EP4342003A1 - Mehrfachsolarzelle - Google Patents

Mehrfachsolarzelle

Info

Publication number
EP4342003A1
EP4342003A1 EP22724635.2A EP22724635A EP4342003A1 EP 4342003 A1 EP4342003 A1 EP 4342003A1 EP 22724635 A EP22724635 A EP 22724635A EP 4342003 A1 EP4342003 A1 EP 4342003A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
cell
sub
silicon
solar cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22724635.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann-Josef Nonnenmacher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meyer Burger Germany GmbH
Original Assignee
Meyer Burger Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Meyer Burger Germany GmbH filed Critical Meyer Burger Germany GmbH
Publication of EP4342003A1 publication Critical patent/EP4342003A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/043—Mechanically stacked PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0745—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a AIVBIV heterojunction, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC solar cells
    • H01L31/0747—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a AIVBIV heterojunction, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC solar cells comprising a heterojunction of crystalline and amorphous materials, e.g. heterojunction with intrinsic thin layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/078—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers including different types of potential barriers provided for in two or more of groups H01L31/062 - H01L31/075

Definitions

  • the present invention relates to a multi-junction solar cell with at least two sub-cells based on silicon and at least one material other than silicon, a first sub-cell for utilizing photons in a shorter-wave spectral range than a longer-wave spectral range of a second sub-cell being designed in that the second sub-cell is based on silicon and the first sub-cell on a material with a larger band gap than in silicon, wherein the first sub-cell and the second sub-cell are formed as a monolithic unit consisting of a stack of layers, and wherein the first sub-cell and the second sub-cell are electrically interconnected by means of a tunnel diode in Are connected in series, so that the tandem solar cell is equipped with two terminals, the tunnel diode having a tunnel diode n-layer and a tunnel diode p-layer.
  • Tandem solar cells or other multiple solar cells in which two or more than two sub-cells with different spectral sensitivities together form the multiple solar cell, can theoretically and practically achieve higher efficiencies than single solar cells.
  • Commercially available multi-junction solar cells made from III-V semiconductors achieve record efficiencies. Such solar cells are successfully used for extraterrestrial applications.
  • III-V solar cells are not competitive with crystalline silicon solar cells because of the high production costs and ultimately high electricity generation costs.
  • thin-film silicon solar cells and solar modules were manufactured, consisting of various amorphous and microcrystalline sub-cells, such as these are described for example in EP 2599 127 B1. Despite the low manufacturing costs, these thin-film manufacturing technologies were pushed out by manufacturing technologies based on crystalline solar wafers because the module efficiencies achieved were too low.
  • Tandem solar cells made of two different materials e.g. combining a conventional silicon solar cell and a thin-film perovskite solar cell with a light-absorbing layer made of a perovskite material, and multi-junction solar cells, which also have at least one other perovskite layer, are currently being considered by experts as promising candidates for future mainstream solar cells viewed.
  • Research laboratories have been able to improve the efficiency and stability of silicon perovskite tandem solar cells in recent years. However, further technical improvements are required for a successful industrial production of silicon perovskite tandem solar cells.
  • Leading laboratory demonstrator tandem solar cells such as those known from GB 2559800 B, are regularly constructed in a complex manner with a large number of layers and are correspondingly expensive to produce. However, low production costs are required for economic importance.
  • the object of the present invention is therefore to propose simply constructed multiple solar cells.
  • the object is achieved by multi-junction solar cells in which the tunnel diode n-layer and/or the tunnel diode p-layer are silicon-based layers.
  • the sub-cells are connected in series with one another in the same direction.
  • individual solar cells and sub-cells of multiple solar cells can be represented as diodes that are all connected in the forward direction in the series connection of the multiple solar cell.
  • the p- and n-conductive layers in the sub-cells are each arranged in the same order.
  • an n-conducting layer and a p-conducting layer must be connected to one another in a sequence which is the reverse of the layer sequence in the individual sub-cells. If the meeting n-conducting layer on one sub-cell and a p-conducting layer on the other sub-cell form a (connecting) diode, then this diode would be reverse-biased. Since a current flow is still required, the conductive connection between the n- and p-conductive layer is designed as a tunnel diode, which enables the required current flow despite the existing layer sequence.
  • the layer of one conductivity type (n- or p-) that borders the layer of the other conductivity type (p- or n-) of the sub-cell is also referred to as the recombination layer because it consists of the n-conducting layer the electrons flowing from one sub-cell and the holes flowing from the p-type layer of the other sub-cell recombine with each other.
  • Various silicon-based recombination layers that are easy to produce and correspondingly inexpensive are known from Si thin-layer solar cells. According to the invention, similar recombination layers can be used in tandem and multiple solar cells which consist of at least two different materials, for example in silicon perovskite tandem cells. The properties of the recombination layers can be optimized for optimal function.
  • the tunnel junction can be formed at the interface of a sub-cell and a recombination layer or between two tunnel diode layers which are arranged in the multi-junction solar cell in addition to the layers belonging to the sub-cells.
  • the tunnel junction can be formed between this n-type Si layer and a p-type silicon-based recombination layer.
  • the n-type Si layer serves as the tunnel diode n-layer and the p-type silicon-based recombination layer serves as the tunnel diode p-layer.
  • the layer of the Si partial cell to be connected is p-conductive and the recombination layer is n-conductive.
  • the multi-junction solar cell has two inversely doped silicon-based layers between the sub-cells to be connected, of which one is the tunnel diode n-layer and the other is the tunnel diode p-layer.
  • the tunnel diode is formed between an n-type silicon-based recombination layer and a p-type layer of the first sub-cell or between a p-type silicon-based recombination layer and an n-type layer of the first sub-cell.
  • the silicon-based layer can be a more or less dense silicon layer; in addition to silicon, it can have other components, in particular hydrogen and dopants.
  • the silicon-based layer can also be a silicon alloy, for example with oxygen (O), carbon (C) or nitrogen (N).
  • O oxygen
  • C carbon
  • N nitrogen
  • silicon-based means that silicon is an essential component of the layer or that the atomic fraction of silicon is greater than 30%. In many exemplary embodiments, the silicon content is well over 50%.
