HRP20171417B1 - Fotonaponska solarna ćelija - Google Patents

Abstract

Ovaj izum odnosi se na fotonaponsku solarnu ćeliju, koja sadrži najmanje jedan poluvodički sloj, najmanje jedan izolirajući elektroizolacijski sloj i najmanje jednu metalnu kontaktnu strukturu, gdje se izolacijski sloj nalazi između poluvodičkog sloja i kontaktne strukture, gdje izolacijski sloj ima više kontaktnih udubljenja u kojima je kontaktna struktura u električnom kontaktu s poluvodičkim slojem u kontaktnom području, te gdje je u poluvodičkom sloju formirano odgovarajuće područje dopiranja, u najmanju ruku u kontaktnom području, dopiranjem poluvodičkog sloja metalom, od kojeg je u najmanju ruku djelomično načinjena kontaktna struktura. Za ovaj izum karakteristično je da kontaktna struktura ima više kontaktnih prstiju, od kojih se svaki pruža preko više kontaktnih područja, gdje kontaktni prsti imaju lokalno povećanu površinu poprečnog presjeka u kontaktnim područjima.This invention relates to photovoltaic solar cell, comprising at least one semiconductor layer, at least one electrically insulating insulation layer and at least one metal contacting structure, wherein the insulation layer is arranged between the semiconductor layer and the contacting structure, and the insulation layer has a plurality of contacting recesses at which the contacting structure forms an electric contact with the semiconductor layer in a contacting region , and wherein a respective doping region is formed in the semiconductor layer, at least at the contacting regions, by doping the semiconductor layer with a metal, from which metal the contacting structure is at least partially formed. The invention is characterised in that the contacting structure has a plurality of contact fingers, each of which extends over a number of contacting regions, wherein the contact fingers have a local cross-sectional area increase at the contacting regions.

Description

Izum se odnosi na fotonaponsku solarnu ćeliju prema preambuli zahtjeva 1.

Fotonaponske ćelije služe za pretvorbu energije upadnih fotona u električnu energiju. U tu svrhu, tipične solarne ćelije imaju poluvodljivi sloj, električno izolirani sloj i metalnu spojnu strukturu.

Apsorbirani protoni u poluvodljivom sloju proizvode par nosioca, koji se razdvajaju na pn-spoju. Metalna spojna struktura je povezana s p- ili n- dotiranim područjem, tako da se nosioci mogu raspršiti. Preko druge metalne strukture s kontaktima se odvode odgovarajući nosioci područja poluvodljive strukture suprotnog dopiranog tipa.

Izolacijski sloj je smješten između poluvodiča i spojne strukture, kako bi se smanjili gubitci nastali rekombiniranjem manjinskih nosioca na metal/poluvodljivom graničnom području. U izolacijskom spoju može doći do električnog kontakta između spojne kontaktne strukture i poluvodičkog sloja.

Nadalje je poznato da je za prorjeđenje rekombinacija manjinskih nosioca na preostalom graničnom području između metala i poluvodiča u poluvodičkom sloju na područjima spoja potrebno osigurati bar jedno dopirano područje nastalo dopiranjem poluvodičkog sloja s metalom, kojem je sastavni dio spojne strukture metal. Time se, tijekom proizvodnog procesa solarne ćelije, može na jednostavan način koristiti metal metalne kontaktne strukture za izradu takozvanih visoko dopiranih područja u kontaktnim područjima u poluvodičkom sloju, te se na taj način postiže već spomenuto reduciranje rekombinacije manjinskih nosioca na učinkovitiji način.

Unatoč uspjehu s obzirom na smanjenje troškova proizvodnje i / ili povećanje učinkovitosti fotonaponskih solarnih ćelija, još uvijek postoji pritisak na tržište vezan na visoku cijenu. Prema tome, fotonaponske ćelije nalaze velik raspon takvih primjena, kod kojih nije uvijek optimalna primjena zajamčena s obzirom na izvor zračenja, kao što je na primjer sunce.

Zbog toga izum ima zadatak poboljšati fotonaponsku solarnu ćeliju s izolacijskim slojem i kontaktnom strukturom kao što je gore opisano, tako da se na temelju postignutih smanjenja gubitaka poveća učinkovitost.

Ovaj cilj se postiže fotonaponskom solarnom ćelijom prema zahtjevu 1. Povoljniji načini primjene fotonaponske solarne ćelije prema izumu mogu se pronaći u zahtjevima 2 do 15.

Ovaj izum se temelji na saznanju da se specijalno kod solarnih ćelija s kontaktnom strukturom kao što je opisano na početku utvrđuje gubitak u kontaktnoj strukturi u području kontaktnih utora:

Kao što je prethodno opisano, metal kontaktne strukture se koristi za stvaranje lokalno dopiranih područja na kontaktnim utorima u poluvodljivom sloju. Međutim, to ne uzrokuje samo lokalno dopiranje poluvodljivog sloja pomoću metala, već se i na tipičan način poluvodički materijal integrira u metalnu kontaktnu strukturu. Time se smanjuje vodljivost kontaktne strukture u ovoj regiji. Istraživanja su pokazala da, osobito pri izradi kontaktne strukture korištenjem kontaktnih izvoda poznatih per se, otpor vodljivosti kontaktnih izvoda prethodno poznatih solarnih struktura u području kontaktnih utora raste kroz poluvodljivi materijal skladišten u kontaktnom izvodu, te na temelju povećane otpornosti električne vodljivosti i odgovarajućih gubitaka ohmske snage dolazi do značajnih smanjenja ukupne učinkovitosti fotonaponske solarne ćelije.

Fotonaponska solarna ćelija prema izumu dovodi do izbjegavanja ili barem smanjenja ovih gubitaka:

Fotonaponska solarna ćelija prema ovom izumu ima najmanje jedan poluvodljivi sloj, barem jedan izolacijski sloj koji se električno izolira i barem jedan metani kontakt na sebi. Izolacijski sloj je postavljen između poluvodljivog sloja i kontaktne strukture.

Kako bi se izradilo električno spajanje poluvodičkog sloja usred kontaktne strukture, izolacijski sloj mora imati mnoštvo kontaktnih utora, na kojima kontaktna struktura tvori električni kontakt s poluvodljivim slojem u kontaktnom području.

