird, wobei eine maximale Grenzflächen-Rekombinationsrate der Ladungsträger von 105 Rekombina- tionen/cm2s einzuhalten ist. Anzustreben ist aber eine Grenzflächen- Rekombinationsrate von beispielsweise 102 Rekombinationen/cm2s. Ausführungsformen der Emitterschicht siehe weiter unten.
Das zweite Kontaktierungssystem zur Ableitung der Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht aus der Emitterschicht wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anschließend als unstrukturierte Kontaktschicht auf der Rückseite der Emitterschicht angeordnet, sodass ein guter ohmscher Kontakt entsteht. Dabei kann die Kontaktschicht ganzflächig oder durch Anwendung von Maskentechnik teilflächig ausgebildet sein und in einfacher Weise, beispielsweise durch Applizieren eines Metallkontaktes oder durch Aufdampfen, aufgebracht werden. Das elektrische Kontaktieren der Kontaktschicht kann aufgrund ihrer direkten Zugänglichkeit ohne weitere Maßnahmen direkt erfolgen.
Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich in gleicher Weise zur Herstellung einer einseitigen Vorderseiten- oder Rückseitenkontaktierung einer Solarzelle. Weiter oben wurde bereits ausgeführt, dass die Wahl der einseitigen Kontaktierung von der elektronischen Qualität der Absorberschicht abhängt. Ist diese gut, ist eine Rückseitenkontaktierung wegen der geringeren Abschattungsverluste vorzuziehen. Ist die elektronische Qualität jedoch schlecht, sollte einer Vorderseitenkontaktierung der Vorzug gegeben werden.
Eine Rückseitenkontaktierung ergibt sich, wenn der Verfahrensschritt Il - Aufbringen des Kontaktgitters zum Sammeln der Majoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht - auf der Rückseite der Absorberschicht durchgeführt wird. Dabei ist auch die Emitterschicht auf der Rückseite der Absorberschicht angeordnet, wodurch die normalerweise auftretenden Absorptionsverluste durch eine auf der Vorderseite der Absorberschicht angeordnete Emitterschicht vermieden werden. Da nunmehr keine Passivierung der Absorberschicht auf der Vorderseite durch die Emitterschicht mehr erfolgt, ist dort die Absorberschicht in einem weiteren Verfahrensschritt A nach dem Verfahrens- schritt I - Bereitstellen der Absorberschicht - durch eine entsprechend transparente Deckschicht zu passivieren. Dabei dient die passivierende Deckschicht, die beispielsweise aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid bestehen kann, sowohl der Oberflächen-Rekombinationsverringerung (durch direkte Passivierung der Oberflächen-Defekte oder durch Ausbildung eines Minoritäts- Ladungsträger rückstreuenden Oberflächenfelds, Front Surface Field FSF) als auch der Verminderung der Reflexion einfallenden Lichts in Form einer Antireflexschicht. Eine Vorderseitenkontaktierung wird erreicht, wenn der Verfahrensschritt Il auf der Vorderseite der Absorberschicht durchgeführt wird. Entsprechend ist bei der Vorderseitenkontaktierung dann die Kontaktschicht zur Ableitung der Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht aus der Emitterschicht, die ebenfalls auf der späteren Lichteinfallsseite angeordnet ist, transparent auszuführen, beispielsweise in Form einer transparenten leitenden Oxidschicht, TCO. Ob auf die Rückseite der Absorberschicht eine Deckschicht aufzubringen ist (Verfahrensschritt B), hängt wiederum von deren elektronischer Qualität ab. Ist diese gut, ist eine Passivierungsschicht zur Vermeidung von Ladungsträgerrekombination erforderlich. Zudem ist gegebenenfalls eine Reflexionsschicht zur Reflexion der nicht absorbierten Photonen förderlich. Ist die elektronische Qualität der Absorberschicht hingegen schlecht, erreichen die Minoritäts-Ladungsträger nicht die Absorberschichtrückseite, sodass hier keine weiteren Maßnahmen zu treffen sind. Da dann die Rückseite der Absorberschicht keine passivierende Deckschicht benötigt, können beispielsweise sehr defektreiche Anfangsschichten (Saatschichten) zum Aufwachsen der Absorberschicht und/oder Reflexionsschichten zur Reflexion der nicht absorbierten Photonen als Deckschichten eingesetzt werden. Zur Verbesserung der Ladungs- trägersammlung auf der Vorderseite kann ein weiterer Verfahrensschritt C nach dem Verfahrensschritt V - Aufbringen der Kontaktschicht - vorgesehen sein. Hierbei handelt es sich um das Aufbringen eines Kontaktelements auf die Vorderseite der transparenten Kontaktschicht. Damit die Abschattungsverluste minimiert werden, ist es vorteilhaft, wenn Kontaktelement und Kontaktgitter kongruent aufgebaut sind und direkt übereinander positioniert werden.
Das Aufbringen des Kontaktgitters - wobei unter dem Begriff „Gitter" auch fingerförmige oder ähnliche Ausprägungen verstanden werden - kann in vorgefertigter Form direkt auf die Absorberschicht beispielsweise mittels eines Leitklebers aufgebracht werden. Weiterhin kann das Kontaktgitter selektiv direkt auf der Absorberschicht durch einfachen Siebdruck oder unter Anwendung einer entsprechenden Maske durch thermisches Verdampfen eines elektrisch leitfähigen Materials erfolgen. Anwendung von Tintenstrahldruck oder Photolithographie ist ebenfalls möglich.