  • At least one of the tunnel diode n-layer and/or the tunnel diode p-layer of the multiple solar cell according to the invention can be a doped alloy of silicon and at least one further alloy component M with the empirical formula SiM x - layer (8, 9), where M stands for at least one of the elements O, C or N.
  • the alloy can also be a ternary or a quaternary alloy containing two or three of the specified elements.
  • the class of SiM x alloy layers includes very different materials, for example layers in which conductive Si grains are embedded in a less conductive SiO x N y or in a SiN x matrix.
  • SiM x Other materials can be formed in two phases from a matrix and well conductive SiC grains embedded therein. However, single-phase semiconducting layers containing silicon carbide bonds also fall under the formula SiM x .
  • the tunnel diode n-layer is a highly n-doped Si surface higher doping layer of the second sub-cell and the tunnel diode p-layer is a doped SiM x layer with x ⁇ l, the SiM x - Layer is inhomogeneous and consists of a silicon alloy matrix and embedded silicon inclusions.
  • the tunnel diode does not consist entirely of additionally deposited layers.
  • the surface higher doping layer made of silicon that is present anyway from the production of the second partial cell also serves as a tunnel diode n-layer, so that the tunnel diode is already produced after the deposition of one layer, namely the SiM x layer.
  • SiM x layers can be designed as recombination layers with a high normal conductivity and a lower lateral conductivity. However, the SiM x layer can also have the same conductivities in the lateral and normal directions. At the discretion of a person skilled in the art, the SiM x can be substituted with alternative Si-based layer materials.
  • both the tunnel diode n-layer and the tunnel diode p-layer can also be a doped SiM x layer.
  • the tunnel diode can therefore also be produced from two oppositely doped silicon alloy layers SiM x layers. The layers can be post-treated accordingly to activate the dopants and/or to produce a microcrystalline layer structure.
  • the post-treatment of deposited layers can be performed by a surface-active method, such as a flashlamp post-treatment.
  • a surface-active method such as a flashlamp post-treatment.
  • the SiM x layer in the multiple solar cell according to the invention can be a gradient layer, the electrical conductivity of the gradient layer at the interface of the pn junction of the tunnel diode being greater than at the other interface of the SiM x layer and the refractive index of the gradient layer in the direction of from the first sub-cell to the second sub-cell increases.
  • the proportion of alloying material for example the proportion of oxygen in an SiO x layer, can therefore be a function of the layer thickness.
  • Neighboring layer can be set in the perovskite sub-cell, so that reflection losses are minimized by the good optical adjustment.
  • At least one of the tunnel diode n-layer and the tunnel diode p-layer of the inventive multi-junction solar cell may be a doped amorphous Si layer.
  • Amorphous layers can be produced with good structural properties (conformal, smooth deposition) and reasonably good electrical properties. Optical losses can be minimized by small layer thicknesses, with small layer thicknesses also being associated with low production costs.
  • An amorphous Si layer can form the tunnel diode as a recombination layer in cooperation with an adjacent layer of a sub-cell.
  • At least one of the tunnel diode n-layer and the tunnel diode p-layer can also be a doped nano- or microcrystalline Si layer.
  • the nano- or microcrystalline morphology can either have been produced during the layer deposition by suitable process parameters or after the deposition by a suitable after-treatment.
  • the attributes nanocrystalline and microcrystalline refer to nanometer-scale or micrometer-scale crystallite dimensions. Crystallite dimensions are often similar in different spatial directions. Sometimes the largest crystallite dimension is in the micrometer range, while other crystallite dimensions are less than 1000 nm, ie in the nanometer range. This applies in particular to the layer thickness and the resulting normal dimensions.
  • the second partial cell of the multiple solar cell according to the invention can be a silicon heterojunction solar cell in which the pn junction is between a crystalline silicon wafer and at least one layer of another material deposited thereon is trained.
  • Heterojunction solar cells are the most powerful Si single solar cells available. They are therefore a good prerequisite for high overall efficiencies of the multiple solar cells based on them with one or more broadband sub-cells, which are based, for example, on a perovskite material.
  • the silicon sub-cell can have a proven design including intrinsic passivation layers and surface textures. At least one amorphous silicon layer can be involved in the formation of the silicon heterojunction solar cell in addition to the crystalline silicon wafer.
  • an n-crystalline solar wafer can be coated on one side with an intrinsic (i) aSi layer and a p-doped aSi layer to form the emitter of the solar cell.
  • an intrinsic aSi layer and a higher than the substrate n-doped surface field layer are deposited, so that there is a potential gradient across the entire Si-HJT cell, which conducts the charge carriers separated by the photo effect to the contacts or the connections of the solar cell or the solar part cell promotes.
  • the i- and the n-aSi layer can also be combined with one another as a gradient layer.
  • Si heterojunction solar cells There are many different types of Si heterojunction solar cells.
  • the substrate can be n- or p-doped, the emitter can be arranged on the side facing the sun or on the other side (rear side).
  • the doped semiconductor layers can be amorphous, nano- or microcrystalline.
  • the semiconducting material can be Si or an alloy such as SiC x or SiO x . All of these different solar cell types can also be the Si cell part of a multiple solar cell according to the invention.
  • Nano- and microcrystalline layers can have advantages over amorphous layers, such as higher conductivity. These advantages can be exploited in a targeted manner when determining an optimal layer sequence in the silicon heterojunction solar cell.
  • the second sub-cell of the multi-junction solar cell according to the invention namely an Si heterojunction solar cell, has an n-doped substrate, an intrinsic amorphous silicon layer and a p-doped amorphous silicon layer on its side facing away from the first sub-cell and a p-doped amorphous silicon layer on its side facing the first sub-cell n-doped gradient layer with lower doping at the interface to the silicon wafer, the multi-junction solar cell having an n-SiM x and a p-SiM x layer thereon in the specified order and then either a p-conducting transition metal oxide layer or directly a hole conductor layer of the first sub-cell having.
  • This solar cell has a very simple structure and is made of readily available inexpensive materials.
  • between the only two SiO x layers forming the tunnel diode are arranged on the two partial solar cells.
  • a transition metal oxide layer is additionally arranged between the p-SiMx layer and the hole conduction layer of the first sub-cell. Transition metal oxide layers are proven as boundary layers to hole conductor layers.
  • the second sub-cell has an n-doped substrate, on its side facing away from the first sub-cell an intrinsic amorphous silicon layer and a p-doped amorphous silicon layer and on its side facing the first sub-cell at least one n-Si layer, where the multi-junction solar cell has an amorphous p-Si layer on the n-Si layer and either a p-conducting transition metal oxide layer thereon or directly a hole conductor layer of the first sub-cell.