Nadalje je, kao što je opisano na početku, u poluvodljivom sloju na kontaktnim područjima oblikovano barem jedno dopirano područje kroz dopiranje poluvodljivog sloja sa metalom, čiji je metal potpuni ili djelomični sastavni dio metalne kontaktne strukture. Prema tome se mogu, kao što je gore opisano, smanjiti gubitci nastali zbog površinske rekombinacije nosioca u poluvodljivom sloju na kontaktnim područjima.

Bitno je da kontaktna struktura ima veći broj kontaktnih izvoda, a kontaktni izvodi se protežu preko više kontaktnih područja i/ili se pružaju uzduž više kontaktnih područja, pri čemu kontaktni izvodi na kontaktnim područjima dovode do povećanja površina poprečnog presjeka.

Ova izvedba se temelji na saznanju da je prisutna konstrukcija s kontaktima, koja obuhvaća prethodno opisana dotirana područja, i čija struktura nije potpuno metalizirana kao npr. prethodno poznate potpune bočne metalizacije. Postoji potreba za takvom strukturom s kontaktima koja je djelomično transparentna za upadajuće fotone na temelju nepotpune prekrivenosti površine metalnim slojem. Pomoću takve strukture s većim brojem kontaktnim izvoda moguća je primjena strukture s kontaktima na prednju stranu solarne ćelije okrenute prema sunčevoj svijetlosti.

Isto tako, moguće je koristiti stražnju stranu solarne ćelije npr. kako bi se oblikovala bifacijalna fotonaponska solarna ćelija, što će biti detaljnije opisano u nastavku.

Ovdje su istraživanja pokazala da za razliku od potpuno metalizirane izvedbe, kontaktne strukture s više kontaktnih izvoda nose rizik od prethodno spomenutih ohmskih gubitaka snage zbog lokalno povećane otpornosti u samim kontaktnim izvodima.

Prema načinu izvedbe fotonaponske solarne ćelije prema izumu, kontaktni se izvodi pružaju poprijeko i/ili uzduž više kontaknih područja, gdje izvodi na kontaknim područjima stvaraju lokalno povećanje površina poprečnog presjeka. Isto tako, izvodi na kontaknim područjima stvaraju električno paralelno spojene vodljive strukture, koje ne prekrivaju kontaktna područja.

Kroz lokalno povećanje područja poprečnog presjeka se može kompenzirati, ili u najmanju ruku prorijediti nepoželjna povećanja vodljivosti kontaktnog izvoda na utorima kontakta. Kao rezultat , kroz ovakvu izvedbu kontaknih izvoda s više područja poprečnog presjeka izbjegavaju se, ili barem smanjuju, gore navedeni gubitci ohmske snage. Kontaktni izvodi na kontaktnim područjima poželjno stvaraju proširenja paralelno s obzirom na površinu izolacijskog sloja te desno prema longitudinalnom smjeru kontaknog izvoda.

Kao rezultat, lokalno proširenje kontaktnog izvoda na kontaknom području postiže jednostavniju i tehnički nezahtjevnu realizaciju lokalnog povećanja površina poprečnog presjeka.

Posebno je poželjno u ovom slučaju to da su kontakni izvodi na kontaknom području izrađeni tako da preklapaju izolacijski sloj. To rezultira dvostrukim efektom smanjenja prethodno spomenutih gubitaka ohmske snage.

Kroz proširenje na kontaknim područjima se s jedne strane pospješuje povećanje površina poprečnog presjeka, tako da na temelju povećanje površina poprečnog presjeka pada otpor provodljivosti samih kontaknih izvoda, za razliku od kontaknih izvoda bez povećanja površina poprečnog presjeka.

Osim toga se u područjima onih kontaknih izvoda koji preklapaju izolacijski sloj, ne ugrađuje ili rijetko ugrađuje poluvodički materijal, jer tijekom proizvodnog procesa ova područja nisu u dodiru, ili bar direktnom dodiru, sa poluvodičkim slojem. Kao rezultat toga je smanjen specifični otpor provodljivosti u područjima onih kontaktnih izvoda koji preklapaju izolacijski sloj (na temelju smanjene skladištenja poluvodičkog materijala), za razliku od područja direktno na kontaktnim površinama ili preko kontaktnih površina (na temelju povećanog skladištenja). U odgovarajućem dijagramu se može izuzeti paralelna veza jednog kontaktnog izvoda sa povećanim specifičnim otporom i smanjenim specifičnim otporom, tako da uslijed skladištenja poluvodičkog materijala nastaje nikakvo ili jako malo povećanje otpora provodljivosti u kontaktnim izvodima, te se na taj način izbjegavaju, ili barem smanjuju gubitci učinkovitosti.

U naročito poželjnoj izvedbi kontaktni izvodi prekrivaju izolacijski sloj. Kroz to se s jedne strane pojačava opisani efekt paralelnog spajanja. Dodatno je za izradu solarne ćelije potrebna određena preciznost u procesiranju, jer oko površine spoja kontakta postoji preklapanje izolacijskog sloja pomoću metaliziranih izvoda te je na taj način osigurana veća tolerancija u odnosu na nepravilne prilagodbe.

Osnovna zadaća izuma se ispunjava tako što kontaktni izvodi stvaraju električno paralelno spojene metalizirane vodljive strukture na kontaktnim područjima, ne prekrivajući kontaktna područja. Ove električno paralelno spojene metalne vodljive strukture skladište jako malo ili nikako poluvodljivi materijal, i ne prekrivaju kontaktna područja. Na temelju paralelnog spajanja područja kontaktnih izvoda, koje prekriva kontaktno područje, se pomoću električno paralelno spojene metalne vodljive strukture kompenziraju, ili barem smanjuju povećanja u otporu provodljivosti koja nastaju zbog skladištenja poluvodljivog materijala.

Električno paralelno spojene metalne vodljive strukture su ponajprije izrađene kao lokalni, paralelno sporedni izvodi. Ovi sporedni izvodi su sastavni dio jednog izvoda, ali se protežu u područja kontaktnih područja odvojeno, ali paralelno s glavnom granom izvoda.