Um unter dem Kontaktgitter unerwünschte Rekombinationen der Minoritäts- Ladungsträger zu vermeiden, kann ein zusätzlicher Verfahrensschritt F nach dem Verfahrensschritt Il - Aufbringen des Kontaktgitters auf die Absorberschicht - vorgesehen sein. Hierbei handelt es sich um das Eintempern des leitenden Materials, beispielsweise Aluminium, aus dem Kontaktgitter in die darunter liegende Absorberschicht, beispielsweise p-dotiertes Silizium, zur Ausbildung eines rückseitigen Passivierungsfelds (Back-Surface-Field BSF, alneal-Prozess). Insbesondere kann dieser thermische Schritt verbunden werden mit dem thermischen Schritt zur Ausbildung einer elektrisch isolierten Isolationsschicht auf dem Kontaktgitter (siehe nächster Absatz).
Zum Aufbringen der Isolationsschicht auf die freie Oberfläche des Kontaktgitters gemäß Verfahrensschritt III kann beispielsweise eine isolierende Masse selektiv unter Anwendung von Sieb- oder Tintenstrahldruck oder einer Maske, insbesondere einer Schattenmaske, Sputtern, Gasphasenabscheidung oder Photolithographie aufgebracht werden. Alternativ kann auch auf der gesamten freien Oberfläche von Kontaktgitter und Absorberschichtrückseite thermisch oder nasschemisch oder elektrochemisch eine Oxidschicht aufgewachsen werden (Verfahrensschritt D). Hierbei bildet sich aufgrund der für Kontaktgitter und Absorberschicht unterschiedlich gewählten Materialien eine unterschiedliche Oxidschicht aus. Bei einem Kontaktgitter beispielsweise aus Aluminium entsprechend Aluminiumoxid, bei einer Absorberschicht aus Silizium im Falle einer Sauerstoff-Temperung thermisches Siliziumoxid. Im Beispiel einer Sauerstoff-Temperung kann bei dem System Aluminium-Kontaktgitter auf Silizium-Absorberschicht ein ca. 20 nm dickes Aluminiumoxid an der gesamten freien Oberflächen des Kontaktgitters und ein ca. 5 nm dickes Siliziumoxid an der Oberfläche der nicht vom Kontaktgitter bedeckten Absorberschicht erwartet werden. Im Falle der thermischen Erzeugung der Oxidschicht kann dieser Vorgang zusammen mit dem Verfahrensschritt F - Eintempern des leitenden Materials des Kontaktgitters in die Absorberschicht zur Bildung eines BSF - in einem temperaturgesteuerten Heizprozess durchgeführt werden.
Das anschließende selektive Ätzen der Oxidschicht auf der Absorberschicht (Verfahrensschritt E) ist entsprechend problemlos durchzuführen, da die unterschiedlichen Oxide in der Regel unterschiedliche Ätzraten im Ätzprozess aufweisen. Insbesondere ist, bei einem entsprechend gewählten Ätzmedium, ein Metalloxid ätzresistenter als ein Siliziumoxid. Im Materialbeispiel von Aluminium und Silizium, das dann entsprechend auch für die Emitterschicht verwendet wird, kann das selektive Ätzen beispielsweise durch einfaches kurzzeitiges Eintauchen in verdünnte Flusssäure HF umgesetzt werden. Die Flusssäure entfernt hierbei nicht nur selektiv das Silizium-Oxid, sondern gewährleistet gleichzeitig eine gute Oberflächenpassivierung der Absorberschicht aus Silizium durch Ausbildung von Si-H-Bindungen. Das Ätzmittel kann also so gewählt werden, dass nach der Entfernung des Oxids auf der Absorberschicht diese an ihrer freigelegten Oberfläche gut passiviert wird.
Häufig werden bei Hetero-Solarzellen Pufferschichten zwischen der Emitter- und der Absorberschicht eingesetzt, um die Grenzfläche zwischen Emitter und Absorber besser zu passivieren. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn ein weiterer optionaler Verfahrensschritt G nach dem Verfahrensschritt III - Erzeugen der Isolationsschicht auf dem Kontaktgitter - vorgesehen ist. Hierbei handelt es sich entsprechend um das optionale, ganzflächige Abscheiden einer Pufferschicht in geringstmöglicher Schichtdicke. Im Fall von dotierten amorphem Silizium als Emittermaterial auf einem kristallinen Silizium-Wafer als Absorber kann die Pufferschicht beispielsweise als ultradünne (ca. 5nm) Schicht aus intrinsischen (undotiertem) amorphem Silizium bestehen. Pufferschichten können aber auch von einem Salz, beispielsweise aus Cäsium- chlorid, gebildet werden. Es wird dann ein entsprechender Oberflächendipol aufgespannt und ebenfalls die Grenzflächen-Rekombination am pn-Übergang unterdrückt. Durch das zuvor beschriebene Verfahren nach der Erfindung kann eine hocheffiziente Solarzelle sowohl als auf einem Wafer als Absorberschicht basierende Dickschichtzelle als auch als Dünnschichtzelle mit einem auf einem Substrat oder Superstrat aufgewachsenen Schichtenverbund mit einer ausschließlich einseitigen Kontaktierung hergestellt werden. Zu beachten ist dabei, dass bei einem selbsttragenden Wafer als Absorberschicht eine beliebige Bearbeitung beider Seiten erfolgen kann. Bei einem Dünnschichtaufbau muss hingegen immer eine sequenzielle Prozessierung, beginnend bei dem Substrat (Lichteinfall zuerst durch die funktionellen Schichten) oder Superstrat (Lichteinfall zuerst durch das Superstrat) erfolgen, da die dünne Absorberschicht nicht trägt. Die Reihenfolge der Verfahrensschritte kann sich deshalb zwischen der Herstellung einer Wafer- oder einer Dünnschicht- Solarzelle ändern. Die einzelnen Verfahrensschritte an sich bleiben aber in unveränderter Form bestehen. Grundsätzlich ist somit eine Solarzelle nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Kontaktierungssystem ein bezüglich der Sammlung der Majoritäts-Ladungsträger der Absorbersicht flächenoptimiertes und gegenüber der Emitterschicht mittels einer Isolationsschicht elektrisch isoliertes Kontaktgitter zwischen der Absorberschicht und der Emitterschicht und als zweites Kontaktierungssystem eine flächige Kontakt- schicht auf der absorberschichtabgewandten Seite der Emitterschicht angeordnet ist, wobei die Emitterschicht aus einem Halbleitermaterial besteht, das zur Absorberschicht einen mit einer maximalen Grenzflächen- Rekombinationsrate der überschüssigen Ladungsträger von 105 Rekombinationen/cm^ passivierenden pn-Übergang aufspannt. Eine auf diese Weise rückseitenkontaktierte Solarzelle zeigt zudem eine neuartige Schichtstrukturgeometrie auf, da sie eine durchgängige Emitterschicht auf der Rückseite der Absorberschicht aufweist.