  • the second sub-cell has an n-doped substrate, an intrinsic silicon layer and a p-doped silicon layer on its side facing away from the first sub-cell and at least one nano- or microcrystalline n-Si layer on its side facing the first sub-cell on, wherein the multi-junction solar cell has a nano- or microcrystalline p-Si layer on the nano- or microcrystalline n-Si layer and either a p-conducting transition metal oxide layer or directly a hole conductor layer of the first sub-cell.
  • Intrinsic (i) Si layers can be present at the interface to the silicon.
  • the i-Si layer can also be a layer within the (n)-Si layer that has been produced in a partial deposition step without doping gas inlet.
  • at least one of the Si layers mentioned is present here with a nano- or microcrystalline structure instead of with an amorphous one.
  • Nano- and microcrystalline layers have the advantage that high electrical conductivities can be set in them.
  • the invention also includes solar modules made from multiple solar cells according to the invention.
  • the present invention also includes a production method, in which a silicon-based tunnel diode n-layer and/or a silicon-based tunnel diode p-layer is deposited in corresponding method steps.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a multiple solar cell according to the invention 1 and
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a multiple solar cell 1 according to the invention.
  • Fig. 1 outlines the structure of an exemplary embodiment of a flexible product of a multi-junction solar cell 1 according to the invention.
  • the multi-junction solar cell consists of a first sub-cell 2, a second sub-cell 3 and a tunnel diode 5 connecting the sub-cells 2, 3.
  • the multi-junction solar cell is a crystalline Silicon solar wafers 10 produced.
  • the properties of deposited layers depend heavily on the deposition method used and the general conditions before and after the deposition, so there is a close connection between the multiple solar cell 1 according to the invention and the manufacturing method according to the invention.
  • the multiple solar cell 1 is a tandem solar cell, the front side of which, which is provided in the direction of the sun, is shown at the top.
  • a short-wave, particularly visible, spectral component is absorbed by the first partial cell and converted into a photocurrent
  • a longer-wave, particularly infrared, spectral range is allowed to pass through to the second partial cell and there converted to a photocurrent.
  • the photocurrents generated by the two or, more generally, by all sub-cells are designed to be of equal magnitude in multi-junction solar cells which are inexpensively equipped with only two connections, in order to maximize the performance and efficiency of the multi-junction solar cell.
  • the second sub-cell 3 is a silicon heterojunction solar cell based on an n-doped wafer.
  • N-doped starting wafers are currently preferred for high-performance solar cells, but in principle p-doped solar wafers can also be used as the starting material for multi-junction solar cells.
  • the silicon wafer is textured on both sides here because the best efficiencies are achieved with textured solar cells.
  • an intrinsic (i) amorphous silicon layer (aSi) 11 and then a p-doped aSi layer 12 are arranged on the rear side of the solar wafer 10 , which forms the emitter of the Si Fleterojunction partial cell 3 .
  • the emitter is on the front.
  • the a-Si layers 11, 12, 13 are regularly produced with CVD methods using hydrogen-containing precursors, with the hydrogen being partly present in the layers is installed. That is why the aSi layers are, strictly speaking, hydrogenated aSi layers (aSi:H). This detail is well known to those skilled in the art, so there is no need to refer to it.
  • aSi:H hydrogenated aSi layers
  • the system used to produce the n-conducting aSi gradient layer has a simpler structure because only one deposition chamber (instead of two separate ones for i and n) is required.
  • the illustrated semi-finished product of a multi-junction solar cell 1 is closed off at the bottom by a transparent conductive layer (TCO) 18, the TCO 18 serving on the one hand as a first part of an electrical connection electrode and on the other hand as an antireflection layer.
  • the electrical connection in the solar module produced from the multiple solar cell 1 also includes other components that are not shown here, namely here screen-printed contact fingers and wire-shaped bus lines connected thereto. In other exemplary embodiments, other electrodes are used, for example with screen-printed bus lines or large-area metal surfaces.
  • the first sub-cell 2 consists of the perovskite absorber layer 4, an organic hole conduction layer 15 and a metal transition oxide layer 14 on the underside of this first sub-cell 2 and an electron conduction layer 16 and a TCO layer 17 on the front side of the first sub-cell 2.
  • Other electrode components are as well as on the rear side of the multi-junction solar cell 1 are omitted in FIG. 1 for the sake of clarity.
  • the electrical and optical connection of the first sub-cell 2 and the second sub-cell 3 is implemented by means of a tunnel diode 5 in the exemplary embodiment presented here.
  • the n-type SiO x layer 8 has the function of the tunnel diode n-layer 6 and the p-type SiO x layer 9 has the function of the tunnel diode p-layer 7.
  • the SiO x layers 8, 9 are used for Formation of a tunnel junction between the two SiO x layers 8, 9 designed.
  • FIG. 2 A second exemplary embodiment of a multiple solar cell 1' according to the invention is presented in FIG. 2, which has an even simpler structure than the multiple solar cell 1 shown in FIG. Apart from the differences set out below, this second exemplary embodiment also has things in common with the first exemplary embodiment. To avoid repetition, reference is therefore made to the statements relating to FIG. In this case, only a single layer is arranged between the first sub-cell 2 and the second sub-cell 3, specifically the p-doped aSi - Layer serving as the tunnel diode p-layer 7 or as the recombination layer.
  • the function of the tunnel diode n-layer is not taken over by a separately deposited layer, but by the n-conducting aSi gradient layer 13 of the second sub-cell 3 as an additional function. This results in a particularly simple construction of the multiple solar cell 1'.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachsolarzelle mit wenigstens zwei auf Silizium und wenigstens einem anderen Material als Silizium basierenden Teilzellen, wobei eine erste Teilzelle zur Ausnutzung von Photonen in einem kurzwelligeren Spektralbereich als einem langwelligeren Spektralbereich einer zweiten Teilzelle ausgebildet ist, indem die zweite Teilzelle auf Silizium basiert und die erste Teilzelle auf einem Material mit einer größeren Bandlücke als in Silizium, wobei die erste Teilzelle und die zweite Teilzelle als eine monolithische, aus einem Schichtstapel bestehende Einheit ausgebildet sind, und wobei die erste Teilzelle und die zweite Teilzelle elektrisch miteinander mittels einer Tunneldiode in Reihe geschaltet sind, sodass die Tandemsolarzelle mit zwei Anschlüssen ausgestattet ist, wobei die Tunneldiode eine Tunneldioden-n-Schicht und eine Tunneldioden-p-Schicht aufweist. Die Aufgabe der besteht im Vorschlägen einer einfach aufgebauten Mehrfachsolarzelle. Die Aufgabe wird von Mehrfachsolarzellen gelöst, in denen die Tunneldioden-n-Schicht und/oder die Tunneldioden-p-Schicht siliziumbasierte Schichten sind.