U ovom slučaju, osobito je poželjno to što glavna grana ne prekriva kontaktna područja, nego samo sporedne izvode kontaktnog područja.

Rezultat je to da struja u glavnoj grani nije, ili je neznatno malo ometana taloženjima poluvodljivog materijala. Zbog toga su sporedni vodovi u području kontaktnih područja razmaknuti tako da se, zahvaljujući prostranosti razmaka, tijekom proizvodnje jednog takvog poluvodljivog materijala kontaktnog izvoda koji je ugrađen u metal sporednog izvoda, ne može doprijeti do materijala glavnog voda kontaktnog izvoda.

Kontaktni utori su raspoređeni u parovima, gdje je jednom paru utora dodijeljen kontaktni izvod na suprotnoj strani.

U ovoj povoljnoj izvedbi izuma, glavna se linija ili glavna grana kontaktnog izvoda prostire između para kontaktnih utora kontaktnog izvoda, pri čemu se pojavljuje proširenje u području kontaktnog utora kontaktnog izvoda, tako da glavna grana prekriva kontaktne utore.

Kontaktni izvod tako ima glavnu granu koja se proteže između oba para utora. U području kontaktnih utora, glavna grana kontaktnog izvoda ima proširenje u obliku bočnih grana ili bočno povezanih produžetaka, koje pokrivaju barem kontaktne utore.

Glavna grana kontaktnog prsta je vođena između dodirnih udubljenja na samom izolacijskom sloju te na taj način nema nikakvih ili samo relativno malih skladištenja poluvodičkog materijala na ovom području, a time nikakvo ili relativno malo povećanje specifičnog vodljivog otpora. Zbog prekrivanja dodirnih udubljenja se nosioci sporedno dovode do glavne grane kontaktnog izvoda. Međutim, ukupna gustoća struje u ovom bočnom pristupu relativno je niska, budući da se samo glavni nosioci naboja iz odgovarajućih dodirnih udubljenja moraju dovesti do glavne grane kontaktnog izvoda unutar tih područja. Nasuprot tome, nosioci susjednih parova dodirnih udubljenja prolaze kroz glavnu granu kontaktnog izvoda koji, kao što je gore opisano, nije, ili samo neznatno, oslabljen taloženjima poluvodičkog materijala.

Alternativno i / ili dodatno za formiranje jednog lokalnog poprečnog presjeka kroz lokalna proširenja kontaktnog izvoda, kontaktni izvod stvara podebljanje na dodirnim područjima. Time, u slučaju konstantne širine nastale isključivo podebljanjem, može se postići lokalno povećanje područja poprečnog presjeka kako bi se smanjili ohmski gubitci snage kao što je gore opisano.

Isto tako, kroz kombinaciju proširenja i podebljanja može se postići povećanje područja poprečnog presjeka jednake jačine te sve veće smanjenje otpora.

Poželjno, kontaktna struktura obuhvaća više kontaktnih izvoda i barem jednu sabirnicu, pri čemu je poželjno da se dodirni izvodi spajaju na sabirnicu na način da su električno vodljivi i da zatvaraju materijal.

Sabirnica predstavlja dio područja kontaktne strukture, koja skuplja veći broj nosioca sa kontaktnih izvoda i dovodi ih do priključka kao što je npr. konektor ćelija.

Poželjno, sabirnica ne pokriva dodirna područja, h. sabirnica je povezana sa strukturom poluvodiča isključivo preko kontaktnih izvoda i kontaktnih površina koje ona pokriva. Prednost ovog spoja je to da nema smanjenja vodljivosti u sabirnici zbog skladištenja poluvodičkog materijala.

Kontaktni prsti i sabirnice mogu imati strukturu poznatih kontaktnih rešetki, naročito strukturu rešetki u obliku češlja ili dvostrukog češlja. Poželjno, kontaktni izvodi se protežu paralelno, a sabirnica se prostire okomito na kontaktne izvode. Prema tome se sabirnica i kontaktni izvod (ili sabirnica i glavna grana konstantnog izvoda u poželjnoj realizaciji kao što je prije opisano) mogu koristiti za poznate geometrijske izvedbe i metode proizvodnje. U daljnjem načinu izvedbe kontaktna struktura obuhvaća mnoštvo kontaktnih izvoda, gdje izvodi nemaju međusobno metalne električki vodljive spojeve. Električki vodljivi spoj kontaktnih izvoda postoji preko poluvodičkog sloja ili preko vanjskog strujnog kruga, ili na primjer, nakon završetka proizvodnje solarnog modula i povezivanja solarne ćelije sa više susjednih solarnih ćelija preko dodatnih komponenti .

To rezultira jeftinom i učinkovitom proizvodnjom jer se sabirnice ne izrađuju kao komponenta solarne ćelije koja povezuje kontaktne izvode.

Barem djelomična količina kontaktnih površina, koje poželjno svih dodirnih površina, ima izduženo istezanje, a dodirne površine su postavljene okomito na uzdužnu opseg kontaktnog prsta. U ovoj povoljnoj izvedbi se kontaktni izvod može promatrati kao sastavni dio glavne grane, na kojoj su sa strane bočno smještene kontaktne površine, koje se poželjno protežu otprilike okomito na glavnu granu kontaktnog izvoda. I u ovom slučaju kontaktni izvod pokriva u najmanju ruku kontaktne površine, te što je poželjno, područje izolacijskog sloja koje okružuje kontaktnu površinu. S obzirom na vodove vodljivosti, dodirne površine se na temelju svojih dugih produžetaka i prekrivenih područja izvoda mogu smatrati kao „MikroFinger" (navod iz teksta, mikroizvod) čiji nosioci opskrbljuju glavnu granu.

To rezultira već spomenutom prednošću da se u glavnoj grani kontaktnog izvoda javlja jako mali ili nikakav porast otpora uslijed skladištenja poluvodičkog materijala. Zbog toga produžetak kontaktne površine pruža mogućnost dobrog pokrivanja poluvodičkog sloja kroz dodirne površine čime se dodatno smanjuju gubici zbog otpora vodljivosti u poluvodičkom sloju, tzv. gubici otpora u serijskim spojevima unutar poluvodičkog sloja zbog kraćih putanja protoka većinskog nosioca naboja u poluvodičkom sloju.