Absorber- und Emitterschicht können bevorzugt aus Silizium bestehen. Dabei kann eine Heterokontaktsolarzelle gebildet werden, wenn kristallines Silizium, insbesondere mit n- oder p-typ Dotierung (n/p c-Si), für die Absorberschicht und amorphes, mit Wasserstoff angereichertes Silizium, entsprechend mit p- oder n-typ Dotierung (p/n a-Si:H), für die Emitterschicht eingesetzt werden. Eine optional vorhandene Pufferschicht zwischen Absorber- und Emitterschicht kann ebenfalls bevorzugt aus amorphem Silizium, allerdings undotiert, bestehen. Ein derartiges Materialsystem gewährleistet einen besonders gut passivierten pn-Übergang zur Ladungstrennung. Alle Kontaktierungssysteme können in diesem Fall bei einer Rückseitenkontaktierung aus Aluminium bestehen. Bei einer Vorderseitenkontaktierung muss die Kontaktschicht aus einem transparenten Leitmaterial bestehen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich weiterer Ausführungsformen der einseitig kontaktierten Solarzelle nach der Erfindung auf den speziellen Beschreibungsteil verwiesen.
Ausführungsbeispiele
Das Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle und eine solche Solarzelle selbst nach der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in den schematischen, nicht maßstabsgerechten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 den schematischen Ablaufplan des Verfahrens,
Figur 2 eine rückseitenkontaktierte Solarzelle im Querschnitt, Figur 3 eine vorderseitenkontaktierte Solarzelle im Querschnitt und Figur 4 eine Modulverschaltung mehrerer einseitig kontaktierter Solarzellen in der Draufsicht.
Das Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle kann gleichermaßen zur Erzeugung einer Vorderseiten- wie auch einer Rückseitenkontaktierung eingesetzt werden. Dabei wird im Folgenden die Vorderseite OSZ der Solarzelle SZ als die im späteren Betrieb für den Lichteinfall vorgesehene Seite und die Rückseite OSA der Solarzelle SZ als die im späteren Betrieb nicht für den Lichteinfall vorgesehene Seite der Solarzelle SZ definiert. Gleiches in Bezug auf den Lichteinfall gilt für andere Komponenten.
In der Figur 1 wird anhand eines schematischen Ablaufplans (Solarzelle im Querschnitt dargestellt) die Herstellung einer rückseitenkontaktierten Solarzelle SZ erläutert. Die Herstellung einer vorderseitenkontaktierten Solarzelle erfolgt in analoger Weise. Die Herstellung einer Solarzelle SZ mit einer Absorberschicht AS aus kristallinem Silizium mit p-typ Dotierung (p c-Si), einer Emitterschicht ES aus amorphem, mit Wasserstoff angereichertem Silizium mit n-typ Dotierung (n a-Si:H) und Aluminium für das Kontaktgitter KG und die Kontaktschicht KS, wird beispielhaft aufgezeigt. Bei einer derartigen Materialwahl, durch die die Solarzelle SZ als Heterokontaktsolarzelle HKS (vergleiche Figur 2) ausgebildet wird, kann der Aluminium/Silizium-Kontakt auf bekannte Weise durch eine kurzzeitige Temperung ein lokales Ladungsträger rückstreuendes Gebiet BSF mit hoch p-dotiertem Silizium ausbilden, sodass die Rekombination am Kontaktgitter KG minimiert werden kann (alneal- Prozess).
Verfahrensschritt I Auswahl und Bereitstellen einer geeigneten Absorberschicht AS. Hierbei kann es sich um einen Siliziumwafer, aber auch um eine mittels Dünnfilm-Technologie aufgewachsene Siliziumdünnschicht handeln. Bevorzugt kann es sich um kristallines Silizium in p-typ Dotierung handeln (p c-Si). Der spätere Lichteinfall in die Vorderseite OSZ der Absorberschicht AS, die dem Licht zugewandt ist, ist durch Pfeile dargestellt, diese sind in Figur 1 unterhalb der Absorberschicht AS dargestellt. Die Vorderseite OSZ der Absorberschicht kann bei Bedarf texturiert werden, um die Lichteinkopplung zu verbessern. Dies gilt im Falle einer waferbasierten Solarzelle auch für die Rückseite OSA der Absorberschicht. Verfahrensschritt A
Passivierung der Vorderseite OSZ der Absorberschicht AS mit einer Deckschicht DS aus Silizium-Oxid oder Silizium-Nitrid nach einem Standardverfahren. Dabei kann die Deckschicht DS eine Doppelfunktion haben, da sie neben der Passivierung (Passivierungsschicht PAS) noch die Reflexion (Antireflexionsschicht ARS) des einfallenden Lichts vermindert. Das Aufbringen von zwei oder mehreren Deckschichten DS mit getrennten Funktionen ist ebenfalls möglich.
Verfahrensschritt Il
Aufbringen eines Kontaktgitters KG aus Aluminium auf die Rückseite OSA der Absorberschicht AS. Das Aufbringen des Kontaktgitters KG kann durch thermisches Verdampfen durch eine Abdeckmaske, durch einfachen Siebdruck, durch Tintenstrahldruck oder aber durch Photolithographie erfolgen.
Verfahrensschritt F
Eintempern (in der Figur 1 angedeutet durch vertikal geschlängelte Pfeile) des Aluminiums des Kontaktgitters KG in die Absorberschicht AS (alneal-Prozess). Hierdurch bilden sich lokale Ladungsträger rückstreuende Gebiete BSF unter dem AI-Kontaktgitter KG aus. Gegebenfalls kann zur Erzeugung der BSF auch der Verfahrensschritt A mit den Verfahrensschritten Il und F vertauscht werden. Beim Verfahrensschritt F handelt es sich zwar um eine Option, durch den aber der Wirkungsgrad der Solarzelle SZ noch weiter erhöht werden kann. Der Verfahrensschritt F kann in einem gemeinsamen Heizprozess mit Verfahrensschritt D durchgeführt werden.
Verfahrensschritt III
Erzeugen einer elektrisch nicht leitenden Isolationsschicht IS auf dem Kontaktgitter KG auf seiner gesamten freien Oberfläche. Dabei muss die Isola- tionsschicht IS mindestens eine solche Schichtstärke aufweisen, dass das Tunneln von Ladungsträgern sicher verhindert wird. Durch diese Isolations- maßnähme ist eine zuverlässige Isolierung der beiden Kontaktierungssysteme gegeneinander gewährleistet. Die Isolationsschicht IS kann in einfacher Weise durch Aufbringen einer Isolationsmasse beispielsweise durch Sieb- oder Tintenstrahldruck, Maskentechnik, Sputtern, Gasphasenabscheidung oder Photolithographie erzeugt werden. Alternativ kann aber auch eine isolierende Oxidschicht OX gemäß Verfahrensschritt D (Aluminiumoxid AI2O3 und Siliziumoxid SiO2) erzeugt werden, bei der dann das Siliziumoxid auf der Absorberschicht AS gemäß Verfahrensschritt E auf der Absorberschicht AS anschließend wieder selektiv entfernt wird.
Verfahrensschritt D
Aufoxidieren der Oberfläche des AI-Kontaktgitters KG, z.B. durch Tempern in einer Sauerstoff-Atmosphäre (in der Figur 1 angedeutet durch vertikal geschlängelte Pfeile). Es entsteht dann ein ca. 30 nm dickes Aluminiumoxid AI2O3 und ein ca. 5 nm dickes Siliziumoxid SiO2, zumindest wenn der Verfahrensschritt F nicht durchgeführt wird. Ein nass- oder elektrochemisches Aufwachsen der Oxidschicht OX ist ebenfalls möglich.
Verfahrensschritt E Selektives Abätzen des Siliziumoxids (in der Figur 1 angedeutet durch kleine aufwärts zeigende Pfeile) im Bereich der Absorberschicht AS, beispielsweise mittels Eintauchen in verdünnte Flusssäure (HF-Dip). Flusssäure ätzt Siliziumoxid sehr stark, jedoch Aluminiumoxid kaum, sodass beim Eintauchen nur selektiv das Siliziumoxid entfernt wird. Entfällt Verfahrensschritt F, so ist das Siliziumoxid zudem noch dünner als das Aluminiumoxid. Wird Siliziumnitrid als passivierende Deckschicht DS verwendet, so ist diese ebenfalls inert gegen das Ätzen mit Flusssäure. Wird hingegen thermisches Siliziumoxid als Deckschicht DS eingesetzt, so muss die Ätzrate so gewählt werden, dass einerseits das Siliziumoxid auf der Vorderseite OSZ der Absorberschicht AS (ca. 200 nm) noch erhalten bleibt, andererseits aber das Siliziumoxid an der Rückseite OSA der Absorberschicht AS (ca. 5 nm) vollständig entfernt wird. Durch den HF-Dip wird nicht nur das rückseitige Siliziumoxid entfernt, sondern zudem die Siliziumoberfläche über sich ausbildende Si-H Bindungen gut passiviert.
Verfahrensschritt G Optionales, ganzflächiges Abscheiden einer ultradünnen Pufferschicht PS, im gewählten Ausführungsbeispiel intrinsisches, hydrogeniertes, amorphes Silizium i a-Si:H, beispielsweise durch plasmagestützte Gasphasenab- scheidung (PECVD). Dabei dient die Pufferschicht PS der Passivierung der Grenzfläche (pn-Übergang) zwischen Absorberschicht AS und Emitterschicht ES und verringert dadurch die Rekombination. Für diesen Zweck kann sie in geringstmöglicher Schichtdicke, beispielsweise 5 nm, aufgebracht werden.
Verfahrensschritt IV
Ganzflächiges Abscheiden der dünnen Emitterschicht ES beispielsweise durch plasmagestützte Gasphasen-Abscheidung (PECVD) eines Dünnschicht- Emitters aus n-dotiertem, hydrogeniertem amorphen Silizium, n a-Si:H. Eine Abscheidung durch Sputtern oder thermisches Verdampfen ist ebenfalls möglich. Da sich die dünne (minimal ca. 5 nm, um noch einen pn-Übergang aufspannen zu können) Emitterschicht ES beim Aufbau einer Rückseiten- kontaktierung auf der Rückseite OSA der Absorberschicht AS befindet, kann sie auch ohne nennenswerte Rekombinationsverluste dicker abgeschieden werden (z.B. 50 nm statt 5 nm), und so eine vollständige Bedeckung der Absorberschicht AS trotz der vergleichsweise großen Dimensionen des Kontaktgitters KG (ca. 1 μm hoch) gewährleisten. Bei diesen Schichtdicken- Verhältnissen ergibt sich eine Unterbrechung der Emitterschicht ES im Bereich des Kontaktgitters KG. Dies hat aber keinen Einfluss auf die Funktionsweise der Solarzelle SZ. In den Figuren ist eine lückenlose Bedeckung des Kontaktgitters KG durch die Emitterschicht ES dargestellt, die Emitterschicht ES ist dort also dicker gewählt als das Kontaktgitter KG und die Isolationsschicht IS zusammen. Zu der Absorberschicht AS spannt die
Emitterschicht ES einen Ladungsträger trennenden pn-Übergang auf. Dabei hat die Emitterschicht ES eine solche maximale Schichtstärke, das die Ladungsträger auf die absorberschichtabgewandte Seite OSE der Emitterschicht ES ohne nennenswerte ohmsche Verluste gelangen können.
Verfahrensschritt V
Aufbringen des zweiten Kontaktierungssystems in Form einer flächigen Kontaktschicht KS auf die absorberschichtabgewandte Rückseite der Emitterschicht ES. Beispielsweise kann eine ganzflächige metallische Kontaktierung durch thermische Verdampfung von Aluminium erfolgen.
Verfahrensschritt VI
Kontaktierung des Kontaktgitters KG und der Kontaktschicht KS. Durch die freie Zugänglichkeit der Kontaktschicht KS kann diese ohne weiteres an beliebiger Stelle elektrisch kontaktiert werden. Das Kontaktgitter KG kann direkt kontaktiert werden, indem beim Abscheiden der Emitterschicht ES gemäß Verfahrensschritt IV und beim Aufdampfen der rückwärtigen Kontaktschicht KS jeweils durch Anwendung einer Maske ein kleiner Bereich oberhalb des Kontaktgitters KG ausgespart wird. In diesem Bereich wird anschließend die Isolationsschicht IS entfernt (z.B. durch mechanische Zerstörung, wie z.B. Ankratzen der 30 nm dünnen Aluminiumoxidschicht), sodass eine elektrische Zuführung an das Kontaktgitter KG herangeführt werden kann.
Alternativ kann das Kontaktgitter KG einen kammartigen Steg ST an der Außenseite der Solarzelle aufweisen, der bei der Erzeugung der Emitterschicht ES und der Kontaktschicht KS zur Hälfte abgedeckt ist. Dieser Steg ST kann dann nach Entfernen der Isolationsschicht IS elektrisch kontaktiert werden (in der Figur 1 alternativ in Verfahrensschritt VI rechts dargestellt). Verfahrensschritt H
Optional kann noch eine weiterer Verfahrensschritt H nach dem Verfahrensschritt IV vorgesehen ist: Reinigen der nicht vom Kontaktgitter KG bedeckten Oberfläche der Absorberschicht AS. In der Praxis sollte aber die Oberfläche der Absorberschicht AS immer kurz vor der a-Si:H Abscheidung der Emitterschicht ES gereinigt bzw. freigelegt werden (kurzer HF-Dip), um eine gute Grenzfächenpassivierung der Absorberschicht AS unmittelbar vor der Emitterabscheidung und damit einen guten Wirkungsgrad der HeteroSolarzelle HKS zu gewährleisten. Der HF-Dip entfernt dann entweder das immer auf einer länger als 30 min gelagerten Silizium-Oberfläche vorhandene natürliche Siliziumoxid oder aber auch das durch den Isolationsprozess des Kontaktgitters KG entstandene thermische/elektrochemische Siliziumoxid.
In der Figur 2 ist die fertig prozessierte Solarzelle SZ im Querschnitt (quer zu den Kontaktfingern des Kontaktgitters KG) (Lichteinfall durch parallele Pfeile dargestellt) mit einer Rückseitenkontaktierung dargestellt. Auf der Vorderseite OSZ der Absorberschicht AS ist die doppeltfunktionelle Deckschicht DS angeordnet. Auf der Rückseite OSA der Absorberschicht AS befindet sich das Kontaktgitter KG zum Sammeln der Majoritäts-Ladungsträger aus der Absorberschicht AS. Unterhalb des Kontaktgitters KG sind in der Absorberschicht AS Ladungsträger rückstreuende Felder BSF ausgebildet, die die Rekombinationsverluste verringern. Das Kontaktgitter KG ist mit einer elektrischen Isolationsschicht IS überzogen, sodass kein Kurzschluss zu der nachfolgenden ganzflächigen Emitterschicht ES auftreten kann. Zwischen Absorberschicht AS und Emitterschicht ES kann optional eine Pufferschicht PS angeordnet sein. Zwischen der Emitterschicht ES und der Absorberschicht AS bildet sich der Ladungsträger trennende pn-Übergang aus, die Minoritäts- Ladungsträger der Absorberschicht werden in die Emitterschicht getrieben. Auf der Emitterschicht ES ist ganzflächig die Kontaktschicht KS zum Sammeln der Ladungsträger aus der Emitterschicht ES aufgebracht. Die beispielsweise metallische Kontaktschicht KS dient gleichzeitig als Reflektorschicht RS für die nicht absorbierten Photonen. Die elektrische Kontaktierung (Spannung V) erfolgt zwischen der frei zugänglichen Kontaktschicht KS und einer freigelegten Stelle des Kontaktgitters KG.
In der Figur 3 ist eine fertig prozessierte Solarzelle SZ im Querschnitt (quer zu den Kontaktfingern des Kontaktgitters KG) (Lichteinfall durch parallele Pfeile dargestellt) mit einer Vorderseitenkontaktierung dargestellt. Auf der Vorderseite OSZ der Absorberschicht AS ist hierbei die flächige Kontaktschicht KS in Form einer transparenten, leitfähigen Oxidschicht TCO ausgebildet. Der darunter liegende Aufbau entspricht dem Aufbau der Solarzelle SZ mit Rückseiten- kontaktierung gemäß Figur 2. Im Unterschied dazu ist bei der vorderseitig kontaktierten Solarzelle SZ gemäß Figur 3 auf der Vorderseite OSK der transparenten Kontaktschicht KS ein optionales metallisches Kontaktelement KE angeordnet. Dieses verbessert die Sammlung und Ableitung der Ladungsträger, da eine transparent-leitfähige Oxidschicht als Kontaktschicht KS in Abhängigkeit von ihrer Schichtdicke in ihrer elektrischen Leitfähigkeit nicht so effektiv ist wie eine metallische Kontaktschicht KS. Unter Verwendung eines Kontaktelements KE kann die zur Stromabführung notwendige Schichtdicke der TCO-Kontaktschicht KS reduziert werden. Zur Minimierung der Beschattung ist das Kontaktelement KE kongruent zum Kontaktgitter KG aufgebaut und angeordnet. Es kann beispielsweise aus Chrom/Silber bestehen und wird zusammen mit der Kontaktschicht KS elektrisch kontaktiert.
Weiterhin im Unterschied zu der rückseitig kontaktierten Solarzelle SZ ist eine Passivierungsschicht PAS auf der Rückseite OSA der Absorberschicht AS bei der vorderseitig kontaktierten Solarzelle SZ nicht erforderlich, wenn das Material der Absorberschicht AS eine geringere elektronische Qualität aufweist. Auf der Rückseite OSA der Absorberschicht AS kann daher als rückseitige Deckschicht DS beispielsweise eine Saatschicht SS zur optimierten Abscheidung der Absorberschicht AS vorgesehen sein. Die Saatschicht SS kann zuvor auf ein Substrat SU aufgebracht worden sein. Zudem kann auch neben einer Passivierungsschicht PAS bzw. einer Saatschicht SS auch eine zusätzliche die nicht absorbierten Photonen reflektierende Reflexionsschicht RS als Deckschicht DS vorgesehen sein.
Die Figur 4 zeigt eine beispielhafte Verschaltung mehrerer einseitig kontaktier- ter Solarzellen SZ in einem gemeinsamen Solarzellen-Modul SZM (vereinfacht in der rückseitigen, vom späteren Lichteinfall abgewandten Draufsicht bei rückseitiger Kontaktierung, die ganzflächige Kontaktschicht KS liegt über dem Kontaktgitter KG, wobei jedoch der Steg ST des Kontaktgitters KG nicht von der Kontaktschicht KS bedeckt ist). Das vorgeschlagene Konzept der einseitig kontaktierten Solarzelle SZ erlaubt nämlich eine technologisch sehr einfache Serien / Parallel - Verschaltung der einzelnen Solarzellen SZ zu einem Solarzellen-Modul SZM. Diese Verschaltung ist insbesondere im Fall der Verwendung von kristallinen Silizium-Wafern als Absorberschicht AS für die Solarzellen SZ sinnvoll, da der Prozess der Serien und Parallelverschaltung durch die einseitige Rückseitenkontaktierung erheblich vereinfacht werden kann. Wird der Steg ST des Kontaktgitters KG (vergleiche Figur 1 , Alternative im Verfahrensschritt VI) an den Rand eines quadratischen c-Si-Wafers als Absorberschicht AS gelegt, dann können die die Emitterschicht ES bedeckende Kontaktschicht KS und der Steg ST des Kontaktgitters KG auf einfache Weise durch direkte Kontaktierung KT, z.B. mit Hilfe eines Kupferbandes KB, in Serie SV oder parallel PV verschaltet werden.
Bei der in Figur 4 gezeigten Verschaltung handelt es sich um eine Verschaltung mit einseitig rückseitig kontaktierten Solarzellen SZ. Bei einer Verschaltung von einseitig vorderseitig kontaktierten Solarzellen SZ ergibt sich einer geringer Unterschied im Aufbau dadurch, dass die Stege ST des Kontaktgitters KG und des Kontaktelements KE nicht übereinander liegen, sondern einander gegenüber liegen. Andere Verschaltungsverfahren, insbesondere auf Dünnschichttechnologie angepasste, sind natürlich ebenso möglich. Bezugszeichenliste
ARS Antireflexionsschicht
AS Absorberschicht BSF Ladungsträger rückstreuendes Feld
DS Deckschicht
ES Emitterschicht
HKS Heterokontaktsolarzelle
IS elektrisch nicht leitende Isolationsschicht KB Kupferband
KE Kontaktelement
KG Kontaktgitter
KS Kontaktschicht
KT Kontaktierung OSA Rückseite von AS
OSE absorberschichtabgewandte Seite von ES
OSK Vorderseite von KS
OSZ Vorderseite von AS
OX elektrisch isolierende Oxidschicht PAS Passivierungsschicht pn pn-Übergang
PS Pufferschicht
PV Parallelverschaltung
RS Reflexionsschicht SS Saatschicht
ST Steg
SU Substrat
SV Serienverschaltung
SZM Solarzellen-Modul SZ Solarzelle
TCO transparente leitfähige Oxidschicht
V Spannung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle mit zumindest einer Absorberschicht und einer ganzflächig abgeschiedenen Emitterschicht aus Halbleitermaterialien mit gegensätzlicher p- oder n-typ Dotierung, wobei überschüssige Majoritäts- und Minoritäts-Ladungsträger in der Absorberschicht durch Lichteinfall erzeugt, am pn-Übergang zwischen Absorber- und Emitterschicht getrennt und die Majoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht über ein erstes Kontaktierungssystem und die Minoritäts- Ladungsträger der Absorberschicht von der Emitterschicht und einem zweiten Kontaktierungssystem gesammelt und abgeleitet werden, wobei sich beide Kontaktierungssysteme auf derselben Solarzellenseite befinden, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
I. Bereitstellen einer unstrukturierten Absorberschicht (AS), II. Aufbringen des ersten Kontaktierungssystems in Form eines bezüglich der Sammlung der Majoritäts-Ladungsträger flächenoptimierten Kontaktgitters (KG) auf eine Seite der Absorberschicht (AS),
III. Erzeugen einer auch Ladungsträgertunneln verhindernden, elektrisch nicht leitenden Isolationsschicht (IS) auf dem Kontaktgitter (KG) auf seiner gesamten freien Oberfläche,
IV. Abscheiden der Emitterschicht (ES) in einer Schichtdicke, durch die Minoritäts-Ladungsträger auf die absorberschichtabgewandte Seite (OSE) der Emitterschicht (ES) ohne nennenswerte ohmsche Verluste gelangen können, und aus einem Halbleitermaterial, das zur Absorberschicht (AS) einen mit einer maximalen Grenzflächen-
Rekombinationsrate der überschüssigen Ladungsträger von 105 Rekombinationen/cm2s passivierenden pn-Übergang (pn) aufspannt,
V. Aufbringen des zweiten Kontaktierungssystems in Form einer flächigen Kontaktschicht (KS) auf die absorberschichtabgewandte Seite (OSE) der Emitterschicht (ES) und
VI. elektrisches Kontaktieren (V) des Kontaktgitters (KG) und der Kontaktschicht (KS).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt Il auf der Rückseite (OSA) der Absorberschicht (AS) durchgeführt und ein weiterer Verfahrensschritt A nach Verfahrensschritt I, IV oder V vorgesehen ist:
A. Erzeugen einer transparenten Deckschicht (DS) auf der Vorderseite (OSZ) der Absorberschicht (AS).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Deckschicht (DS) als Passivierungsschicht (PAS) und als Antireflexschicht (ARS) ausgebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt Il auf der Vorderseite (OSZ) der Absorberschicht (AS) unter transparenter Ausführung der Kontaktschicht (KS) durchgeführt und in Abhängigkeit von der elektronischen Qualität der Absorberschicht ein weiterer Verfahrensschritt B vor oder nach dem Verfahrensschritt I vorgesehen ist: B. Erzeugen einer oder mehrerer Deckschichten (DS) auf der Rückseite (OSA) der Absorberschicht (AS).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (DS) als Passivierungsschicht (PAS) oder als
Reflexionsschicht (RS) oder als Saatschicht (SS) ausgebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt C nach dem Verfahrensschritt V vorgesehen ist: C. Aufbringen eines zum Kontaktgitter (KG) kongruent aufgebauten und angeordneten Kontaktelements (KE) auf die Vorderseite (OSK) der transparenten Kontaktschicht (KS), wobei in Verfahrensschritt VI das Kontaktelement (KE) zusammen mit der Kontaktschicht (KS) elektrisch kontaktiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt Il durch selektives Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Materials durch thermisches Verdampfen unter Zuhilfenahme einer Maske, durch Siebdruck, durch Tintenstrahldruck oder durch Photolithographie erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt III durch selektives Aufbringen einer elektrisch isolierenden Masse auf das Kontaktgitter (KG) auf seiner gesamten freien Oberfläche durch thermisches Verdampfen, Sputtern oder Gasphasenabscheidung unter Zuhilfenahme einer Maske, durch Siebdruck, durch Tintenstrahldruck oder durch Photolithographie erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt III durch thermisches, durch nasschemisches oder durch elektrochemisches Aufwachsen einer Oxidschicht (OX, Verfahrensschritt D) auf dem Kontaktgitter (KG) und den vom Kontaktgitter (KG) unbedeckten
Stellen auf der Absorberschicht (AS) und anschließendes selektives Ätzen der Oxidschicht (OX, Verfahrensschritt E) auf den vom Kontaktgitter (KG) unbedeckten Stellen auf der Absorberschicht (AS) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt VI durch Aussparen eines Anschlussbereiches auf dem Kontaktgitter (KG) während der in Verfahrensschritt V erfolgenden Abscheidung der Emitterschicht (ES) und Freilegen des Anschlussbereiches durch Entfernen der nach Verfahrensschritt IV erzeugten Isolationsschicht (IS) erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt VI durch thermisches Verdampfen, Sputtern oder Gasphasenabscheidung erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt F nach dem Verfahrensschritt Il vorgesehen ist: F. Eintempern des leitenden Materials des Kontaktgitters (KG) in die Absorberschicht (AS).
13. Verfahren nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Verfahrensschritt F zusammen mit dem Verfahrensschritt III für das thermische Aufwachsen einer Oxidschicht (OX) durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt G vor dem Verfahrensschritt IV vorgesehen ist: G. Abscheiden einer Pufferschicht (PS) in geringer Schichtdicke.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Verfahrensschritt G durch thermisches Verdampfen, Sputtern oder Gasphasenabscheidung erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt H nach dem Verfahrensschritt IV vorgesehen ist: H. Reinigen der nicht vom Kontaktgitter (KG) bedeckten Oberfläche der Absorberschicht (AS)
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mono-, multi- oder polykristallines oder rekristallisiertes Silizium für die Absorberschicht (AS), amorphes, hydrogenisiertes Silizium für die
Pufferschicht (PS) und die Emitterschicht (ES), Aluminium für das Kontaktgitter (KG), und Aluminium für die Kontaktschicht (KS) bei Durchführung des Verfahrensschritts Il auf der Rückseite (OSA) der Absorberschicht (AS) oder ein transparent leitfähiges Oxid (TCO) bei einer Durchführung des Verfahrensschritts Il auf der Vorderseite (OSZ) der Absorberschicht (AS) eingesetzt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht AS als Wafer oder als Dünnschicht auf einem Substrat (SU) oder Superstrat ausgeführt ist, wobei bei der Dünnschicht-Technologie die Verfahrensschritte zur Abscheidung der Schichten sequenziell, beginnend bei dem Substrat (SU) oder Superstrat, durchgeführt werden.
19. Einseitig kontaktierte Solarzelle mit zumindest einer Absorberschicht und einer ganzflächig abgeschiedenen Emitterschicht aus Halbleitermaterialien mit gegensätzlicher p- oder n-typ Dotierung, wobei überschüssige Majoritäts- und Minoritäts-Ladungsträger in der Absorberschicht durch Lichteinfall erzeugt, am pn-Übergang zwischen Absorber- und Emitterschicht getrennt und die Majoritäts-Ladungsträger aus der Absorberschicht von einem ersten Kontaktierungssystem und die Minoritäts-Ladungsträger aus der Absorberschicht von der Emitterschicht und einem zweiten Kontaktierungs- system gesammelt und abgeleitet werden, wobei sich beide Kontaktierungssysteme auf derselben Solarzellenseite befinden, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Kontaktierungssystem ein bezüglich der Sammlung der Majoritäts- Ladungsträger flächenoptimiertes und gegenüber der Emitterschicht (ES) mittels einer auch Ladungsträgertunneln verhindernden Isolationsschicht (IS) elektrisch isoliertes Kontaktgitter (KG) zwischen der unstrukturierten Absorberschicht (AS) und der Emitterschicht (ES) und als zweites Kontaktierungssystem eine flächige Kontaktschicht (KS) auf der absorberschichtabgewandten Seite (OSE) der Emitterschicht (ES) angeordnet ist, wobei die Emitterschicht (ES) aus einem Halbleitermaterial besteht, das zur Absorberschicht (AS) einen mit einer maximalen Grenzflächen- Rekombinationsrate der überschüssigen Ladungsträger von 105 Rekombinationen/cm2s passivierenden pn-Übergang (pn) aufspannt.
20. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktgitter (KG) auf der Rückseite (OSA) der Absorberschicht (AS) und eine transparente Deckschicht (DS) auf der Vorderseite (OSZ) der Absorberschicht (AS) angeordnet ist.
21. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Deckschicht (DS) als Passivierungsschicht (PAS) und als Antireflexschicht (ARS) ausgebildet ist.
22. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktgitter (KG) auf der Vorderseite (OSZ) der Absorberschicht (AS) angeordnet ist, dass die Kontaktschicht (KS) transparent ausgebildet ist und dass in Abhängigkeit von der elektronischen Qualität der Absorberschicht (AS) eine Deckschicht (DS) auf der Rückseite (OSA) der Absorberschicht (AS) angeordnet ist.
23. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass auf der Vorderseite (OSK) der transparenten Kontaktschicht (KS) ein zum Kontaktgitter (KG) kongruent aufgebautes und angeordnetes Kontaktelement (KE) vorgesehen ist.
24. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (DS) als Passivierungsschicht (PAS) oder als Reflexionsschicht (RS) oder als Saatschicht (SS) ausgebildet ist.
25. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Randseite der Solarzelle (SZ) ein Steg (ST) zur elektrischen Kontaktierung des Kontaktgitters (KG) angeordnet ist.
26. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (ST) zur elektrischen Serien- oder Parallelverschaltung (SV, PV) mehrerer Solarzellen (SZ) in einem Solarzellen-Modul (SZM) ausgebildet ist.
27. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung in der Emitterschicht (ES) und der Isolationsschichtschicht (IS) zur elektrischen Kontaktierung des Kontaktgitters (KG) angeordnet ist.
28. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Kontaktgitters (KG) ein die Minoritäts-Ladungsträger rückstreuendes Oberflächenfeld (BSF) angeordnet ist.
29. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Absorberschicht (AS) und der Emitterschicht (ES) eine Pufferschicht (PS) mit geringer Schichtdicke angeordnet ist.
30. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (AS) als Wafer oder als Dünnschicht auf einem Substrat (SU) oder einem Superstrat ausgebildet ist.
31. Einseitig kontaktierte Solarzelle nach einem der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Materialien eingesetzt sind: Absorberschicht (AS): kristallines(mono-, multi- oder polykristallines oder rekristallisiertes) Silizium mit n- oder p-typ Dotierung, Emitterschicht (ES): amorphes Silizium mit Wasserstoffanreicherung und mit zur Absorberschicht (AS) entgegen gesetzter p- oder n-typ Dotierung,
Pufferschicht (PS): amorphes Silizium mit Wasserstoffanreicherung ohne
Dotierung,
Isolationsschicht (IS): Aluminiumoxid, Deckschicht (DS) : Siliziumoxid oder Siliziumnitrid,
Kontaktgitter (KG) : Aluminium,
Kontaktschicht (KS) : Aluminium oder transparentes leitfähiges Oxid (TCO)
Kontaktelement (KE) : Chrom oder Silber.
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