Description

Mehrfachsolarzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrfachsolarzelle mit wenigstens zwei auf Silizium und wenigstens einem anderen Material als Silizium basierenden Teilzellen, wobei eine erste Teilzelle zur Ausnutzung von Photonen in einem kurzwelligeren Spektralbereich als einem langwelligeren Spektralbereich einer zweiten Teilzelle ausgebildet ist, indem die zweite Teilzelle auf Silizium basiert und die erste Teilzelle auf einem Material mit einer größeren Bandlücke als in Silizium, wobei die erste Teilzelle und die zweite Teilzelle als eine monolithische, aus einem Schichtstapel bestehende Einheit ausgebildet sind, und wobei die erste Teilzelle und die zweite Teilzelle elektrisch miteinander mittels einer Tunneldiode in Reihe geschaltet sind, sodass die Tandemsolarzelle mit zwei Anschlüssen ausgestattet ist, wobei die Tunneldiode eine Tunneldioden-n-Schicht und eine Tunneldioden-p-Schicht aufweist.
Die globale Solarzellenindustrie hat in den beiden zurückliegenden Jahrzehnten einerseits kontinuierlich die Leistungsfähigkeit von Solarzellen gesteigert und andererseits kontinuierlich die Herstellungskosten von Solarzellen und der damit gewinnbaren Elektroenergie gesenkt. In den vergangenen Jahren haben multi- und monokristalline Siliziumsolarzellen den Markt von Solarzellen und Solarmodulen dominiert, wobei die kristallinen Siliziumsolarzellen regelmäßig Einfach- Solarzellen mit nur einem pn-Übergang sind. Die Wirkungsgrade von großvolumig hergestellten Solarzellen konnten und können durch gegenüber der jeweiligen Vorgängertechnologie verbesserte PERC-, passivierte Kontakt- bzw. PACO- und HJT-Technologien gesteigert werden. Jedoch sind die Herstellungstechnogien von Silizium-Einfachsolarzellen schon derzeit soweit perfektioniert, dass Potentiale für zukünftige weitere Verbesserungen bereits weitgehend ausgeschöpft sind. Die Wirkungsgrade der Silizium-Einfachsolarzellen erreichen allmählich bestehende physikalische Grenzen.
Tandemsolarzellen oder andere Mehrfachsolarzellen, in denen zwei oder mehr als zwei Teilzellen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit gemeinsam die Mehrfachsolarzelle ausbilden, können theoretisch und praktisch höhere Wirkungsgrade erreichen als Einfachsolarzellen. Kommerziell verfügbare Mehrfachsolarzellen aus Ill-V-Halbleitern erreichen Rekordwirkungsgrade. Solche Solarzellen werden erfolgreich für extraterrestrische Anwendungen eingesetzt. Für terrestrische Anwendungen sind Ill-V-Solarzellen wegen zu hoher Herstellungskosten und letztlich zu hoher Stromgestehungskosten jedoch nicht mit kristallinen Siliziumsolarzellen konkurrenzfähig. Im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts wurden Silizium-Dünnschicht-Solarzellen und -Solarmodule hergestellt, die aus verschiedenen amorphen und mikrokristallinen Teilzellen bestanden, wie sie beispielsweise in EP 2599 127 Bl beschrieben sind. Trotz geringer Herstellungskosten wurden diese Dünnschicht-Herstellungstechnologien jedoch von auf kristallinen Solarwafern basierenden Herstellungstechnologien verdrängt, weil die erreichten Modulwirkungsgrade zu klein waren.
Tandemsolarzellen aus zwei verschiedenen Materialien, die z.B. eine herkömmliche Siliziumsolarzelle und eine Perowskit-Dünnschichtsolarzelle mit einer Lichtabsorberschicht aus einem Perowskit-Material kombinieren, und Mehrfachsolarzellen, die noch wenigstens eine weitere andere Perowskitschicht aufweisen, werden derzeit in der Fachwelt als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Mainstream-Solarzellen angesehen. Forschungslabore konnten in den letzten Jahren Verbesserungen von Wirkungsgraden und Stabilitäten von Silizium-Perowskit-Tandemsolarzellen erreichen. Für eine erfolgreiche industrielle Herstellung von Silizium-Perowskit-Tandemsolarzellen sind jedoch weitere technische Verbesserungen erforderlich. Führende, wie z.B. aus GB 2559800 B bekannte Labor-Demonstrator-Tandem-Solarzellen sind regelmäßig mit einer Vielzahl von Schichten aufwendig aufgebaut und in der Produktion entsprechend teuer. Für eine wirtschaftliche Bedeutung sind aber niedrige Herstellkosten erforderlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einfach aufgebaute Mehrfachsolarzellen vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird von Mehrfachsolarzellen gelöst, in denen die Tunneldioden-n-Schicht und/oder die Tunneldioden-p-Schicht siliziumbasierte Schichten sind. In monolithischen Tandemsolarzellen und Mehrfachsolarzellen mit mehr als zwei Teilzellen sind die Teilzellen miteinander in gleicher Richtung in Reihe geschaltet. In Ersatzschaltbildern können einzelne Solarzellen und Teilzellen von Mehrfachsolarzellen als Dioden dargestellt werden, die in der Reihenschaltung der Mehrfachsolarzelle alle in Durchlassrichtung geschaltet sind. Entsprechend sind die p- und n- leitenden Schichten in den Teilzellen jeweils in der gleichen Reihenfolge angeordnet. Dies hat die Konsequenz, dass zur Verbindung von zwei Teilzellen eine n- und eine p-leitende Schicht in einer Abfolge miteinander zu verbinden sind, die umgekehrt zur Schicht-Abfolge in den einzelnen Teilzellen ist. Wenn die aufeinandertreffende n-leitende Schicht an der einen Teilzelle und eine p- leitende Schicht an der andren Teilzelle eine (Verbindungs-)Diode ausbilden, dann wäre diese Diode in Sperrrichtung geschaltet. Da trotzdem ein Stromfluss benötigt wird, wird die leitfähige Verbindung von n-und p-leitender Schicht als eine Tunneldiode ausgebildet, die trotz der vorhandenen Schichtreihenfolge den erforderlichen Stromfluss ermöglicht. Teilweise wird die Schicht des einen Leitfähigkeitstyps (n- oder p-) die an die Schicht des anderen Leitfähigkeitstyps (p- oder n-) der Teilzelle grenzt, auch als Rekombinationsschicht bezeichnet, weil hier die aus der n-leitenden Schicht der einen Teilzelle fließenden Elektronen und die aus der p-leitenden Schicht der anderen Teilzelle fließenden Löcher miteinander rekombinieren. Aus Si-Dünnschichtsolarzellen sind verschiedene, einfach herstellbare und entsprechend kostengünstige siliziumbasierte Rekombinationsschichten bekannt. Ähnliche Rekombinationsschichten können erfindungsgemäß in Tandem- und Mehrfach- Solarzellen eingesetzt werden, die aus wenigstens zwei verschieden Materialien bestehen, beispielsweise in Silizium-Perowskit-Tandemzellen. Die Eigenschaften der Rekombinationsschichten können für eine optimale Funktion optimiert werden. Der Tunnelübergang kann an der Grenzfläche von einer Teilzelle und einer Rekombinationsschicht oder zwischen zwei Tunneldiodenschichten ausgebildet werden, die zusätzlich zu den zu den Teilzellen gehörenden Schichten in der Mehrfachsolarzelle angeordnet sind.