Dodatno smanjenje ohmskih gubitaka snage u kontaktnoj strukturi postiže se u daljnjom izvedbom, pri kojoj kontaktni izvod na kontaktnim površinama s produžetcima ima površinu poprečnog presjeka uzduž samih produžetaka u smjeru kontaktnog izvoda, povećane širine, što je i poželjno. Navedeni “mikro-izvodi” su tako izrađeni u sebi poznatom obliku "suženog izvoda" . Pri tome se zanemaruje činjenica da nosioci svih kontaktnih površina ulaze u metalizaciju prekrivenoj kontaktnim površinama čime se povećava ukupna struja u kontaktnoj strukturi duž kontaktne površine u smjeru trenutnog toka glavne struje. Kontinuirani ili stupanjski kvazi-kontinuirani rast površina poprečnih presjeka duž ovog glavnog smjera struje prisutan u smjeru glavne grane kontaktnog izvoda, dovodi do optimizacije u tome da s jedne strane jako malo ili nikako ne raste gustoća struje dok s druge strane sjenčanje gornje površine solarne ćelije održava što je moguće manje s obzirom na kontaktnu strukturu.

Kao što je gore navedeno, proizvodni procesi, koji u takvim kontaktnim strukturama imaju lokalno dopiranje u području kontaktnih površina s metalom koji je potpuna ili djelomična komponenta metalizacijske strukture, dovode do skladištenja poluvodičkog materijala u metalizacijskoj strukturi u području kontaktnih površina. Kontaktni izvodi tako mogu sadržavati poluvodički materijal poluvodljivog sloja u kontaktnom području.

Opisana kontaktna struktura namijenjena je za postavljanje na stražnju stranu solane ćelije. Kao rezultat, poznata i poželjna struktura lokalnog kontakta (preko lokalnih utora u izolacijskom sloju za stvaranje kontaktnih površina) i lokalnog visokog dopiranja u poluvodičkom sloju se mogu održavati u području dodirnih površina, a istodobno se može formirati bifazna solarna ćelija:

Zbog formiranja kontaktne strukture s većim brojem kontaktnih prstiju, nije potrebno osigurati metalizaciju stražnje strane pune površine.

Na područjima stražnje strane koja nisu prekrivena kontaktnom strukturom fotoni mogu prodrijeti u poluvodljivi sloj i pridonijeti obnavljanju nosioca. Prednosno, fotonaponska solarna ćelija prema izumu je stoga oblikovana kao bifacijska solarna ćelija, tako da fotoni koji nastaju na solarnoj ćeliji s prednje strane kao i oni sa stražnje strane mogu pridonijeti stvaranju električne energije.

Kontaktne struktura biva djelomično korištena za stvaranje kontakta jednog p-dopiranog područja. Tipični metal za izradu kontaktne strukture je npr. aluminij. Uz pomoć ovih metala se može, kao što je prije opisano, može se lokalno visoko dopiranje odviti u p-dopiranom području solarne ćelije, ali ne i u suprotno dotiranim podučjima, n-dotiranim područjima.

Većina trenutno proizvedenih solarnih ćelija ima n-dopiran emiter i odgovarajuću p-dopiranu bazu. Zbog toga se za izvođenje kontakta između baze i solarne ćelije koristi kontaktna struktura.

Od interesa su one solarne ćelije poboljšanih svojstava materijala koje imaju n-dopiranu bazu. U slučaju takvih solarnih ćelija se koriste kontaktne strukture za stvaranje kontakta p-dotiranog emitera, kao npr. pri korištenju srednje p-dotiranog emitera aluminijumom.

Posebnu prednost ima fotonaponska ćelija izrađena kao PERC solarna ćelija. Osnovna struktura takve solarne ćelije je Blakers, et al. (1989): 22.8% efficient Silicon solar cell. In: Appl. Phys. Lett. 55 (13), S. 1363. DOI: 10.1063/1 .101596, beschrieben.

Lokalno povećanje područja poprečnog presjeka dizajnirano je na takav način da je površina poprečnih presjeka u prostorima kontaktnih područja povišena s barem jednim faktorom 1,2, poželjno je da je povišen s barem jednim faktorom 1,5, te posebno s barem jednim faktorom 2, za razliku od površina poprečnog presjeka područja kontaktnih izvoda, koji su odvojeni od kontaktnih područja u smjeru toka glavne struje. Lokalna povišenja površina poprečnih presjeka dizajnirana su ponajprije na takav način da u područjima kontaktnih područja površine poprečnog presjeka budu povišene s maksimalno jednim faktorom 10, poželjno s maksimalno jednim faktorom 7, te poželjno s maksimalno jednim faktorom 5, , za razliku od površina poprečnog presjeka područja kontaktnih izvoda, koji su razmaknuti od kontaktnih područja u smjeru toka glavne struje.

U smjeru toka glavne struje kontaktnog izvoda, odnosno glavne grane kontaktnog izvoda protežu se lokalna povećanja površina poprečnog presjeka kako je i poželjno maksimalno za dvostruku duljinu one od kontaktnih površina u smjeru toka glavne struje, poželjno maksimalno za duljinu same kontaktne površine, te naročito povoljno barem polovinu duljine kontaktne površine.

Tipično, kontaktni izvod ili barem jedna glavna grana kontaktnog izvoda ima produžetak. U ovom slučaju, smjer strujanja glavne struje se proteže duž ovog produženog produžetka. produljene mjere.

Kao što je gore spomenuto, kod ovog izuma se izbjegavaju negativni učinci nastali zbog poluvodičkog materijala koji je ugrađen u kontaktne izvode. Tipično, kontaktni izvodi na području dodirnih površina imaju lokalne taloge poluvodičkog materijala u koncentraciji većoj od 20% (težinski), posebno veću od 12,6%, a takve koncentracije u kontaktnom izvodu se dobivaju posebno tijekom epitaksijalnog rasta dopiranog područja na poluvodiču jednog tekuće faze nastale miješanjem metala i poluvodiča , naročito poželjno metalom kontaktirajuće strukture.

Kontaktne površine, preko kojih i/ili uzduž kojih se protežu kontaktni izvodi su odvojene jedne od drugih. Poželjno je da razmak između kontaktnih područja iznosi minimalno 100 μιη, posebno poželjno da razmak iznosi najmanje 200 μιη kako bi se smanjio negativan utjecaj zbog rekombiniranih učinaka na kontaktnim područjima. Optimalnost između serijskog otpora i efekata rekombiniranja postiže se realizacijom pri kojoj su tipične udaljenosti kontaktnih područja u rasponu od 100 μιη do4mm, a naročito realizacijom s rasponom od 200 Mm do 3 mm. Poremećaj u kvaliteti električne vodljivosti nastala skladištenjem poluvodljivog materijala zbog procesa stvaranja kontakta samih kontaktnih struktura s p-dotirani poluvodljivim materijalom, a osobito s p-dotiranom bazom. Zbog toga je dizajnirana kontaktna struktura za stvaranje kontakta (spoja) p-dotiranog područja solarne ćelije i baze. Posebnu pažnju dodaje se na to da je kontaktna struktura smještena na stražnjoj strani suncu okrenute solarne ćelije.

Ovaj izum je naročito prikladan za sebi poznate izvedbe od kontaktnih struktura s više kontaktnih izvoda koje se nalaze na samom izumu. Prema tome, svi kontaktni izvodi kontaktnih struktura protežu se preko većeg broja međusobno razmaknutih kontaktnih područja i/ili uzduž više većeg broja međusobno razmaknutih kontaktnih područja, pri čemu kontaktni izvodi na kontaktnim područjima imaju lokalno povećanje površina poprečnog presjeka, i/ili kontaktni izvodi na kontaktnim područjima imaju električno paralelno vodljive metalne strukture koje ne prekrivaju kontaktna područja.

Daljnje poželjne karakteristike i izvedbe objašnjene su u nastavku uz primjere izvedbe i slike. Pri tome pokazuje:

Slika 1 prvi primjer izvedbe izumske fotonaponske ćelije, koja je izvedena kao PERC solarna ćelija je u perspektivnom( pogled iu neceg) prikazu

Slika 2 kontaktna struktura solarne ćelije prikazane slikom 1;

Slika 3 alternativna kontaktna struktura prikazana drugim primjerom izvedbe koji obuhvaća mikro-izvode.

Slika 4 daljnja alternativna izvedba kontaktne strukture na temelju trećeg primjera izvedbe koja nema sabirnicu.

Slika 5 presjek još jednog daljnjeg primjera izvedbe , pri čemu prikaz isječka prolazi kroz jedan kontaktni izvod

Slika 6 šesti primjer izvedbe, kod kojeg se kontaktni izvodi nalaze na kontaktnom području električno paralelno spojene vodljive strukture , pri tom neprikrivajući kontaktna područja.

Razne slike prikazuju shematske izvedbe koje nisu mjerodavne. Identični referentni simboli na slikama 1 do 5 označavaju iste ili ekvivalentne elemente.

Slika 1 prikazuje prvi primjer izvedbe fotonaponske solarne ćelije prema izumu, koja ima PERC strukturu:

Solarna ćelija ima poluvodički sloj 1, koji je izveden kao p-dopiran silicij. Na ilustraciji prema slici 1 stražnja strana solarne ćelije nalazi se gore i prema tome, prednja strana solarne ćelije je prikazana na dnu.

Na prednjoj strani solarne ćelije formira se n-dopiran emiter 2. Za pasiviranje i poboljšanje optičkih svojstava (smanjenje refleksije), na prednjoj strani je dodatno postavljen antireflekcijski sloj 3, koji je konstruiran kao dielektrični sloj i koji je stoga dodatno električno izoliran. Na antireflektirajućem sloju 3 (nije prikazan), postavljena je metalna frontalno kontaktna rešetka, koja prolazi kroz antireflektirajući sloj 3, kako bi oblikovala električno vodljivu vezu sa emiterom 2 na sebi poznat način.

Električki izolacijski izolacijski sloj 4 postavljen je na stražnjoj strani solarne ćelije, koji je konstruiran kao sloj silicij nitrida.

Na izolacijski sloj 4 je postavljena kontaktna struktura 5, koja time predstavlja metalnu konstrukciju za stvaranje kontakta na stražnjoj strani solarne ćelije, što je prikazano slikom 1. Izolirajući sloj 3 ima veći broj udubljenja, odnosno utora za kontakt (na primjer, udubljenje za oblikovanje kontakta 6). Ovo mnoštvo kontaktnih utora proizvodi , na primjer, pomoću lokalne laserske ablacije izolacijskog sloja.

Na ovim kontaktnim utorima 6 kontaktna struktura 5 prodire izolacijski sloj 4 i zajedno s poluvodičkim materijalom 1 gradi električno vodljiv kontakt za kontaktiranje p-dotirane baze fotonaponske ćelije.

Tijekom proizvodnje, poluvodički materijal poluvodičkog sloja 1 u području kontaktnih utora se ispušta u rastaljeni metal u procesu zvanom "kontaktno taljenje". Tijekom procesa hlađenja kontaktnog taljenja rekristalizira se ispušteni poluvodički materijal na poluvodljivom sloju 1, te je na taj način dopiran metalom, ponajprije aluminijumom, tako da je s jedne strane metal kontaktirajuće strukture 5 prisutan kao dopanik u poluvodičkom sloju 1 te se time stvaraju lokalna dopirana područja 7.S druge strane, poluvodički materijal je također ugrađen u kontaktnu strukturu u području kontaktnih utora.

Kontaktna struktura je ponajprije izgrađena od aluminija, tako da dopirana područja 7 predstavljaju aluminiom dotirana područja, i zbog toga, p-dopirana područja. Dopiranje ovih područja je veće od osnovnog dopiranja baze poluvodičkog sloja 1, tako da dopirana područja 7 predstavljaju lokalna visoko p-dopirana područja ( označava se kao p++ područja) .

Dizajn kontaktne strukture 5 objašnjeno je detaljnije u nastavku s pozivom na Sliku 2:

Slike 2 do 4 i 6 prikazuju djelomične isječke različitih kontaktnih konstrukcija gledano od gore. Slika 2 prikazuje kontaktnu strukturu 5 solarne ćelije dane slikom 1.