Wenn beispielsweise die äußerste Schicht einer Si-Teilzelle eine n-leitende Si-Schicht ist, dann kann der Tunnelübergang zwischen dieser n-leitenden Si-Schicht und einer p-leitenden siliziumbasierten Rekombinationsschicht ausgebildet werden. In diesem Beispiel dient die n-leitenden Si-Schicht als Tunneldioden-n-Schicht und die p-leitende siliziumbasierte Rekombinationsschicht als Tunneldioden-p-Schicht. In einem anderen Beispiel ist die anzuschließende Schicht der Si-Teilzelle p- leitend und die Rekombinationsschicht n-leitend. In einem weiteren Beispiel weist die Mehrfachsolarzelle zwischen den zu verbindenden Teilzellen zwei invers zueinander dotierte siliziumbasierte Schichten auf, von denen eine die Tunneldioden n-Schicht und die andere die Tunneldioden-p-Schicht ist. In weiteren Beispielen wird die Tunneldiode zwischen einer n-leitenden siliziumbasierten Rekombinationsschicht und einer p-leitenden Schicht der ersten Teilzelle oder zwischen einer p-leitenden siliziumbasierten Rekombinationsschicht und einer n-leitenden Schicht der ersten Teilzelle ausgebildet.
Die siliziumbasierte Schicht kann eine mehr oder weniger dichte Siliziumschicht sein, sie kann neben Silizium weitere Bestandteile, insbesondere Wasserstoff und Dotanden, aufweisen. Die siliziumbasierte Schicht kann auch eine Siliziumlegierung sein, beispielsweise mit Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C) oder Stickstoff (N). Das Attribut "siliziumbasiert" bedeutet, dass Silizium ein wesentlicher Bestandteil der Schicht ist bzw. dass der atomare Anteil von Silizium größer als 30% ist. In vielen Ausführungsbeispielen liegt der Siliziumanteil weit über 50%.
Wenigstens eine der Tunneldioden-n-Schicht und/oder die Tunneldioden-p-Schicht der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle kann eine dotierte Legierung von Silizium und wenigstens einer weiteren Legierungskomponente M mit der Summenformel SiMx- Schicht (8, 9) sein, wobei M für wenigstens eines der Elemente O, C oder N steht. Die Legierung kann auch eine ternäre oder eine quarternäre Legierung sein, die zwei oder drei der angegebenen Elemente enthält. Die Verwendung solcher Siliziumlegierungsschichten wurde bereits im eingangs angegebenen Stand der Technik für Siliziumdünnschicht-Mehrfachsolarzellen vorgeschlagen. Weil die Solarzellentwicklung zwischenzeitlich andere Entwicklungsrichtungen eingeschlagen haben, sind frühere Ideen aus dem Bereich der Si-Dünnschichtsolartechnik in Vergessenheit geraten, sodass die Si- Dünnschichtsolartechnik nicht mehr als ein benachbartes Gebiet zu den heute entwickelten Si- Perowskit-Tandem- oder -Mehrfachsolarzellen angesehen werden kann. Zur Klasse der SiMx Legierungsschichten gehören ganz verschiedene Materialien, beispielsweise Schichten, bei denen leitfähige Si-Körner in eine weniger leitfähige SiOxNy oder in eine SiNx Matrix eingebettet sind.
Andere Materialien können zweiphasig aus einer Matrix und darin eingebetteten gut leitfähigen SiC- Körnern ausgebildet sein. Unter die Formel SiMx fallen aber auch einphasige halbleitende Schichten, die Siliziumkarbidbindungen enthalten.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle ist die Tunneldioden-n-Schicht eine hoch n-dotierte Si-Oberflächen-Höherdotierungsschicht der zweiten Teilzelle und die Tunneldioden-p-Schicht ist eine dotierte SiMx-Schicht mit x<l, wobei die SiMx-Schicht inhomogen ist und aus einer Siliziumlegierungs-Matrix und darin eingelagerten Siliziumeinschlüssen besteht. Eine solche Mehrfachsolarzelle ist besonders einfach aufgebaut, weil die Tunneldiode nicht komplett aus zusätzlich abgeschiedenen Schichten besteht. Sattdessen dient die von der Herstellung der zweiten Teilzelle ohnehin vorhandene Oberflächenhöherdotierungsschicht aus Silizium zusätzlich auch als Tunneldioden-n-Schicht, sodass die Tunneldiode bereits nach Abscheidung einer Schicht, nämlich der SiMx-Schicht hergestellt ist. SiMx Schichten können als Rekombinationsschichten mit einer hohen normalen Leitfähigkeit und einer geringeren lateralen Leitfähigkeit ausgebildet sein. Die SiMx-Schicht kann aber auch gleiche Leitfähigkeiten in lateraler und normaler Richtung haben. Im Ermessen eines Fachmanns kann das SiMx durch alternative Si-basierte Schichtmaterialien substituiert werden. In einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle können auch sowohl die Tunneldioden-n-Schicht als auch die Tunneldioden-p-Schicht eine dotierte SiMx-Schicht sein. Die Tunneldiode kann also auch aus zwei entgegengesetzt dotierten Siliziumlegierungsschichten SiMx Schichten hergestellt sein. Zur Aktivierung der Dotanden und/oder zur Herstellung einer mikrokristallinen Schichtstruktur können die Schichten entsprechend nachbehandelt sein. Wenn die Si-Teilzelle eine temperaturempfindliche Heterojunction-Solarzelle ist, dann kann die Nachbehandlung abgeschiedener Schichten mit einer oberflächenwirksamen Methode durchgeführt werden, beispielsweise mit einer Blitzlampen- Nachbehandlung. Mit einer Sauerstoff- und/oder Stickstoffdotierung des Siliziums in den SiMx- Schichten können die optischen Verluste im Bereich der Kopplung der Teilzellen gegenüber anderen Kopplungsschichten teilweise reduziert werden.
Die SiMx-Schicht in der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle kann eine Gradientenschicht sein, wobei die elektrische Leitfähigkeit der Gradientenschicht an der Grenzfläche des pn-Übergangs der Tunneldiode größer als an der anderen Grenzfläche der SiMx-Schicht ist und wobei die Brechzahl der Gradientenschicht in Richtung von der ersten Teilzelle zu der zweiten Teilzelle zunimmt. Der Legierstoffanteil, z.B. der Sauerstoffanteil in einer SiOx-Schicht, kann also eine Funktion der Schichtdicke sein. Mit einer Gradientenschicht können anders als bei über die Schichtdicke homogenen Schichten über die Einstellung von Gradientenparametern verschiedene Ziele erreicht werden, beispielsweise kann einerseits die Ausbildung eines Tunnelübergangs an einer Grenzfläche realisiert werden, andererseits kann an der Grenze zur Perowskitteilzelle eine nur wenig größere Brechzahl als von der Nachbarschicht in der Perowskit-Teilzelle eingestellt werden, sodass durch die gute optische Anpassung Reflexionsverluste minimiert werden.
Wenigstens eine der Tunneldioden-n-Schicht und derTunneldioden-p-Schicht der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle kann eine dotierte amorphe Si-Schicht sein. Amorphe Schichten können mit guten strukturellen Eigenschaften (konforme, glatte Abscheidung) und hinreichend guten elektrischen Eigenschaften hergestellt werden. Optische Verluste können durch geringe Schichtdicken minimiert werden, wobei geringe Schichtdicken auch mit geringen Herstellungskosten verbunden sind. Eine amorphe Si-Schicht kann als Rekombinationsschicht im Zusammenwirken mit einer angrenzenden Schicht einer Teilzelle die Tunneldiode ausbilden. Wenigstens eine der Tunneldioden-n-Schicht und derTunneldioden-p-Schicht kann auch eine dotierte nano- oder mikrokristalline Si-Schicht sein. Die nano- oder mikrokristalline Morphologie kann entweder während der Schichtabscheidung durch geeignete Prozessparameter oder nach der Abscheidung durch eine geeignete Nachbehandlung hergestellt worden sein. Die Attribute nanokristallin und mikrokristallin beziehen sich auf Kristallitabmessungen im Nanometerbereich oder im Mikrometerbereich. Oftmals sind Kristallitabmessungen in verschiedenen Raumrichtungen ähnlich groß. Mitunter liegt eine größte Kristallitabmessung im Mikrometerbereich, während andere Kristallitabmessungen kleiner als 1000 nm sind, also im Nanometerbereich liegen. Das betrifft insbesondere die Schichtdicke und die sich daraus ergebende normale Abmessung.