Dodatno su slikama 2 do 4 i slikom 6 prikazani uvećani isječci lokalni povećanja površina poprečnog presjeka kontaktne strukture.

Kontaktna struktura 5 prikazana na slici 2 ima sabirnicu 8 i veći broj kontaktnih izvoda, pri čemu su u ovom slučaju prikazana tri kontaktna izvoda 9. Kontaktni izvodi se protežu preko više međusobno razmaknutih kontaktnih područja 10, s razmakom 500 μιη:

Kao što se vidi u povećanom isječku, izolacijski sloj 4 kontaktnog izvoda 9 prodire u kontaktni utor i time stvara električni kontakt s poluvodičkim slojem 1 u ovom području. Time postoji kontaktna površina 11 u kontaktnom području 10 na kojoj kontaktnoj površini11 se kontaktna struktura 5 i poluvodički sloj 1 izravno dodiruju i formiraju električni kontakt.

Očito je da kontaktni prsti 9 imaju lokalno povećanje površine poprečnog presjeka na kontaktnim područjima 10:

Kao na tlocrtu prikazanom slikom 2, kontaktni izvodi 9 imaju na kontaktnim područjima 10 lokalno proširenje paralelno površini izolacijskog sloja 4. Time je lokalno povećanje površine poprečnog presjeka povećanje površine poprečnog presjeka kontaktnog izvoda 9 u području kontaktne površine 11 nasuprot području poprečnog presjeka kontaktnog izvoda ispred i iza dodirne površine 11. Površina poprečnog presjeka prisutna u području kontaktnih površina (područje "A1") je povećana s faktorom od približno 1,7, u usporedbi s područjem presjeka ispred i iza dodirne površine (pozicije "A2" i "A3"). Najprije je povećanje površina poprečnog presjeka s faktorom u rasponu 1, 10 do 3, a naročito u rasponu od 1,2 do 2.

U području izvan kontaktnih površina (izvan površina poprečnog presjeka), izvodi imaju širinu od oko 300 μm, gdje je bitno da je ta širina otprilike unutar željenog raspona (100 μm do 500 μm). U području kontaktnih površina (u području povećanja površine poprečnog presjeka) izvodi imaju širinu od približno 500 μm. Ponajprije povećanje površine poprečnog presjeka ograničeno je približno na područje kontaktne površine. Isto tako, povećanje površine poprečnog presjeka može se lagano proširiti ispred i iza kontaktne površine, ali ponajprije za manje od polovice duljine kontaktne površine.

Pojam "duljina" odnosi se na protezanje kontaktne površine u smjeru glavnog toka struje. Kako je proširenje izrađeno većim od širine kontaktne površine 11, kontaktni izvod 9 na kontaktnom području 10 je izrađen tako da preklapa izolacijski sloj 4. Kontaktni izvod posebno preklapa izolacijski sloj 4 u području koje obuhvaća kontaktnu površinu 11, tj. u pogledu odozgo je kontaktna površina 11 obuhvaćena područjem koje je preklopljeno izolacijskim slojem 4 kontaktnog izvoda 9 zatvorena. Kontaktni izvod 9 prekriva kontaktno područje 10 te na taj način i kontaktnu površinu 11.

Pri korištenju solarne ćelije strujni tok u kontaktnoj strukturi odvija se u smjeru sabirnice 8, koja je pri izradi solarnog modula sa susjednom solarnom ćelijom povezana električno vodljivo preko konektora ćelija.

U kontaktnom izvodu 9 se provodi tok struje s lijeva na desno, prikazano slikom 2. U jednom kontaktnom području je povećan specifični otpor provodljivosti kontaktnog izvoda 9 jer je u tom području skladišten poluvodljivi materijal poluvodljivog sloja u kontaktne izvode.

Na temelju povećanja površina poprečnog presjeka, ponajprije na temelju širenja kontaktnog izvoda u kontaktnom području, kompenzira se ovo povećanje specifičnog otpora provodljivosti. Zbog toga rubna područja kontaktnog izvoda 9, koja obuhvaćaju i zatvaraju kontaktno područje 10, imaju jako malu ili nikakvu koncentraciju poluvodljivog materijala, pa isto tako imaju jako malen ili nikakav porast otpora provodljivosti.

Kao rezultat toga se izbjegava ili barem značajno smanjuje gubitak učinkovitosti uzrokovan lokalnim povećanjem otpora provodljivosti kontaktne strukture 5 nastalog zbog skladištenja poluvodičkog materijala.

Slika 3 prikazuje alternativnu izvedbu kontaktne strukture 5' s odgovarajući alternativnom izvedbom i rasporedom kontaktnih udubljenja i kontaktnih površina 11' predočeno jednim drugim primjerom izvedbe. Kontaktna struktura 5' prikazana slikom 3 može zamijeniti kontaktnu strukturu 5 u slici 1 odgovarajući dodijeljenim kontaktnim udubljenjima 6, tj. i kontaktna struktura 5' je djelomično iskoristiva kao kontaktna struktura stražnje strane bificijalno izgrađene PERC solarne ćelije.

Kontaktni izvod 9' kontaktne strukture 5' prikazane slikom 3 posjeduje jednu glavnu granu 12' na sebi, iz koje se pružaju mikroizvodi 13, kao što se vidi i u uvećanom prikazu presjeka. Mikroizvodi 13 se pružaju okomito na glavni smjer pružanja glavne grane 12 kontaktnog izvoda 9.

Kontaktne površine 11 'imaju izdužene produžetke na sebi i postavljene su okomito na razmak i postavljene su okomito na smjer pružanja glavne grane 12 kontaktnog izvoda 9'. Mikroizvodi 13 prekrivaju kontaktne površine 11' u potpunosti i prema tome preklapaju izolacijski sloj obavijajući kontaktne površine 11'.

Kod kontaktne strukture 5' prikazane Slici 3 tijekom korištenja solarne ćelije u kontaktnom izvodu 9' u biti teče struja u smjeru sabirnice 5', tj. u glavnu granu 12 kontaktnog izvoda 9' s lijeva na desno prikazano u izvedbi na slici 3.