Die zweite Teilzelle der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle kann eine Siliziumheterojunctionsolarzelle sein, bei der der pn-Übergang zwischen einem kristallinen Siliziumwafer und wenigstens einer darauf abgeschiedenen Schicht eines anderen Materials ausgebildet ist. Heterojunctionsolarzellen sind die leistungsfähigsten verfügbaren Si-Einfach- Solarzellen. Sie sind deshalb eine gute Voraussetzung für große Gesamtwirkungsgrade der darauf basierenden Mehrfachsolarzellen mit einer oder mehr als einer breitbandigeren Teilzelle, die z.B. auf einem Perowskit-Material basiert. Die Siliziumteilzelle kann einen bewährten Aufbau einschließlich intrinsischer Passivierungsschichten und Oberflächentexturen haben. An der Ausbildung der Siliziumheterojunctionsolarzelle kann neben dem kristallinen Siliziumwafer wenigstens eine amorphe Siliziumschicht beteiligt sein. Zur Herstellung von Siliziumheterojunctionsolarzellen kann ein n-kristalliner Solarwafer auf der einen Seite mit einer intrinsischen (i) aSi-Schicht und einer p- dotierten aSi Schicht zur Ausbildung des Emitters der Solarzelle beschichtet werden. Auf der anderen Seite werden eine intrinsische aSi Schicht und eine höher als das Substrat n-dotiere Oberflächen- Feld-Schicht abgeschieden, sodass über der gesamten Si-HJT-Zelle ein Potentialgradient anliegt, der die Leitung der durch den Photoeffekt getrennten Ladungsträger zu den Kontakten bzw. den Anschlüssen der Solarzelle bzw. der Solarteilzelle fördert. Die i- und die n-aSi Schicht können auch als eine Gradientenschicht miteinander kombiniert vorliegen. Es gibt viele verschiedene Typen von Si- Heterojunction-Solarzellen. Das Substrat kann n- oder p-dotiert sein, der Emitter kann auf der zur Sonne hin vorgesehenen Seite oder der anderen Seite (Rückseite) angeordnet sein. Die dotierten Halbleiterschichten können amorph , nano- oder mikrokristallin sein. Bei dem halbleitenden Material kann es sich um Si oder um eine Legierung, z.B. SiCx oder SiOx handeln. Alle diese verschiedenen Solarzelltypen können auch die Si-Teilzelle einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle sein.
An der Ausbildung der Siliziumheterojunctionsolarzelle kann neben dem kristallinen Siliziumwafer auch wenigstens eine nano- oder mikrokristalline Siliziumschicht beteiligt sein. Nano- und mikrokristalline Schichten können gegenüber amorphen Schichten mit Vorteilen, beispielsweise höheren Leitfähigkeiten behaftet sein. Diese Vorteile können gezielt bei der Festlegung einer optimalen Schichtfolge in der Siliziumheterojunctionsolarzelle ausgenutzt werden.
In einer Ausgestaltung weist die zweite Teilzelle der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle, nämlich eine Si-Heterojunctionsolarzelle, ein n-dotiertes Substrat, an ihrer der ersten Teilzelle abgewandten Seite eine intrinsische amorphe Siliziumschicht und eine p-dotierte amorphe Siliziumschicht und an ihrer der ersten Teilzelle zugewandten Seite eine n-dotierte Gradientenschicht mit geringerer Dotierung an der Grenzfläche zum Siliziumwafer auf, wobei die Mehrfachsolarzelle darauf in der angegebenen Reihenfolge eine n-SiMx und eine p-SiMx-Schicht und darauf entweder eine p-leitende Übergangsmetalloxidschicht oder direkt eine Lochleiterschicht der ersten Teilzelle aufweist. Diese Solarzelle hat einen sehr einfachen Aufbau und ist aus gut verfügbaren kostengünstigen Materialien hergestellt. In einem einfachen Beispiel sind zwischen den beiden Teilsolarzellen lediglich zwei die Tunneldiode ausbildende SiOx-Schichten angeordnet. In anderen Ausgestaltungen ist zusätzlich noch eine Übergangsmetalloxidschicht zwischen der p-SiMx- Schicht und der Lochleitungsschicht der ersten Teilzelle angeordnet. Übergangsmetalloxidschichten sind als Grenzschichten zu Lochleiterschichten bewährt.
In einigen erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzellen weist die zweite Teilzelle ein n-dotiertes Substrat, an ihrer der ersten Teilzelle abgewandten Seite eine intrinsische amorphe Siliziumschicht und eine p-dotierte amorphe Siliziumschicht und an ihrer der ersten Teilzelle zugewandten Seite wenigstens eine n-Si-Schicht auf, wobei die Mehrfachsolarzelle auf der n-Si-Schicht eine amorphe p- Si-Schicht und darauf entweder eine p-leitende Übergangsmetalloxidschicht oder direkt eine Lochleiterschicht der ersten Teilzelle aufweist.
In anderen Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Mehrfachsolarzellen weist die zweite Teilzelle ein n- dotiertes Substrat, an ihrer der ersten Teilzelle abgewandten Seite eine intrinsische Siliziumschicht und eine p-dotierte Siliziumschicht und an ihrer der ersten Teilzelle zugewandten Seite wenigstens eine nano- oder mikrokristalline n-Si-Schicht auf, wobei die Mehrfachsolarzelle auf der nano- oder mikrokristallinen n-Si-Schicht eine nano- oder mikrokristalline p-Si-Schicht und darauf entweder eine p-leitende Übergangsmetalloxidschicht oder direkt eine Lochleiterschicht der ersten Teilzelle aufweist. An der Grenzfläche zum Silizium können intrinsische (i) Si-Schichten vorhanden sein. Die i- Si-Schicht kann dabei auch eine Lage innerhalb der (n)-Si-Schicht sein, die in einem Abscheideteilschritt ohne Dotiergaseinlass hergestellt worden ist. Im Unterschied zu den im vorigen Absatz beschriebenen Ausgestaltungen liegt also wenigstens eine der genannten Si-Schichten statt mit amorpher hier mit nano- oder mikrokristalliner Struktur vor. Nano- und mikrokristalline Schichten haben den Vorteil, dass darin hohe elektrische Leitfähigkeiten einstellbar sind.
Die Erfindung umfasst auch aus erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzellen hergestellte Solarmodule.
Für ein Funktionieren erfindungsgemäßer Mehrfachsolarzellen ist ein zielführendes, sorgfältig durchzuführendes Herstellungsverfahren erforderlich. Insofern umfasst die vorliegende Erfindung auch ein Herstellungsverfahren, worin in entsprechenden Verfahrensschritten eine siliziumbasierte Tunneldioden-n-Schicht und/oder eine siliziumbasierte Tunneldioden-p-Schicht abgeschieden wird.
Ein Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung kann bei Hinzuziehung seines Fachwissens weitere Ausgestaltungen der Erfindung ableiten, die auch mit vom Schutzumfang der Patentansprüche umfasst sind, ohne dass diese Ausgestaltungen hier explizit beschrieben sind. Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden anhand von in Figuren skizzierten Ausführungsbeispielen weiter erläutert werden, wobei
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle 1 und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle 1 zeigt.
Fig. 1 skizziert den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines Flalbfabrikates einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle 1. In einer Grobbetrachtung besteht die Mehrfachsolarzelle aus einer ersten Teilzelle 2, einer zweiten Teilzelle 3 und einer die Teilzellen 2, 3 verbindenden Tunneldiode 5. Die Mehrfachsolarzelle ist durch mehrere Beschichtungsprozesse eines kristallinen Siliziumsolarwafers 10 hergestellt. Wie es Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist, hängen die Eigenschaften abgeschiedener Schichten stark von den verwendeten Abscheideverfahren und den Rahmenbedingungen vor und nach der Abscheidung ab, insofern gibt es einen engen Zusammenhang zwischen der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle 1 und dem erfindungsgemäßen Fierstellungsverfahren. Die Mehrfachsolarzelle 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Tandemsolarzelle, deren in Richtung der Sonne vorgesehene Vorderseite oben dargestellt ist. Wenn Sonnenstrahlung mit ihrem bekannten Spektrum von vorn in die Mehrfachsolarzelle einstrahlt, dann wird hier von der ersten Teilzelle ein kurzwelliger, insbesondere sichtbarer, spektraler Anteil absorbiert und in einen Photostrom umgewandelt und ein längerwelliger, insbesondere infraroter, Spektralbereich wird zur zweiten Teilzelle durchgelassen und dort zu einem Photostrom umgewandelt. Die von den beiden oder allgemeiner von allen Teilzellen erzeugten Photoströme sind in kostengünstig nur mit zwei Anschlüssen ausgestatteten Mehrfachsolarzellen gleich groß ausgelegt, um die Leistung und den Wirkungsgrad der Mehrfachsolarzelle zu maximieren. Bei der zweiten Teilzelle 3 handelt es sich im vorgestellten Ausführungsbeispiel um eine Siliziumheterojunction-Solarzelle basierend auf einem n-dotierten Wafer. Für Flochleistungssolarzellen werden derzeit n-dotierte Ausganswafer bevorzugt, prinzipiell können aber auch p-dotierte Solarwafer als Ausgangsmaterial für Mehrfachsolarzellen zum Einsatz kommen. Der Siliziumwafer ist hier beidseitig texturiert, weil mit texturierten Solarzellen die besten Wirkungsgrade erreicht werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf der Rückseite des Solarwafers 10 zunächst eine intrinsische (i) amorphe Siliziumschicht (aSi) 11 und dann eine p- dotierte aSi-Schicht 12 angeordnet, die den Emitter der Si-Fleterojunction-Teilzelle 3 bildet. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen befindet sich der Emitter an der Vorderseite. Die a-Si Schichten 11, 12, 13 werden regelmäßig mit CVD-Verfahren unter Verwendung wasserstoffhaltiger Präkursoren hergestellt, wobei der Wasserstoff teilweise mit in die Schichten eingebaut wird. Deshalb sind die aSi-Schichten genaugenommen hydrogenisierte aSi-Schichten (aSi:H). Dieses Detail ist Fachleuten hinlänglich bekannt, sodass der Hinweis darauf entbehrlich ist. Auf der Vorderseite ist im dargestellten Ausführungsbeispiel statt eines i-n-aSi-Schichtpaares eine n- leitende aSi Gradientenschicht 13 vorhanden, die an der Grenzfläche zum Siliziumwafer 10 schwächer dotiert ist als an der gegenüberliegenden Grenzfläche. Die zur Herstellung der n- leitenden aSi Gradientenschicht verwendete Anlage ist einfacher aufgebaut, weil nur eine Abscheidekammer (statt zwei separaten für i und n) benötigt wird. Nach unten hin wird das dargestellte Halbfabrikat einer Mehrfachsolarzelle 1 von einer transparenten leitfähigen Schicht (TCO) 18 abgeschlossen, wobei das TCO 18 einerseits als ein erster Teil einer elektrischen Anschlusselektrode dient und andererseits als Antireflexionsschicht. Der elektrische Anschluss in dem aus der Mehrfachsolarzelle 1 hergestellten Solarmodul umfasst noch weitere, hier nicht dargestellte Komponenten, nämlich hier siebgedruckte Kontaktfinger und damit verbundene drahtförmige Sammelleitungen. In anderen Ausführungsbeispielen kommen andere Elektroden, beispielsweise mit siebgedruckten Busleitungen oder großflächigen Metallflächen zum Einsatz. Diese und weitere Bestandteile von Solarmodulen sind aus dem Stand der Technik bekannt und hier der Übersichtlichkeit halber in der Skizze weggelassen.
Die erste Teilzelle 2 besteht im vorgestellten Ausführungsbeispiel aus der Perowskit-Absorberschicht 4 einer organischen Lochleitungsschicht 15 und einer Metallübergangsoxidschicht 14 an der Unterseite dieser ersten Teilzelle 2 und einer Elektronenleitungsschicht 16 und einer TCO-Schicht 17 an der Vorderseite der ersten Teilzelle 2. Weitere Elektrodenbestandteile sind ebenso wie auf der Rückseite der Mehrfachsolarzelle 1 der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 weggelassen.
Die elektrische und optische Verbindung der ersten Teilzelle 2 und der zweiten Teilzelle 3 ist in dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel mittels einer Tunneldiode 5 realisiert. Die n-leitende SiOx Schicht 8 hat dabei die Funktion der Tunneldioden-n-Schicht 6 und die p-leitende SiOx-Schicht 9 die Funktion der Tunneldioden-p-Schicht 7. Die SiOx-Schichten 8, 9 sind dabei zur Ausbildung eines Tunnelübergangs zwischen den beiden SiOx-Schichten 8, 9 ausgestaltet.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle 1' vorgestellt, die einen noch einfacheren Aufbau als die in Fig. 1 gezeigte Mehrfachsolarzelle 1 hat. Bis auf die im Folgenden dargelegten Unterschiede weist dieses zweite Ausführungsbeispiel auch Gemeinsamkeiten mit dem ersten Ausführungsbeispiel auf. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen. Zwischen der ersten Teilzelle 2 und der zweiten Teilzelle 3 ist in hier lediglich eine einzige Schicht angeordnet und zwar die p-dotierte aSi - Schicht, die als Tunneldioden-p-Schicht 7 bzw. als Rekombinationsschicht dient. Die Funktion der Tunneldioden-n-Schicht wird hier nicht von einer separat abgeschiedenen Schicht, sondern von der n-leitenden aSi Gradientenschicht 13 der zweiten Teilzelle 3 als zusätzliche Funktion mit übernommen. Somit ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau der Mehrfachsolarzelle 1'.
Weitere, nicht explizit vorgestellte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der vorliegenden Offenbarung und einschägigem Fachwissen auf dem Gebiet der Erfindung.
Bezugszeichen
1, 1' Mehrfachsolarzelle
2 erste Teilzelle
3 zweite Teilzelle
4 Perowskit-Absorberschicht
5 Tunneldiode
6 Tunneldioden-n-Schicht
7 Tunneldioden-p-Schicht
8 n-leitende SiOx- Schicht
9 p-leitende SiOx- Schicht
10 kristalliner Siliziumwafer (n-leitend)
11 i- aSi
12 p- aSi
13 n- aSi Gradientenschicht
14 Übergangsmetalloxidschicht
15 Lochleitungsschicht
16 Elektronenleitungsschicht
17 vordere TCO Antireflexions- und Kontaktschicht
18 hintere TCO Antireflexions- und Kontaktschicht