U mikroizvodima se provodi tok struje okomito na glavnu granu 12 i u smjeru glavne grane 12.

Kontaktni izvod 9' stvara lokalna povećanja površina poprečnog presjeka na kontaktnim površinama 11', koja su formirana pomoću mikro izvoda 13 i lokalnih proširenja (u smjeru glavne grane 12). Površina poprečnog presjeka povećava se kroz jedan par mikroizvoda s jednim faktorom 3. U ovoj izvedbi se ostvaruje povećanje područja poprečnog presjeka jednim faktorom u rasponu od 2 do 5.

Prema tome glavna grana 12 ne prekriva kontaktne površine 11', pa se tako u glavnoj grani 12 nalazi jako mala ili nikakva koncentracija poluvodičkog materijala, te na taj način tok struje glavne grane 12' u smjeru sabirnice 5' biva jako, malo ili nikako ometan povećanjem otpora provodljivosti nastalog taloženjem poluvoljivog materijala.

Slika 4 prikazuje primjer izvedbe za kontaktnu strukturu 5'' koja se može koristiti kao kontakt stražnje strane solarne ćelije jednakoj kao u izvedbi na Slici 1. Dimenzija lokalnog presjeka poprečnog presjeka može se izvesti analogno primjeru izvedbe prema Slici 3.

Kontaktna struktura 5'' je posebna po tome što solarna ćelija nema električne vodove za spajanje pojedinačnih kontaktnih izvoda 9'':

Kontaktna struktura 5'' sadrži veći broj kontaktnih izvoda '', koji se pružaju s jednom glavnom granom izvoda uzduž većeg broja kontaktnih površina 11''. Kontaktne površine 11'' su, kako se vidi na Slici 3, u parovima, gdje su kontaktne površine pridružene jednom paru izrađene (i odgovarajuće pridružena kontaktna udubljenja u izolacijskom sloju) na nasuprotno ležećoj strani glavne grane odgovarajućeg kontaktnog izvoda 9' .

Uvećani isječak prikazuje kontaktni izvod 9' s jednim parom od kontaktnih površina 11'', koje su nasuprotno pridružene glavnoj grani 12'' kontaktnog izvoda 9''. Isto tako je u okvirima izuma potrebno izraditi kontaktnu površinu od nekoliko kontaktnih površina, koje se pri tome pružaju ispod glavne grane kontaktnog izvoda.

Kontaktna struktura 5'' također sadrži mikro izvode 13':

Kao što je vidljivo u povećanom prikazu, bočno na glavnoj grani 12'' kontaktnog izvoda 9'' pridruženi su mikroizvodi 13'', koji potpuno prekrivaju kontaktne površine 11''. Prema tome su mikro izvodi 13' izrađeni kao „suženi izvodi“, kod kojih se širina mikro izvoda širi u smjeru glavne grane 12''. Kako se tijekom korištenja solarne ćelije kontinuirano dovodi struja preko kontaktnih površina 11'', raste i tok struje mikro izvoda 13' u smjeru glavne grane 12''.

Kako bi se spriječili, ili barem smanjili gubitci kod provodljivosti zbog povećanja toka struje, mikro izvod''13 se širi u smjeru glavne grane 12''.

Pri povezivanju solarnih ćelija u solarni modul se kontaktni izvodi 9'' povezuju električno vodljivo preko eksternih komponenti međusobno i/ili s kontaktnim izvodima 9''' susjednih solarnih ćelija. Prema tome( i na temelju nedostatka jedne sabirnice) se kontaktni izvodi 9''' prikazani na Slici 4 u daljnjoj literaturi djelomično nazivaju sabirnicama.

U slici 5 je prikazan daljnji izvedbeni primjer, kod kojeg se postiže lokalno povećanje površina poprečnog presjeka pomoću lokalnog podebljanja:

U osnovi se izvedbeni primjer dan Slici 5 može dizajnirati na osnovu strukture solarne ćelije dane Slika 1 i na osnovu kontaktne strukture dane tlocrtom Slika 2. Izvedba prikazana Slika 5 pokazuje isječak okomit na izloacijski sloj 4 te uzduž i približno centralno kroz jedan kontaktni izvod 9. Lokalna povećanja površina poprečnog presjeka kontaktnog izvoda 9''' se ne ostvaruje samo na temelju lokalnog podebljanja prikazanog Slikom 2, nego i dodatno kroz lokalno podebljanje prikazano Slikom 5. Debljina raste lokalno sa približno faktorom 2. Lokalno povećanje se odvija s faktorom u području 1,2 do 4.

Slika 6 prikazuje peti izvedbeni primjer, kod kojeg su kontaktni izvodi oblikovani s električno paralelno spojene metalne vodljive strukture:

Ilustrirana kontaktna struktura iz djelomičnog prikaza u slici 6 se može koristiti za stvaranje kontakta PERC solarne ćelije prikazane Slikom 1. I ovdje izlaze iz jedne sabirnice 8''' više kontaktnih izvoda 9'''. Za razliku od prijašnjih izvedbenih primjera, ovi kontaktni izvodi 9''' imaju takozvane „sporedne izvode“ :kao što je vidljivo u desno prikazanom povećanom presjeku, glavna grana 12''' kontaktnog izvoda koji ne prekriva nikakva kontaktna područja je centralno postavljena. Bočno pored glavne grane 12''' su postavljeni sporedni izvodi 14a i 14b paralelno s glavnom granom, koji su u području kontaktnog područja 10 odvojeni od glavne grane 12''', zbog čeg u ovim područjima ne postoji električno vodljivi spoj. Električno vodljiv spoj postoji samo između sporednih izvoda 14a i 14b glavne grane 12''' zbog metalne šipke.

Iz toga se očituju prednosti, da pri izradi takve kontaktne strukture doista poluvodljivi materijal na kontaktnim područjima 10 difundira u metal, ne dopirujući do glavne grane zbog prostranog razmaka od glavne grane 12'''.Tok struje duž glavne grane 12''' sve do sabirnice 8''' nije, ili je jako malo ometan skladištenjem poluvodljivog materijala.

Širina sporednog izvoda obuhvaća oko 75% širine glavne grane. Glavna grana obuhvaća širinu od približno 200 μm.

Claims (15)

1. Fotonaponska solarna ćelija, koja sadrži najmanje jedan poluvodički sloj (1), najmanje jedan elektično izolirajući izolacijski sloj (4) i najmanje jednu metalnu kontaktnu strukturu (5, 5′, 5′′), gdje se izolacijski sloj nalazi između poluvodičkog sloja i kontaktne strukture i izolacijski sloj (4), koji sadrži više razmaknutih kontaktnih udubljenja (6), gdje je kontaktna struktura (5, 5′, 5′′) u elektičnom kontaktu s poluvodičkim slojem (1) u kontaktnom području (10) i gdje su u poluvodičkom sloju (1), u najmanju ruku u kontaktnim područjima, formirana područja dopiranja, dobivena dopiranjem poluvodičkog sloja metalom od kojeg je u najmanju ruku djelomično načinjena metalna kontaktna struktura (5, 5′, 5′′), naznačena time što kontaktna struktura (5, 5′, 5′′) sadrži više kontaktnih prstiju, gdje se svaki od navedenih kontaktnih prstiju (9, 9′, 9′′, 9′′′) pruža preko više razmaknutih kontaktnih područja i/ili duž više razmaknutih kontaktnih područja, gdje kontaktni prsti (9, 9′, 9′′, 9′′′) imaju lokalno povećanu površinu poprečnog presjeka u kontaktnim područjima, gdje lokalna količina naslaga poluvodičkog materijala u području kontaktnih područja iznosi više od 20 posto težinski, pri čemu se između susjednih lokalno povećanih poprečnih presjeka duž kontaktnog prsta ne nalaze kontaktna područja i/ili su kontaktni prsti koji su u kontaktnim područjima elektično spojeni u paralelne metalne vodljive strukture, koje ne pokrivaju kontaktna područja i formirani su kao lokalni, paralelni sekundarni prsti, razmaknuti u području kontaktnih područja od glavne grane kontaktnog prsta, te su prije i nakon kontaktnih područja vodljivo spojeni s glavnom granom kontaktnog prsta.

2. Solarna ćelija u skladu s patentnim zahtjevom 1, naznačena time što kontaktni prsti (9, 9′, 9′′, 9′′′) u kontaktnim područjima imaju proširenje paralelno površini izolacijskog sloja (4) i okomito na uzdužno pružanje kontaktnog prsta.

3. Solarna ćelija u skladu s patentnim zahtjevom 2, naznačena time što kontaktni prsti (9, 9′, 9′′, 9′′′) u kontaktnim područjima su formirani kao preklapajući s izolacijskim slojem (4), tako da kontaktni prsti (9, 9′, 9′′, 9′′′) pokrivaju izolacijski sloj (4) u području koje okružuje kontaktna područja.

4. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što kontaktna udubljenja se nalaze u parovima, gdje se svaki par kontaktnih udubljenja nalazi na suprotnim stranama glavne grane kontaktnog prsta.

5. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što kontaktni prst (9, 9′, 9′′, 9′′′) ima lokalno povećanje debljine u kontaktnim područjima.

6. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što kontaktna struktura (5, 5′, 5′′) u najmanju ruku sadrži više kontaktnih prstiju, gdje su kontaktni prsti (9, 9′, 9′′, 9′′′) paralelni.

7. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što kontaktna struktura (5, 5′, 5′′) sadrži više kontaktnih prstiju i najmanje jednu sabirnicu (8, 8′, 8′′), gdje kontaktni prsti (9, 9′, 9′′, 9′′′) su kohezivno i elektično vodljivo spojeni sa sabirnicom, gdje se kontaktni prsti (9, 9′, 9′′, 9′′′) pružaju paraelno, a sabirnica (8, 8′, 8′′) se pruža okomito u odnosu na kontaktne prste.

8. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što kontaktna struktura sadrži više kontaktnih prstiju, a kontaktni prsti (9′′) nisu metalno elektično vodljivo međusobno povezani.

9. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što u najmanju ruku podskup kontaktnih površina sadrži dio koji se pruža uzdužno i smješten je okomito u odnosu na uzdužno pružanje kontaktnog prsta, te što kontaktni prst (9, 9′, 9′′, 9′′′) na kontaktnim područjima koij se uzdužno pružaju u uzdužnom smjeru imaju povećanje poprečnog presjeka i u smjeru kontaktnog prsta.

10. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što metalne vodljive strukture elektično spojene paralelno su formirane kao lokalni, paralelni pomoćni prsti, razmaknuti u području kontaktnih područja glavne grane kontaktnog prsta, te što pomoćni prsti pokrivaju kontaktna područja, dok glavna grana ne pokriva kontaktna područja.

11. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što kontaktni prsti (9, 9′, 9′′, 9′′′) u kontaktnom području (10) sadrže poluvodički materijal poluvodičkog sloja (1).

12. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što solarna ćelija je građena kao dvostrana solarna ćelija, gdje je u najmanju ruku stražnja strana solarne ćelije djelomično prozirna za elektromagnetsko zračenje, te što je kontaktna struktura (5, 5′, 5′′) formirana kao stražnja kontaktna struktura na stražnjoj strani (5, 5′, 5′′) solarne ćelije.

13. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što kontaktnu strukturu (5, 5′, 5′′) se upotrebljava za stvaranje kontakta s p-dopiranim područjem poluvodičkog sloja (1).

14. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što kontaktna struktura (5, 5′, 5′′) je formirana kao kontaktna struktura na stražnjoj strani (5, 5′, 5′′) i nalazi se na stražnjoj strani solarne ćelije i što su na stražnjoj strani solarne ćelije formirana lokalna područja visokog dopiranja u kontaktnim područjima u poluvodičkom sloju (1).

15. Solarna ćelija u skladu s bilo kojim od prethodnih patentnih zahtjeva, naznačena time što kontaktni prsti imaju na svim kontaktnim područjima lokalno povećanje poprečnog presjeka i/ili paralelnih vodljivih struktura, i/ili što je solarna ćelija građena kao PERC solarna ćelija.