Claims

Patentansprüche
1. Mehrfachsolarzelle (1) mit wenigstens zwei auf Silizium und einem anderen Material als Silizium basierenden Teilzellen (2, 3), wobei eine erste Teilzelle (2) zur Ausnutzung von Photonen in einem kurzwelligeren Spektralbereich als einem langwelligeren Spektralbereich einer zweiten Teilzelle (3) ausgebildet ist, indem die zweite Teilzelle (3) auf Silizium basiert und die erste Teilzelle (2) auf einem Material mit einer größeren Bandlücke als in Silizium, wobei die erste Teilzelle (2) und die zweite Teilzelle (3) als eine monolithische, aus einem Schichtstapel bestehende Einheit ausgebildet sind, und wobei die erste Teilzelle (2) und die zweite Teilzelle (3) elektrisch miteinander mittels einer Tunneldiode (5) in Reihe geschaltet sind, sodass die Tandemsolarzelle (1) mit zwei Anschlüssen ausgestattet ist, wobei die Tunneldiode eine Tunneldioden-n-Schicht (6) und eine Tunneldioden-p- Schicht (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunneldioden-n-Schicht (6) und/oder die Tunneldioden-p-Schicht (7) eine siliziumbasierte Schicht ist.
2. Mehrfachsolarzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Tunneldioden-n-Schicht (6) und/oder der Tunneldioden-p-Schicht (7) eine dotierte Legierung von Silizium und wenigstens einer weiteren Legierungskomponente M mit der Summenformel SiMx ist, wobei M für wenigstens eines der Elemente O, C oder N steht.
3. Mehrfachsolarzelle (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunneldioden-n- Schicht eine hoch n-dotierte Si-Oberflächen-Höherdotierungsschicht der zweiten Teilzelle und die Tunneldioden-p-Schicht eine dotierte SiMx-Schicht (9) mit x<l ist, wobei die SiMx-Schicht inhomogen ist und aus einer Siliziumlegierungs-Matrix und darin eingelagerten Siliziumeinschlüssen besteht.
4. Mehrfachsolarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Tunneldioden-n- Schicht als auch die Tunneldioden-p-Schicht eine dotierte SiMx- Schicht (8, 9) ist.
5. Mehrfachsolarzelle (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass die SiMx-Schicht eine Gradientenschicht ist, wobei die elektrische Leitfähigkeit der Gradientenschicht an der Grenzfläche des pn-Übergangs der Tunneldiode größer als an der anderen Grenzfläche der SiMx-Schicht ist und wobei die Brechzahl der Gradientenschicht in Richtung von der ersten Teilzelle zu der zweiten Teilzelle zunimmt.
6. Mehrfachsolarzelle ( ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Tunneldioden-n-Schicht (6) und der Tunneldioden-p-Schicht (7) eine dotierte amorphe Si-Schicht ist.
7. Mehrfachsolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Tunneldioden-n-Schicht (6) und der Tunneldioden-p-Schicht (7) eine dotierte nano- oder mikrokristalline Si-Schicht ist.
8. Mehrfachsolarzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilzelle (3) eine Siliziumheterojunctionsolarzelle ist, bei der der pn-Übergang zwischen einem kristallinen Siliziumwafer (10) und wenigstens einer darauf abgeschiedenen Schicht eines anderen Materials besteht.
9. Mehrfachsolarzelle (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ausbildung der Siliziumheterojunctionsolarzelle neben dem kristallinen Siliziumwafer (10) wenigstens eine amorphe Siliziumschicht (11, 12, 13) beteiligt ist.
10. Mehrfachsolarzelle (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ausbildung der Siliziumheterojunctionsolarzelle neben dem kristallinen Siliziumwafer (10) wenigstens eine nano- oder mikrokristalline Siliziumschicht (11, 12, 13) beteiligt ist.
11. Mehrfachsolarzelle (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilzelle (3) ein n-dotiertes Substrat (10), an ihrer der ersten Teilzelle abgewandten Seite eine intrinsische Siliziumschicht (11) und eine p-dotierte Siliziumschicht (12) und an ihrer der ersten Teilzelle (2) zugewandten Seite eine n-dotierte Gradientenschicht (13) mit geringerer Dotierung an der Grenzfläche zum Siliziumwafer aufweist, wobei die Mehrfachsolarzelle darauf in der angegebenen Reihenfolge eine n-SiMx (8) und eine p-SiMx-Schicht (9) und darauf entweder eine p- leitende Übergangsmetalloxidschicht (14) oder direkt eine Lochleiterschicht (15) der ersten Teilzelle (2) aufweist.
12. Mehrfachsolarzelle ( ) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilzelle (3) ein n-dotiertes Substrat, an ihrer der ersten Teilzelle (2) abgewandten Seite eine intrinsische amorphe Siliziumschicht und eine p-dotierte amorphe Siliziumschicht und an ihrer der ersten Teilzelle zugewandten Seite wenigstens eine n-Si-Schicht aufweist, wobei die Mehrfachsolarzelle auf der n-Si-Schicht eine amorphe p-Si-Schicht und darauf entweder eine p- leitende Übergangsmetalloxidschicht (14) oder direkt eine Lochleiterschicht (15) der ersten Teilzelle (2) aufweist.
13. Mehrfachsolarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Teilzelle (3) ein n-dotiertes Substrat, an ihrer der ersten Teilzelle (2) abgewandten Seite eine intrinsische Siliziumschicht und eine p-dotierte Siliziumschicht und an ihrer der ersten Teilzelle zugewandten Seite wenigstens eine nano- oder mikrokristalline n-Si-Schicht aufweist, wobei die Mehrfachsolarzelle auf der nano- oder mikrokristallinen n-Si-Schicht eine nano- oder mikrokristalline p-Si-Schicht und darauf entweder eine p-leitende Übergangsmetalloxidschicht (14) oder direkt eine Lochleiterschicht (15) der ersten Teilzelle (2) aufweist.
14. Mehrfachsolarzelle (1, 1') nach wenigstens einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachsolarzelle (1, 1') einen beidseitig texturierten Siliziumwafer aufweist.
15. Verfahren zur Herstellung von Mehrfachsolarzellen (1, 1') nach wenigstens einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Herstellungsverfahren eine siliziumbasierte Tunneldioden-n-Schicht (6) und/oder eine Tunneldioden-p-Schicht (7) abgeschieden wird.
EP22724635.2A 2021-05-21 2022-05-17 Mehrfachsolarzelle Pending EP4342003A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021113294.0A DE102021113294B4 (de) 2021-05-21 2021-05-21 Mehrfachsolarzelle
PCT/DE2022/100367 WO2022242797A1 (de) 2021-05-21 2022-05-17 Mehrfachsolarzelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4342003A1 true EP4342003A1 (de) 2024-03-27

Family

ID=81750366

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22724635.2A Pending EP4342003A1 (de) 2021-05-21 2022-05-17 Mehrfachsolarzelle

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP4342003A1 (de)
CN (1) CN117321776A (de)
AU (1) AU2022277275A1 (de)
DE (1) DE102021113294B4 (de)
WO (1) WO2022242797A1 (de)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2413373A1 (de) 2010-07-29 2012-02-01 Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Photoelektrische Vorrichtung mit mehreren Verbindungselementen und Herstellungsverfahren dafür
CN104269451A (zh) * 2014-10-09 2015-01-07 云南师范大学 一种硅基钙钛矿叠层太阳电池及其制造方法
KR20180007585A (ko) 2016-07-13 2018-01-23 엘지전자 주식회사 텐덤 태양전지, 이를 포함하는 텐덤 태양전지 모듈 및 이의 제조방법
GB2559800B (en) 2017-02-20 2019-06-12 Oxford Photovoltaics Ltd Multijunction photovoltaic device

Also Published As

Publication number Publication date
CN117321776A (zh) 2023-12-29
AU2022277275A1 (en) 2023-12-07
DE102021113294A1 (de) 2022-11-24
WO2022242797A1 (de) 2022-11-24
DE102021113294B4 (de) 2023-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3378104B1 (de) Solarzelle mit mehreren durch ladungsträger-selektive kontakte miteinander verbundenen absorbern
CN109728103B (zh) 太阳能电池
DE102005025125B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer einseitig kontaktierten Solarzelle und einseitig kontaktierte Solarzelle
EP2438620B1 (de) Solarzelle mit benachbarten elektrisch isolierenden passivierbereichen mit hoher oberflächenladung gegensätzlicher polarität und herstellungsverfahren
EP0548863B1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle sowie Solarzelle
DE102007051884A1 (de) Amorph-kristalline Solarzellen mit Tandem-Nanostruktur
TW201513380A (zh) 高效率堆疊太陽電池
DE102012209713A1 (de) Verbesserter Kontakt für Silicium-Heterojunction-Solarzellen
DE202009019121U1 (de) Solarzelle
DE2607005C2 (de) Integrierte Tandem-Solarzelle
DE112010004921T5 (de) Rückseitenfeld-Typ einer Heteroübergangssolarzelle und ein Herstellungsverfahren dafür
DE3614546A1 (de) Amorphe solarzelle
CN114512551B (zh) 一种基于p型硅基底的双面TOPCon光伏电池
DE102015218164A1 (de) Solarzelle
CN115000189A (zh) 一种背接触太阳能电池及其制备方法
DE102012104140A1 (de) Verbesserte Emitterstruktur und Verfahren zur Herstellung einer Silicium-Solarzelle mit Heteroübergang
DE212013000122U1 (de) Hybrid-Solarzelle
WO2013171619A1 (de) Heterokontakt-solarzelle und verfahren zu deren herstellung
DE102009008786A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle und Solarzelle
DE112011101267T5 (de) Mehrlagige Photovoltaikzelle mit P/N- und Schottky-Übergang und Verfahren zu deren Herstellung
EP4289009A1 (de) Passivierende und leitende schichtstruktur für solarzellen
DE102016116192B3 (de) Photovoltaikmodul mit integriert serienverschalteten Stapel-Solarzellen und Verfahren zu seiner Herstellung
DE202023101309U1 (de) Solarzelle und Photovoltaikmodul
DE102021113294B4 (de) Mehrfachsolarzelle
WO1998047184A1 (de) Verfahren zur herstellung einer anordnung und anordnung von in serie bzw. reihe geschalteten einzel-solarzellen

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20231220

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR