WO2005036655A1 - Photovoltaic solar cells comprising metal nanoemitters and method for the production thereof - Google Patents

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WO2005036655A1
WO2005036655A1 PCT/DE2004/002228 DE2004002228W WO2005036655A1 WO 2005036655 A1 WO2005036655 A1 WO 2005036655A1 DE 2004002228 W DE2004002228 W DE 2004002228W WO 2005036655 A1 WO2005036655 A1 WO 2005036655A1
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Hans-Joachim Lewerenz
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Hahn-Meitner-Institut Berlin Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic solar cell with an electrical solid-state contact between a semiconductor layer with a layer thickness dm. and a multiplicity of metallic nano-emitters embedded in an electrically insulating oxide layer arranged on the semiconductor layer, each with a space charge zone of extension w in the semiconductor layer to which the minority charge carriers migrate over a diffusion length L, and one transparent conductive layer that is electrically insulated from the semiconductor layer by the oxide layer as well as front and rear contacts and a method for producing such a solar cell.
  • Shadowing of the light irradiation surface occurs in particular through the front contacts, through the transparent, electrically conductive conductive layer, for example ITO, and through the emitter layer in Schottky-type solar cells with a solid-state contact between the doped semiconductor layer and a rectifying metal layer.
  • ITO transparent, electrically conductive conductive layer
  • Schottky-type solar cells with a solid-state contact between the doped semiconductor layer and a rectifying metal layer.
  • the emitter layer can be applied as a closed layer, but in a very small layer thickness to the semiconductor layer working as the base or absorber. Vacuum can do the same PVD, and diffusion processes are applied.
  • point contact solar cells are proposed which have an optimized point contact pattern on the back of the solar cells in direct contact with highly doped storage zones in the absorber layer (compare publication I by J. Zhao et al .: "22.7% efficient perl Silicon solar cell module with a textured front surface" , 26th PVSC, 1197, Anaheim, CA, pp 1133-1136, Fig. 2.
  • This publication also discloses pyramid-like structuring of the cell surface in the region of the uppermost layers, including the emitter layer, in order to reduce reflections. structuring, the depth of penetration of the emitter layer into the correspondingly conformally structured semiconductor layer is only relatively small.
  • the front contacts are applied as narrow strips as possible in order to reduce the shading losses and thus increase the conversion efficiency of the solar cell d doped below the contact strips higher than in the area of direct sunlight. From WO 02/103810 A1 it is also known to design the front contacts as wedge-shaped trenches to reduce the shading losses, which are narrower than simple contact strips but have a greater depth of penetration into the emitter and the semiconductor layer underneath (buried contact).
  • the size of the leakage currents occurring at the semiconductor / metal contact can be reduced if the continuous metal film is very small (diameter a few nrn ) Metal islands as metallic nanoemitters that cover only a small part of the surface. These metal point contacts are produced by etching a metal film on a silicon diode. However, this immediately forms an oxidic insulation layer in an aqueous electrolyte. The semiconductor / electrolyte contact is thus replaced by a pure solid-state contact in which, in addition to the catalytically active metal islands, an insulating oxide layer covers most of the surface.
  • Tsubomura then states that it is also possible to transfer the procedure for reducing the leakage currents to a solid-state solar cell if a transparent conductive layer is applied to the oxide layer instead of the redox electrolyte solution.
  • Tsubomura does not specify a dimensioning rule for the size and distribution of the metal islands. The islands lie at a relatively large distance from one another (four times the diameter) on the surface of the semiconductor layer, so that the achievable efficiency is not yet fully satisfied, particularly in solid-state solar cells.
  • the object of the present invention is therefore to be seen in developing the photovoltaic solar cell described at the outset in such a way that a further improvement in efficiency in photovoltaic energy conversion can be achieved with two solid-state contacts.
  • a preferred method for producing such a highly efficient solid-state solar cell is said to be inexpensive and energy-saving.
  • the metallic nano-emitters are needle-shaped or rib-shaped and have a uniform distance -D ⁇ V2L to one another and a depth of penetration
  • metallic nano-emitters are used with one of the minority charge carriers or their
  • Diffusion length used in the semiconductor as a relevant parameter-dependent, predetermined homogeneous density distribution, whereby a minimal
  • Nanoemitters are now three-dimensional in the shape of needles or ribs and extend deep into the semiconductor layer.
  • the metallic nano-emitters in the prior art are two-dimensional point-shaped pronounced and are only on the surface of the absorbing semiconductor.
  • the penetration depth of the metallic nanoemitters in the invention is also dependent on the relevant parameters diffusion length L, space charge zone w and layer thickness dm .
  • the semiconductor layer can be calculated exactly and can thus be optimized.
  • the metallic nanoemitters can have lateral branches in the semiconductor layer, so that a tree-like structure is produced. Furthermore, they can run obliquely in the semiconductor layer, so that all layer areas are optimally reached by the nanoemitters.
  • the entire layer thickness of the absorbing semiconductor layer up to the back contact can be used for energy conversion, which leads to optimal efficiency in the collection of the light-generated minority charge carriers while avoiding recombination effects.
  • punctiform nanoemitters only a penetration depth depending on the simple diffusion length can be achieved, so that for the complete detection of the absorbing semiconductor layer, it must be made correspondingly thin.
  • the layer thickness of the semiconductor layer must again be greater than three times the absorption length 1 / ⁇ with the absorption coefficient ⁇ , so that overlapping boundary conditions can result, which can lead to lower efficiency.
  • the depth detection of the absorbing semiconductor layer also enables the use of semiconductor material which is not of first-class quality, that is to say such material with a smaller diffusion length of the minority charge carriers, which results in significant cost savings.
  • crystalline materials and epitaxially grown layers of, for example, Si, GaAs and InP can be made significantly thinner, since in the solar cell according to the invention the sensitivity to red when collecting near the back contact is greatly improved. This applies in particular if, according to an embodiment of the invention, on the back of the semiconductor layer a reflective layer is applied to the back contact.
  • an anti-reflection layer is applied to the transparent conductive layer. This can be, for example, a layer with a positive or negative pyramid structure or some other microstructuring that reliably captures the incident light and directs it to the absorber.
  • a metal for the nanoemitter creates a Schottky contact.
  • the metal must be selected so that a rectifying contact is formed.
  • a metal with a low work function must therefore be selected for p-doped semiconductor material to generate the photocurrent, and a metal with a higher work function for n-doped semiconductor material.
  • Schottky solar cells have the advantage of simply forming a diode contact by applying a metal to the semiconductor layer. There is no need for complex and complicated doping processes and stability studies in the differently doped areas. At this point, however, it should be noted that the nanoemitters can also consist of semiconductor material.
  • an efficient pn junction is formed if the semiconductor materials are doped accordingly in opposite directions. Due to the size of the nanoemitter in the nm range (preferably between 10 nm and 100 nm) in the invention, the shading of the absorbing semiconductor layer and the material consumption can be kept particularly low. Dimensions of the nanoemitter down to the ⁇ m range are also possible.
  • the nanoemitters can be grown directly on the semiconductor layer or applied as a colloid. On the semiconductor layer, they are surrounded by the oxide layer and can protrude slightly above it. As a result, the nanoemitters can extend into the transparent conductive layer applied to the oxide layer.
  • the absorbing semiconductor can, but need not, be doped (p- or n-doped).
  • Highly pure, so-called “Floatzone” (FZ) silicon is nominally undoped, but slightly n-conductive; it is used for high-performance solar cells used.
  • So-called “Czochralski” (CZ) silicon does not achieve the quality of FZ silicon, so doping is necessary.
  • the oxide layer can be a natural oxide, for example SiO 2 , which is grown anodically by exposure or application of a potential. Further information on the structure can be found in the method options for production described below.
  • a likewise wet-chemical or electrochemical or photo-electrochemical structuring of the oxide layer can be provided, so that the Can manufacturing process of the solar cell throughout wet chemical or electro ⁇ chemical or photoelectrochemical leads in the low temperature range Runaway ⁇ .
  • This does not apply to the final application of the front contacts, for example in the form of contact fingers, which is usually carried out by vapor deposition.
  • this is a standardized process that does not increase the procedural effort and costs.
  • the process parameters during production have a significant influence on this.
  • Significant process improvement can be achieved here by avoiding high temperatures and process changes provided by the invention.
  • wet chemical / electrochemical processes can easily be scaled up and used to produce large areas, as is known from electroplating.
  • the structuring of the oxide layer can be carried out, for example, with electron beam lithography or with ion beam etching (FIB focused ion beam etching).
  • the structuring of the oxide layer which can be ZnO, SnO 2 or ITO, for example, the structuring of the oxide layer can also be carried out by means of scanning probe microscopy in accordance with a next process continuation, whereby an even more precise and controlled Determining the nano-emitter positions is possible.
  • the oxide layer can be scanned in a selected surface area with an AFM (atomic force microscopy) with a sufficiently high contact force. As a result of this process, the oxide layer is pushed aside and the semiconductor layer underneath is exposed.
  • an identification with a diamond needle can be carried out by means of AFM the oxide layer is pierced to make contact.
  • the mechanical structuring of the oxide layer can also have a plurality of indications impressed in parallel for structuring a large-area oxide layer. In this so-called “millipede technique”, a large number of identifications (a few hundred) are carried out at the same time using, for example, AFM (atomic force microscopy).
  • the structures can then, according to a further method, gently chemically or electrochemically etch the locations of the removed oxide layer and subsequently apply a potential, current and charge-controlled application electrically insulating anodic oxide layer (1 to 3 atomic layers) are subjected to the structure in the semiconductor layer before the deposition of metal. This process serves to suppress recombination processes on and in d he environment of defects.
  • the etching is a simple but precise process since the surface of the semiconductor layer that is not to be etched is reliably protected by the oxide layer.
  • the etching depth can be precisely determined using the appropriate material and time parameters. The same applies to the possible etching of lateral branches which can originate from the central needle-shaped or rib-shaped etching recess, and to depressions which run obliquely in the semiconductor layer.
  • An important process step is the subsequent filling of the needle or rib shaped depressions and also possible lateral branches, that is, the local deposition of the metallic nano-emitters.
  • a light-induced or potential-controlled electrochemical deposition of metal is carried out.
  • the separation in the side branches can be guaranteed.
  • the metal is chosen so that a rectifying Schottky contact is created.
  • the semiconductor can be p, n or undoped. In the case of n semiconductors, the metal is deposited in the dark by forming negative accumulation layers.
  • An alternative preparation can be carried out by introducing a metallic colloid into the needle-shaped or rib-shaped depressions in the semiconductor layer. After the colloid has been introduced, the exposed surface areas of the semiconductor layer are electrochemically oxidized, so that the desired nanoemitter structure is embedded in an oxide layer there.
  • Process steps following the generation of the nanoemitters can comprise, in accordance with further embodiments, the application of a reflective layer on the rear side of the semiconductor layer and / or the application of an antireflection layer on the transparent conductive layer. Both additional layers serve to further improve efficiency, as already explained above in connection with the solar cell according to the invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a solar cell according to the invention in cross section
  • FIG. 2 shows an energy band location diagram for the light-induced local deposition of the nanoemitters in the area of the nanoemitters, 11
  • FIG. 3 shows an energy band location diagram for the light-induced local deposition of the nano-emitters in the region of the oxide layer
  • FIG. 4 shows a detail for the light-induced deposition of the nano-emitters.
  • FIG. 1 shows a photovoltaic solar cell SZ with an electrical solid-state contact between a doped semiconductor layer HL with a layer thickness d H ⁇ _ and a large number of metallic nano-emitters NE embedded in an electrically insulating oxide layer OS on the surface of the semiconductor layer HL.
  • a rectifying Schottky contact with the semiconductor layer HL results.
  • the rectifying nanoemitters NE generate a space charge zone (depleted area) of the dimension w in the semiconductor layer HL.
  • the minority charge carriers (electrons for p-silicon as semiconductors, holes or “defect electrons” for n-silicon) migrate with a diffusion length L to the metallic nano-emitters NE which act as a sink.
  • a particularly efficient solar energy conversion is achieved if the distance D of the metallic Nanoemitter NE applies: D ⁇ ⁇ L
  • the optimum distance between the metallic nanoemitters NE is achieved, which ensures minimal shading and minimal use of materials. If the distance D falls below the upper limit, a corresponding overlap is given while accepting a certain additional consumption of material, but this ensures reliable utilization of the semiconductor layer HL in the corresponding radial plane. If the metallic nanoemitters NE were arranged exclusively on the surface of the semiconductor layer HL, however, the efficient use would be limited to the uppermost layer of the semiconductor layer HL. To be a complete To achieve utilization, the layer d HL of the semiconductor layer HL should therefore not be greater than the diffusion length L of the respective minority charge carriers.
  • the metallic nano-emitters NE also extend into the depth of the semiconductor layer HL, so that the advantageous reverse case now arises.
  • a penetration depth T is defined for which:
  • the metallic nanoemitters NE are on the surface of the semiconductor. HL is not surrounded by a closed oxide layer OS, the layer thickness of which only has to be dimensioned to such an extent that reliable insulation of the metallic nanoemitters NE from one another and between the semiconductor layer HL and a transparent conductive layer TCO applied to the oxide layer OS is ensured.
  • the metallic nanoemitters NE can protrude somewhat into the transparent conductive layer TCO. Due to the division of the areas between the nanoemitters NE, such a solar cell SZ can be referred to as a compartment solar cell.
  • the current is collected via front contacts FK, for example in the form of strips or fingers, which are applied to the transparent conductive layer TCO. Here is one too To strive for minimal shading.
  • an antireflection layer on the top and a reflective layer on the back can be provided before the back contact of the solar cell SZ.
  • oxide layer OS For the preparation and modification of the oxide layer OS, wet-chemical thin oxides with high electronic quality of the oxide / semiconductor interface can be deposited. There are further possibilities in the production of anodic oxides with subsequent post-drying or in the use of electropolished oxides with subsequent post-drying. Furthermore, thermally produced and natural oxides can be used.
  • the oxide structuring is preferably carried out mechanically, for example by means of AFM by pushing aside or penetrating the oxide layer OS.
  • FIG. 2 shows the behavior of an uncovered part of the semiconductor layer HL for the subsequent positioning of a metallic nanoemitter NE with cathodic polarization (applied voltage V a ) and exposure (hv).
  • the light-generated excess charge carriers migrate either to the back contact RK (holes (+)), which is flat in the exemplary embodiment, or to the surface (electrons (-)).
  • the electrons can with a suitable energetic position of the lower edge of the conduction band (EL) and a metallic one
  • monovalent metal ions for example: Ag + + e " ⁇ Ag °.
  • metal deposition can also be effected on n-Si by cathodic polarization in the dark (unexposed). In this case, the conduction band electrons are to be regarded as accumulated majority charge carriers.
  • the light-induced deposition in p-semiconductors and deposition in the dark on n-semiconductors with cathodic (negative) potential represents - in comparison to the flat band situation - a very gentle and particularly well-defined process in comparison to vapor deposition, sputtering or etching of metal films.
  • FIG. 3 shows the corresponding behavior for oxide-covered areas on the semiconductor layer HL.
  • layer thicknesses d OX of the oxide layer that are significantly larger than the so-called tunnel thickness (dox ⁇ 3 nm)
  • the light-induced electrons are no longer transferred into the electrolyte. Rather, there is “trapping" at traps on the surface of the semiconductor layer HL and recombination.
  • the electronic quality of the Si / oxide interface is sufficiently high, a charge carrier drift to the metallic nanoemitters NE takes place. This is shown in FIG.

Abstract

According to prior art, in order to improve conversion efficiency of solar energy in electric current for a solid body solar cell, the continuous metal emitter film is subdivided into a plurality of nanoemitters in order to reduce shadowing and recombination loss. The nanoemitters comprising, respectively, a spatial-charging area of extension w in the semi-conductor layer to which the minority charge carrier migrate along a diffusion length L, are arranged in a dotted manner on the surface of the absorbing semi-conductive layer. In order to improve efficiency further, the inventive photovoltaic solar cell (SZ) is provided with nanoemitters (NE) which are embodied in a needle or rib type manner and are separated from each other at a regular distance D≤ √2L and having a penetration depth T ≥ dHL - L/2 + w in the semiconductor layer (HL). Shadowing, recombination and use of material can be minimised during the simultaneous use of qualitative reduced-value semi-conductor material, thereby optimising efficiency by virtue of the precise dimensioning of the metal nanoemitters (NE) and the expansion thereof in the semi-conductor layer (HL) for complete accumulation of the light-induced charge carrier. A preferred production method can be carried out continuously using a humid or electro or photoelectrochemical technique, thereby conserving energy and reducing costs in the low temperature range, especially when producing large, flat solar cells.

Description

Photovoltaische Solarzelle mit metallischen Nanoemittern und Verfahren zur Herstellung.Photovoltaic solar cell with metallic nano-emitters and manufacturing process.
Beschreibungdescription
Die Erfindung bezieht sich auf eine photovoltaische Solarzelle mit einem elektrischen Festkörperkontakt zwischen einer Halbleiterschicht mit einer Schichtdicke dm. und einer Vielzahl von in eine auf der Halbleiterschicht angeordneten, elektrisch isolierenden Oxidschicht eingebetteten metallischen Nanoemittern mit jeweils einer Raumladungszone der Ausdehnung w in der Halbleiterschicht, zu der die Minoritätsladungsträger über eine Diffusionslänge L migrieren, und einer von der Halbleiterschicht durch die Oxidschicht elektrisch isolierten transparenten Leitschicht sowie Front- und Rückkontakten und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle.The invention relates to a photovoltaic solar cell with an electrical solid-state contact between a semiconductor layer with a layer thickness dm. and a multiplicity of metallic nano-emitters embedded in an electrically insulating oxide layer arranged on the semiconductor layer, each with a space charge zone of extension w in the semiconductor layer to which the minority charge carriers migrate over a diffusion length L, and one transparent conductive layer that is electrically insulated from the semiconductor layer by the oxide layer as well as front and rear contacts and a method for producing such a solar cell.
Bei der photovoltaischen Stromerzeugung ist die Effizienz der Umsetzung von Sonneneinstrahlung in elektrischen Strom von ausschlaggebender Bedeutung. Um eine optimale Ausbeute zu erhalten, wird neben einer Verringerung der Reflexions- und Rekombinationsverluste insbesondere eine Verringerung der Abschattungsverluste und eine Verbesserung der Lichtsammlung angestrebt. Abschattungen der Lichteinstrahlfläche treten insbesondere durch die Frontkontakte, durch die transparente, elektrisch leitende Leitschicht, beispielsweise ITO, und durch die Emitterschicht bei Solarzellen vom Schottkytyp mit einem Festkörperkontakt zwischen der dotierten Halbleiterschicht und einer gleichrichtenden Metallschicht. Gleiches gilt für einfache p-n-Übergänge zwischen einer normaldotierten und einer hochdotierten Halbleiterschicht. Für eine effiziente photovoltaische Energieumwandlung zwischen Festkörper- kontakten kann die Emitterschicht zwar als geschlossene Schicht, aber in sehr geringer Schichtstärke auf die als Basis bzw. Absorber arbeitende Halbleiterschicht aufgebracht werden. Dabei können Vakuum verfahren, wie PVD, und Diffusionsverfahren angewendet werden. Weiterhin werden Punktkontaktsolarzellen vorgeschlagen, die auf der Solarzellen rückseite ein optimiertes Punktkontaktmuster in direktem Kontakt mit hochdotierten Einlagerungszonen in der Absorberschicht aufweisen (vergleiche Veröffentlichung I von J. Zhao et al.: „22.7% efficient perl Silicon solar cell module with a textured front surface", 26th PVSC, 1197, Anaheim, CA, pp 1133-1136, Fig. 2). Aus dieser Veröffentlichung ist auch eine pyramidenartige Strukturierung der Zellenoberfläche im Bereich der obersten Schichten einschließlich der Emitterschicht bekannt, um Reflexionen zu verringern. Im Umfang dieser Oberflächen- strukturierung ist die Eindringtiefe der Emitterschicht in die entsprechend konform strukturierte Halbleiterschicht jedoch nur relativ gering. Die Frontkontakte werden als möglichst schmale Streifen aufgebracht, um die Abschattungsverluste zu verringern und damit die Umsetzungseffizienz der Solarzelle zu erhöhen. Die Emitterschicht ist flächig aufgebracht und unterhalb der Kontaktstreifen höher dotiert als im Bereich des direkt einfallenden Sonnenlichts. Aus der WO 02/103810 A1 ist es weiterhin bekannt, zur Verringerung der Abschattungsverluste die Frontkontakte als keilförmige Gräben auszubilden, die schmaler sind als einfache Kontaktstreifen, aber eine größere Eindringtiefe in die Emitter- und die darunter liegende Halbleiterschicht aufweisen (buried contact). Eine bedeutsame Effizienzverbesserung ist aber nicht erreichbar, da die hauptsächliche Lichtsammlung irn Bereich des kontaktfreien Emitter-Absorber-Übergangs ohne vergrößerte Eindringtiefe erfolgt. Aus dem japanischen Abstract JP 04015963 A ist es weiterhin bekannt, zur Effizienzverbesserung einzelne Emitterregionen in der Tiefe der Absorberschicht einzulagern, um Rekombinationen zu vermindern (vergrabene Inselgebiete). Jede Emitterregion ist jedoch über ein eigenes Kontaktloch mit einem Frontkontaktstreifen verbunden. Ein ähnliches Vorgehen des Halbleitermaterials ist auch aus der DE 198 37 365 A1 bekannt, die zur Bereitstellung zusätzlicher Ladungsträger die Einlagerung von Clustern in die aktive Absorber- schicht lehrt. Zur Nutzung weiterer Wellenlängenbereiche des Sonnenlichts werden hierdurch die optischen Eigenschaften des Halbleiters verändert. Die Cluster wachsen jedoch selbstorganisiert an Defekten auf und sind somit in Verteilung und Größe nur schwer kontrollierbar.When it comes to photovoltaic power generation, the efficiency of converting solar radiation into electrical power is of crucial importance. In order to obtain an optimal yield, in addition to a reduction in the reflection and recombination losses, a reduction in the shading losses and an improvement in the light collection are particularly sought. Shadowing of the light irradiation surface occurs in particular through the front contacts, through the transparent, electrically conductive conductive layer, for example ITO, and through the emitter layer in Schottky-type solar cells with a solid-state contact between the doped semiconductor layer and a rectifying metal layer. The same applies to simple pn junctions between a normally doped and a highly doped semiconductor layer. For efficient photovoltaic energy conversion between solid-state contacts, the emitter layer can be applied as a closed layer, but in a very small layer thickness to the semiconductor layer working as the base or absorber. Vacuum can do the same PVD, and diffusion processes are applied. Furthermore, point contact solar cells are proposed which have an optimized point contact pattern on the back of the solar cells in direct contact with highly doped storage zones in the absorber layer (compare publication I by J. Zhao et al .: "22.7% efficient perl Silicon solar cell module with a textured front surface" , 26th PVSC, 1197, Anaheim, CA, pp 1133-1136, Fig. 2. This publication also discloses pyramid-like structuring of the cell surface in the region of the uppermost layers, including the emitter layer, in order to reduce reflections. structuring, the depth of penetration of the emitter layer into the correspondingly conformally structured semiconductor layer is only relatively small. The front contacts are applied as narrow strips as possible in order to reduce the shading losses and thus increase the conversion efficiency of the solar cell d doped below the contact strips higher than in the area of direct sunlight. From WO 02/103810 A1 it is also known to design the front contacts as wedge-shaped trenches to reduce the shading losses, which are narrower than simple contact strips but have a greater depth of penetration into the emitter and the semiconductor layer underneath (buried contact). However, a significant improvement in efficiency cannot be achieved, since the main light collection in the area of the contact-free emitter-absorber transition takes place without increased penetration depth. From Japanese abstract JP 04015963 A it is also known to store individual emitter regions in the depth of the absorber layer in order to improve efficiency in order to reduce recombinations (buried island areas). However, each emitter region is connected to a front contact strip via its own contact hole. A similar procedure for the semiconductor material is also known from DE 198 37 365 A1, which teaches the incorporation of clusters into the active absorber layer in order to provide additional charge carriers. The optical properties of the semiconductor are thereby changed in order to use further wavelength ranges of sunlight. The However, clusters grow self-organized from defects and are therefore difficult to control in terms of distribution and size.
Der Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird in der Veröffentlichung II von H. Tsubomura et al.: „Effect of Microscopic Discon- tinuity of Metal Overlayers on the Photovoltages in Metal-Coated Semicon- ductor-Liquid Junction Photoelectrochemical Cells for Efficient Solar Energy Conversion" aufgezeigt. Vornehmlich wird in dieser Veröffentlichung eine Katalyseverbesserung des photoelektrochemischen Prozesses in einer Elektrolytsolarzelle (PEC) angestrebt. Das Aufbringen von katalytisch wirksamen Metallfilmen führt zu einem Festkörper-Kontakt, der zudem in der Form eines Schottky-Kontaktes auch noch notwendigerweise einem p/n-Halbleiter- kontakt unterlegen ist, da er zu erhöhten Verlusten durch Ladungsträgerrekombination führt. Die Größe der am Halbleiter/Metall-Kontakt auftre- tenden Verlustströme kann jedoch verringert werden, wenn der kontinuierliche Metallfilm durch sehr kleine (Durchmesser einige nrn) Metallinseln als metallische Nanoemitter ersetzt wird, die nur einen kleinen Teil der Oberfläche bedecken. Dabei werden diese Metall-Punktkontakte durch Ätzen eines Metallfilms auf einer Siliziumdiode erzeugt. Diese bildet allerdings in einem wässrigen Elektrolyten sofort eine oxidische Isolationsschicht aus. Damit wird der Halbleiter/Elektrolyt-Kontakt durch einen reinen Festkörperkontakt ersetzt, bei dem neben den katalytisch wirksamen Metallinseln eine isolierende Oxidschicht den größten Teil der Oberfläche bedeckt. Im Diskussionspunkt seiner Veröffentlichung führt Tsubomura dann noch aus, dass eine Übertragung des Vorgehens zur Verringerung der Verlustströme auch auf eine Festkörper-Solarzelle möglich ist, wenn anstelle der Redoxelektrolytlösung eine transparente Leitschicht auf die Oxidschicht aufgebracht wird. Eine Dimensionierungsregel für die Größe und Verteilung der Metallinseln gibt Tsubomura aber nicht an. Die Inseln liegen mit einem relativ großen Abstand zueinander (das Vierfache des Durchmessers) auf der Oberfläche der Halbleiterschicht, sodass insbesondere bei Festkörpersolarzellen die erreichbare Effizienz noch nicht voll befriedigt. Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist also darin zu sehen, die eingangs beschriebene photovoltaische Solarzelle so weiterzubilden, dass eine weitere Effizienzverbesserung bei der photovoltaischen Energieumwandlung mit zwei Festkörperkontakten erzielt werden kann. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer solchen hocheffizienten Festkörper-Solarzelle soll dabei kostengünstig und energiesparend sein.The prior art on which the present invention is based is described in the publication II by H. Tsubomura et al .: “Effect of Microscopic Disconnectivity of Metal Overlayers on the Photovoltages in Metal-Coated Semicon- ductor-Liquid Junction Photoelectrochemical Cells for Efficient Solar Energy Conversion ". The main aim of this publication is to improve the catalysis of the photoelectrochemical process in an electrolytic solar cell (PEC). The application of catalytically active metal films leads to solid-state contact, which is also in the form of a Schottky contact is necessarily inferior to a p / n semiconductor contact, since it leads to increased losses due to charge carrier recombination. However, the size of the leakage currents occurring at the semiconductor / metal contact can be reduced if the continuous metal film is very small (diameter a few nrn ) Metal islands as metallic nanoemitters that cover only a small part of the surface. These metal point contacts are produced by etching a metal film on a silicon diode. However, this immediately forms an oxidic insulation layer in an aqueous electrolyte. The semiconductor / electrolyte contact is thus replaced by a pure solid-state contact in which, in addition to the catalytically active metal islands, an insulating oxide layer covers most of the surface. In the discussion point of his publication, Tsubomura then states that it is also possible to transfer the procedure for reducing the leakage currents to a solid-state solar cell if a transparent conductive layer is applied to the oxide layer instead of the redox electrolyte solution. However, Tsubomura does not specify a dimensioning rule for the size and distribution of the metal islands. The islands lie at a relatively large distance from one another (four times the diameter) on the surface of the semiconductor layer, so that the achievable efficiency is not yet fully satisfied, particularly in solid-state solar cells. The object of the present invention is therefore to be seen in developing the photovoltaic solar cell described at the outset in such a way that a further improvement in efficiency in photovoltaic energy conversion can be achieved with two solid-state contacts. A preferred method for producing such a highly efficient solid-state solar cell is said to be inexpensive and energy-saving.
Als Lösung für diese Aufgabe ist bei einer gattungsgemäßen Solarzelle mit einem elektrischen Festkörperkontakt zwischen einer Halbleiterschicht mit einer Schichtdicke dm und einer Vielzahl von metallischen Nanoemittern mit jeweils einer Raumladungszone der Ausdehnung w im Halbleiter, zu der die Minoritätsladungsträger in der Halbleiterschicht über eine Diffusionslänge L migrieren, deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, dass die metallischen Nanoemitter nadel- oder rippenförmig ausgebildet sind und einen gleichmäßigen Abstand -D ≤V2L zueinander sowie eine EindringtiefeThe solution to this problem in a generic solar cell with an electrical solid-state contact between a semiconductor layer with a layer thickness dm and a large number of metallic nanoemitters, each with a space charge zone of the extent w in the semiconductor, to which the minority charge carriers migrate in the semiconductor layer over a diffusion length L, It is therefore provided according to the invention that the metallic nano-emitters are needle-shaped or rib-shaped and have a uniform distance -D ≤ V2L to one another and a depth of penetration
T ≥ dHL — + w in die Halbleiterschicht aufweisen.T ≥ d HL - + w in the semiconductor layer.
Bei der erfindungsgemäßen Festkörper-Solarzelle werden metallische Nano- emitter mit einer von den auftretenden Minoritätsladungsträgern bzw. derenIn the solid-state solar cell according to the invention, metallic nano-emitters are used with one of the minority charge carriers or their
Diffusionslänge im Halbleiter als relevantem Parameter abhängigen, vorgegebenen homogenen Dichteverteilung eingesetzt, wodurch ein minimalerDiffusion length used in the semiconductor as a relevant parameter-dependent, predetermined homogeneous density distribution, whereby a minimal
Materialeinsatz bei einer optimalen Beschattungsfreiheit der absorbierendenMaterial use with optimal shading of the absorbent
Halbleiterschicht durch den zweiten Festkörperkontakt und minimalen Rekombinationsverlusten gewährleistet werden kann. Somit kann eine hoheSemiconductor layer can be guaranteed by the second solid-state contact and minimal recombination losses. Thus, a high
Umsetzungseffizienz bei der Stromsammlung erreicht werden. Diese wird bei der Erfindung noch dadurch bedeutsam erhöht, dass die metallischenImplementation efficiency in electricity collection can be achieved. This is increased significantly in the invention in that the metallic
Nanoemitter nunmehr dreidimensional nadel- oder rippenförmig ausgeprägt sind und tief in die Halbleiterschicht hineinreichen. Die metallischen Nano- emitter im Stand der Technik sind hingegen zweidimensional punktformig ausgeprägt und befinden sich nur an der Oberfläche des absorbierenden Halbleiters. Auch die Eindringtiefe der metallischen Nanoemitter bei der Erfindung ist in Abhängigkeit von den relevanten Parametern Diffusionslänge L, Raumladungszone w und Schichtdicke dm. der Halbleiterschicht genau errechenbar und kann dadurch optimiert werden. Dabei können gemäß einer vorteilhaften Erfindungsausführung die metallischen Nanoemitter in der Halbleiterschicht seitliche Verzweigungen aufweisen, sodass eine baumartige Struktur entsteht. Weiterhin können sie schräg in der Halbleiterschicht verlaufen, sodass alle Schichtbereiche optimal von den Nanoemittern erreicht werden. Somit kann bei der erfindungsgemäßen Solarzelle die gesamte Schichtdicke der absorbierenden Halbleiterschicht bis zum Rückkontakt zur Energieumwandlung genutzt werden, was zu einer optimalen Effizienz bei der Sammlung der lichterzeugten Minoritätsladungsträger unter Vermeidung von Rekombinationseffekten führt. Bei punktförmigen Nanoemittern kan n nur eine Eindringtiefe in Abhängigkeit von der einfachen Diffusionslänge erreicht werden, sodass für eine vollständige Erfassung der absorbierenden Halbleiterschicht diese entsprechend dünn ausgeführt sein muss. Dabei muss andererseits für eine ungefähr 90-prozentige Lichtsammlung die Schichtdicke der Halbleiterschicht wiederum größer sein als das Dreifache der Absorptions- länge 1/α mit dem Absorptionskoeffizienten α, sodass sich überschneidende Randbedingungen ergeben können, die zu einer geringeren Effizienz führen können.Nanoemitters are now three-dimensional in the shape of needles or ribs and extend deep into the semiconductor layer. The metallic nano-emitters in the prior art, however, are two-dimensional point-shaped pronounced and are only on the surface of the absorbing semiconductor. The penetration depth of the metallic nanoemitters in the invention is also dependent on the relevant parameters diffusion length L, space charge zone w and layer thickness dm . the semiconductor layer can be calculated exactly and can thus be optimized. According to an advantageous embodiment of the invention, the metallic nanoemitters can have lateral branches in the semiconductor layer, so that a tree-like structure is produced. Furthermore, they can run obliquely in the semiconductor layer, so that all layer areas are optimally reached by the nanoemitters. Thus, in the solar cell according to the invention, the entire layer thickness of the absorbing semiconductor layer up to the back contact can be used for energy conversion, which leads to optimal efficiency in the collection of the light-generated minority charge carriers while avoiding recombination effects. In the case of punctiform nanoemitters, only a penetration depth depending on the simple diffusion length can be achieved, so that for the complete detection of the absorbing semiconductor layer, it must be made correspondingly thin. On the other hand, for an approximately 90 percent light collection, the layer thickness of the semiconductor layer must again be greater than three times the absorption length 1 / α with the absorption coefficient α, so that overlapping boundary conditions can result, which can lead to lower efficiency.
Bei der Erfindung ist durch die Tiefenerfassung der absorbierenden Halbleiter- Schicht auch der Einsatz von qualitativ nicht erstklassigem Halbleitermaterial, also solchem Material mit kleinerer Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, möglich, wodurch sich eine deutliche Kostenersparnis ergibt. Weiterhin können kristalline Materialien und epitaktisch gewachsene Schichten von beispielsweise Si, GaAs und InP deutlich dünner gemacht werden, da bei der erfindungsgemäßen Solarzelle die Rotempfindlichkeit bei der Samml ung in der Nähe des Rückkontaktes stark verbessert wird. Dies gilt insbesondere, wenn gemäß einer Erfindungsausgestaltung auf die Halbleiterschicht rückseitig vor dem Rückkontakt eine Verspiegelungsschicht aufgebracht ist. Eine weitere Verbesserung der Umwandlungseffizienz ergibt sich gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung noch, wenn auf die transparente Leitschicht eine Antireflexionsschicht aufgebracht ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Schicht mit einer positiven oder negativen Pyramidenstruktur oder einer anderen Mikrostrukturierung handeln, die das einfallende Licht sicher einfängt und zum Absorber leitet.In the case of the invention, the depth detection of the absorbing semiconductor layer also enables the use of semiconductor material which is not of first-class quality, that is to say such material with a smaller diffusion length of the minority charge carriers, which results in significant cost savings. Furthermore, crystalline materials and epitaxially grown layers of, for example, Si, GaAs and InP can be made significantly thinner, since in the solar cell according to the invention the sensitivity to red when collecting near the back contact is greatly improved. This applies in particular if, according to an embodiment of the invention, on the back of the semiconductor layer a reflective layer is applied to the back contact. A further improvement of the conversion efficiency results according to a next invention, if an anti-reflection layer is applied to the transparent conductive layer. This can be, for example, a layer with a positive or negative pyramid structure or some other microstructuring that reliably captures the incident light and directs it to the absorber.
Durch die Verwendung eines Metalls für die Nanoemitter entsteht ein Schottky- Kontakt. Dabei ist das Metall so auszuwählen, dass ein gleichrichtender Kontakt gebildet wird. Für p-dotiertes Halbleitermaterial ist somit zur Erzeugung des Photostroms ein Metall mit einer niedrigen Austrittsarbeit, für n-dotiertes Halbleitermaterial ein Metall mit einer höheren Austrittsarbeit zu wählen. Schottky-Solarzellen haben den Vorteil, einfach durch Aufbringen eines Metalls auf die Halbleiterschicht einen Diodenkontakt zu bilden. Es sind keine aufwändigen und komplizierten Dotierungsverfahren und Stabilitätsuntersuchungen an den unterschiedlich dotierten Bereichen erforderlich. An dieser Stelle sei jedoch angemerkt, dass die Nanoemitter auch aus Halbleitermaterial bestehen können. Bei Verwendung eines hochdotierten Halbleitermaterials als Nanoemitter wird ein effizienter p-n-Übergang gebildet, wenn die Halbleitermaterialien entsprechend entgegengesetzt dotiert sind. Durch die Größe der Nanoemitter im nm-Bereich (bevorzugt zwischen 10 nm und 100 nm) bei der Erfindung können die Beschattung der absorbierenden Halbleiterschicht und der Materialverbrauch besonders gering gehalten werden. Abmessungen der Nanoemitter bis in den μm-Bereich sind aber ebenfalls möglich. Die Nanoemitter können direkt auf der Halbleiterschicht aufgewachsen oder als Kolloid aufgebracht werden. Auf der Halbleiterschicht sind sie von der Oxidschicht umgeben und können diese etwas überragen. Dadurch können die Nanoemitter in die auf die Oxidschicht aufgebrachte transparente Leitschicht hineinreichen. Der absorbierende Halbleiter kann, muss aber nicht dotiert (p- oder n-dotiert) sein. Hochreines, sogenanntes „Floatzone" (FZ) Silizium ist nominell undotiert, aber leicht n-leitend; es wird für Hochleistungssolarzellen verwendet. Sogenanntes „Czochralski" (CZ) Silizium erreicht nicht die Qualität von FZ-Silizium, sodass eine Dotierung erforderlich ist. Bei der Oxidschicht kann es sich um ein natürliches Oxid, beispielsweise SiO2 handeln, das anodisch durch Belichtung oder Anlegen eines Potenzials gewachsen wird. Weiteres zum Aufbau kann den weiter unten beschriebenen Verfahrensmöglichkeiten für eine Herstellung entnommen werden.Using a metal for the nanoemitter creates a Schottky contact. The metal must be selected so that a rectifying contact is formed. A metal with a low work function must therefore be selected for p-doped semiconductor material to generate the photocurrent, and a metal with a higher work function for n-doped semiconductor material. Schottky solar cells have the advantage of simply forming a diode contact by applying a metal to the semiconductor layer. There is no need for complex and complicated doping processes and stability studies in the differently doped areas. At this point, however, it should be noted that the nanoemitters can also consist of semiconductor material. When using a highly doped semiconductor material as a nanoemitter, an efficient pn junction is formed if the semiconductor materials are doped accordingly in opposite directions. Due to the size of the nanoemitter in the nm range (preferably between 10 nm and 100 nm) in the invention, the shading of the absorbing semiconductor layer and the material consumption can be kept particularly low. Dimensions of the nanoemitter down to the μm range are also possible. The nanoemitters can be grown directly on the semiconductor layer or applied as a colloid. On the semiconductor layer, they are surrounded by the oxide layer and can protrude slightly above it. As a result, the nanoemitters can extend into the transparent conductive layer applied to the oxide layer. The absorbing semiconductor can, but need not, be doped (p- or n-doped). Highly pure, so-called "Floatzone" (FZ) silicon is nominally undoped, but slightly n-conductive; it is used for high-performance solar cells used. So-called "Czochralski" (CZ) silicon does not achieve the quality of FZ silicon, so doping is necessary. The oxide layer can be a natural oxide, for example SiO 2 , which is grown anodically by exposure or application of a potential. Further information on the structure can be found in the method options for production described below.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle mit dem beanspruchten Aufbau anzugeben, dass kostengünstig und energiesparend sein soll. Diese Aufgabe wird durch ein bevorzugtes Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst :It is also an object of the present invention to provide a method for producing a photovoltaic solar cell with the structure claimed, which is to be inexpensive and energy-saving. This object is achieved by a preferred process with the following process steps:
• nasschemisches oder elektrochemisches oder photoelektrochemisches Aufbringen einer elektrisch isolierenden Oxidschicht hoher elektronischer Qualität auf eine Halbleiterschicht,Wet chemical or electrochemical or photoelectrochemical application of an electrically insulating oxide layer of high electronic quality to a semiconductor layer,
• Strukturieren der Oxidschicht durch punkt- oder linienförmiges Entfernen der Oxidschicht an den zur Anordnung der Nanoemitter vorgesehenen Stellen,Structuring of the oxide layer by removing the oxide layer in the form of points or lines at the locations provided for arranging the nanoemitters,
• nasschemisches oder elektrochemisches oder photoelektrochernisches nadel- oder rippenförmiges Einätzen der Struktur in der Oxidschicht in die Halbleiterschicht hinein,Wet-chemical or electrochemical or photoelectro-chemical needle or rib-shaped etching of the structure in the oxide layer into the semiconductor layer,
• lichtinduziertes oder potenzialkontrolliertes elektrochemisches Abscheiden von Metall in die Struktur in der Oxidschicht und in der Halbleiterschicht aus einem Redoxelektrolyten, • nasschemisches oder elektrochemisches oder photoelektrochernisches Aufbringen einer transparenten Leitschicht auf die Oxidschicht und• light-induced or potential-controlled electrochemical deposition of metal into the structure in the oxide layer and in the semiconductor layer from a redox electrolyte, • wet-chemical or electrochemical or photo-electrochemical application of a transparent conductive layer on the oxide layer and
• Aufbringen von Front- und Rückkontakten.• Application of front and back contacts.
Insbesondere kann gemäß einer bevorzugten Verfahrensfortführung auch ein ebenfalls nasschemisches oder elektrochemisches oder photoelektrochernisches Strukturieren der Oxidschicht vorgesehen sein, sodass der Herstellungsprozess der Solarzelle durchgängig nasschemisch oder elektro¬ chemisch oder photoelektrochemisch im Niedertemperaturbereich durchge¬ führt werden kann. Davon ausgenommen ist zwar das abschließende Aufbringen der Frontkontakte, beispielsweise in Form von Kontaktfingern, das in der Regel durch Aufdampfen erfolgt. Hierbei handelt es sich aber um einen standardisierten Vorgang, der den Verfahrensaufwand und die -kosten nicht erhöht. Bedeutenden Einfluss darauf haben hingegen die Verfahrensparameter bei der Herstellung. Hier kann durch die bei der Erfindung vorgesehene Vermeidung von hohen Temperaturen und Prozesswechseln eine bedeutsame Verfahrensverbesserung erreicht werden. Dabei können nasschemische/elektrochemische Verfahren leicht hochskaliert und zur Herstellung großer Flächen eingesetzt werden, wie es aus der Galvanik bekannt ist.In particular, according to a preferred method continuation, a likewise wet-chemical or electrochemical or photo-electrochemical structuring of the oxide layer can be provided, so that the Can manufacturing process of the solar cell throughout wet chemical or electro ¬ chemical or photoelectrochemical leads in the low temperature range Runaway ¬. This does not apply to the final application of the front contacts, for example in the form of contact fingers, which is usually carried out by vapor deposition. However, this is a standardized process that does not increase the procedural effort and costs. The process parameters during production, however, have a significant influence on this. Significant process improvement can be achieved here by avoiding high temperatures and process changes provided by the invention. Here, wet chemical / electrochemical processes can easily be scaled up and used to produce large areas, as is known from electroplating.
Wichtig für die Effizienzsteigerung bei der zuvor beschriebenen Solarzelle mit besonders ausgebildeten metallischen Nanoemittern ist die genaue Positionierung und Einhaltung der Abmessungen der Nanoemitter durch eine genaue Strukturierung der Oxidschicht und der Halbleiterschicht. In technologischen Anwendungen kann die Strukturierung der Oxidschicht beispielsweise mit Elektronenstrahllithographie oder mit lonenstrahlätzen (FIB focused ion beam etching) durchgeführt werden. Alternativ, aber auch ohne Anwendung von hohen Temperaturen kann die Strukturierung der Oxidschicht, bei der es sich beispielsweise um ZnO, SnO2 oder ITO handeln kann, kann das Strukturieren der Oxidschicht gemäß einer nächsten Verfahrensfortführung auch mittels Rastersondenmikroskopie erfolgen, wodurch eine noch genauere und kontrolliertere Festlegung der Nanoemitterpositionen möglich ist. Hier existieren prinzipiell zwei Möglichkeiten. Zum einen kann die Oxidschicht in einem gewählten Oberflächenbereich mit einem AFM (Atomic force microscopy) bei einer genügend hohen Auflagekraft abgerastert werden. Durch diesen Vorgang wird die Oxidschicht entsprechend zur Seite geschoben und die darunter liegende Halbleiterschicht freigelegt. Zum anderen kann mittels AFM eine Indentation mit einer Diamantnadel vorgenommen werden, bei der zur Kontaktherstellung die Oxidschicht durchstoßen wird. Gemäß einer anderen Erfindungsfortbildung kann bei der mechanischen Strukturierung der Oxidschicht auch ein paralleles Einprägen einer Vielzahl von Indentationen zur Strukturierung einer großflächigen Oxidschicht erfolgen. Bei dieser soge- nannten „millipede-Technik" werden gleichzeitig sehr viele Indentationen (einige hundert) mit z.B. AFM (atomic force microscopy) durchgeführt. Insbesondere für großtechnische Anwendungen ist eine derartige Strukturierung im Zusammenhang mit der ebenfalls großtechnisch durchführbaren durchgängigen elektrochemischen/nasschemischen Herstellung deshalb von besonderem Interesse. Um eventuell entstehende Deformationen bei der Indentation bzw. dem Kratzen ausheilen zu können, können die Strukturen gemäß einer weiteren Verfahrensfortführung anschließend behutsam einem chemischen oder elektrochemischen Ätzen der Stellen der entfernten Oxidschicht und einem nachfolgenden Potenzial-, ström- und ladungskontrollierten Aufbringen einer elektrisch isolierenden anodischen Oxidschicht (1 bis 3 Atomlagen) auf die Struktur in der Halbleiterschicht vor dem Abscheiden von Metall unterzogen werden. Dieser Vorgang dient der Unterdrückung von Rekombinationsprozessen an und in der Umgebung von Defekten.It is important for the increase in efficiency in the previously described solar cell with specially designed metallic nanoemitters that the exact positioning and compliance with the dimensions of the nanoemitters is ensured by the precise structuring of the oxide layer and the semiconductor layer. In technological applications, the structuring of the oxide layer can be carried out, for example, with electron beam lithography or with ion beam etching (FIB focused ion beam etching). Alternatively, but also without the use of high temperatures, the structuring of the oxide layer, which can be ZnO, SnO 2 or ITO, for example, the structuring of the oxide layer can also be carried out by means of scanning probe microscopy in accordance with a next process continuation, whereby an even more precise and controlled Determining the nano-emitter positions is possible. There are basically two options here. On the one hand, the oxide layer can be scanned in a selected surface area with an AFM (atomic force microscopy) with a sufficiently high contact force. As a result of this process, the oxide layer is pushed aside and the semiconductor layer underneath is exposed. On the other hand, an identification with a diamond needle can be carried out by means of AFM the oxide layer is pierced to make contact. According to another further development of the invention, the mechanical structuring of the oxide layer can also have a plurality of indications impressed in parallel for structuring a large-area oxide layer. In this so-called “millipede technique”, a large number of identifications (a few hundred) are carried out at the same time using, for example, AFM (atomic force microscopy). In particular for large-scale applications, such structuring in connection with the continuous electrochemical / wet-chemical production that can also be carried out on a large scale is therefore In order to be able to heal any deformations that may arise during the indentation or scratching, the structures can then, according to a further method, gently chemically or electrochemically etch the locations of the removed oxide layer and subsequently apply a potential, current and charge-controlled application electrically insulating anodic oxide layer (1 to 3 atomic layers) are subjected to the structure in the semiconductor layer before the deposition of metal.This process serves to suppress recombination processes on and in d he environment of defects.
Nach der Oberflächenstrukturierung der Oxidschicht erfolgt ein Verfahrensschritt zur Vertiefung der Strukturen in die Halbleiterschicht hinein. Dies erfolgt durch nasschemisches oder elektrochemisches oder photoelektrochemisches Einätzen. Ausgehend von Punktstrukturen in der Oxidschicht ergeben sich nadel- oder auch porenförmige Vertiefungen. Lineare Strukturen in der Oxidschicht werden zu Rippen oder Gräben vertieft. Dabei ist das Ätzen ein einfacher, aber doch genauer Vorgang, da durch die Oxidschicht die nicht zu ätzende Oberfläche der Halbleiterschicht sicher geschützt ist. Die Ätztiefe kann durch die entsprechenden Material- und Zeitparameter genau festgelegt werden. Gleiches gilt für das mögliche Ätzen von seitlichen Verzweigungen, die von der zentralen nadel- oder rippenförmigen Ätzvertiefung ausgehen können, und für schräg in der Halbleiterschicht verlaufende Vertiefungen. Ein wichtiger Verfahrensschritt ist das anschließende Verfüllen der nadel- oder rippen- förmigen Vertiefungen und auch möglicher seitlicher Verzweigungen, das heißt, die lokale Abscheidung der metallischen Nanoemitter. Hierbei wird ein lichtinduziertes oder potenzialkontrolliertes elektrochemisches Abscheiden von Metall durchgeführt. Das Abscheiden in den seitlichen Verzweigungen kann dabei sicher gewährleistet werden. Bei dem Abscheiden durch Licht wird das Metall so gewählt, dass ein gleichrichtender Schottky-Kontakt entsteht. Der Halbleiter kann p, n oder undotiert sein, bei n-Halbleitern erfolgt die Metallab- scheidung im Dunkeln durch Bildung von negativen Akkumulationsschichten. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich des genaueren Vorgehens bei der lichtinduzierten Abscheidung auf den speziellen Beschreibungsteil im Zusammenhang mit den entsprechenden Figuren hingewiesen. Eine alternative Präparation kann durch Einbringen eines metallischen Kolloids in die nadel- oder rippenförmigen Vertiefungen in der Halbleiterschicht durchgeführt werden. Nach dem Einbringen des Kolloids werden die freiliegenden Oberflächenbereiche der Halbleiterschicht elektrochemisch oxidiert, sodass die angestrebte Nanoemitterstruktur dort in eine Oxidschicht eingebettet ist. An die Erzeugung der Nanoemitter anschließende Verfahrensschritte können gemäß weiterer Ausführungsformen das Aufbringen einer Verspiegelungsschicht auf die Rückseite der Halbleiterschicht und/oder das Aufbringen einer Antireflexionsschicht auf die transparente Leitschicht umfassen. Beide zusätzlichen Schichten dienen der weiteren Effizienzverbesserung, wie weiter oben im Zusammenhang mit der Solarzelle nach der Erfindung bereits erläutert.After the surface structuring of the oxide layer, there is a process step for deepening the structures into the semiconductor layer. This is done by wet chemical or electrochemical or photoelectrochemical etching. Starting from point structures in the oxide layer, needle-shaped or pore-shaped depressions result. Linear structures in the oxide layer are deepened into ribs or trenches. The etching is a simple but precise process since the surface of the semiconductor layer that is not to be etched is reliably protected by the oxide layer. The etching depth can be precisely determined using the appropriate material and time parameters. The same applies to the possible etching of lateral branches which can originate from the central needle-shaped or rib-shaped etching recess, and to depressions which run obliquely in the semiconductor layer. An important process step is the subsequent filling of the needle or rib shaped depressions and also possible lateral branches, that is, the local deposition of the metallic nano-emitters. Here, a light-induced or potential-controlled electrochemical deposition of metal is carried out. The separation in the side branches can be guaranteed. When deposited by light, the metal is chosen so that a rectifying Schottky contact is created. The semiconductor can be p, n or undoped. In the case of n semiconductors, the metal is deposited in the dark by forming negative accumulation layers. In order to avoid repetition, reference is made to the special description part in connection with the corresponding figures with regard to the more precise procedure for light-induced deposition. An alternative preparation can be carried out by introducing a metallic colloid into the needle-shaped or rib-shaped depressions in the semiconductor layer. After the colloid has been introduced, the exposed surface areas of the semiconductor layer are electrochemically oxidized, so that the desired nanoemitter structure is embedded in an oxide layer there. Process steps following the generation of the nanoemitters can comprise, in accordance with further embodiments, the application of a reflective layer on the rear side of the semiconductor layer and / or the application of an antireflection layer on the transparent conductive layer. Both additional layers serve to further improve efficiency, as already explained above in connection with the solar cell according to the invention.
Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend zu deren weiterem Verständnis anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt :Forms of embodiment of the invention are explained in more detail below with the aid of the schematic figures for their further understanding. It shows:
Figur 1 eine Ausführungsform einer Solarzelle nach der Erfindung im Querschnitt,1 shows an embodiment of a solar cell according to the invention in cross section,
Figur 2 ein Energieband-Ort-Diagramm zur lichtinduzierten lokalen Abscheidung der Nanoemitter im Bereich der Nanoemitter, 11FIG. 2 shows an energy band location diagram for the light-induced local deposition of the nanoemitters in the area of the nanoemitters, 11
Figur 3 ein Energieband-Ort-Diagramm zur lichtinduzierten lokalen Abscheidung der Nanoemitter im Bereich der Oxidschicht und Figur 4 ein Detail zur lichtinduzierten Abscheidung der Nanoemitter.3 shows an energy band location diagram for the light-induced local deposition of the nano-emitters in the region of the oxide layer, and FIG. 4 shows a detail for the light-induced deposition of the nano-emitters.
Die Figur 1 zeigt eine photovoltaische Solarzelle SZ mit einem elektrischen Festkörperkontakt zwischen einer dotierten Halbleiterschicht HL mit einer Schichtdicke dHι_ und einer Vielzahl von auf der Oberfläche der Halbleiterschicht HL in eine elektrisch isolierenden Oxidschicht OS eingebetteten metallischen Nanoemittern NE. Bei entsprechender Wahl des Metalls ergibt ein gleichrichtender Schottky-Kontakt mit der Halbleiterschicht HL. Die gleichrichtenden Nanoemitter NE erzeugen in der Halbleiterschicht HL eine Raumladungszone (verarmter Bereich) der Ausdehnung w. Bei Belichtung werden, wenn die eingestrahlte Lichtenergie hv größer als die Austrittsarbeit Eg der Ladungsträger ist, in der Halbleiterschicht HL Elektron-Loch-Paare generiert. Die Minoritätsladungsträger (Elektronen für p-Silizium als Halbleiter, Löcher oder „Defektelektronen" für n-Silizium) migrieren mit einer Diffusionslänge L zu den als Senke wirkenden metallischen Nanoemittern NE. Eine besonders effiziente Solarenergieumwandlung wird dann erreicht, wenn für den Abstand D der metallischen Nanoemitter NE gilt : D ≤ ΪL1 shows a photovoltaic solar cell SZ with an electrical solid-state contact between a doped semiconductor layer HL with a layer thickness d H ι_ and a large number of metallic nano-emitters NE embedded in an electrically insulating oxide layer OS on the surface of the semiconductor layer HL. With a corresponding choice of metal, a rectifying Schottky contact with the semiconductor layer HL results. The rectifying nanoemitters NE generate a space charge zone (depleted area) of the dimension w in the semiconductor layer HL. Upon exposure, when the incident light energy hv is greater than the work function E g of the charge carriers, electron-hole pairs are generated in the semiconductor layer HL. The minority charge carriers (electrons for p-silicon as semiconductors, holes or “defect electrons” for n-silicon) migrate with a diffusion length L to the metallic nano-emitters NE which act as a sink. A particularly efficient solar energy conversion is achieved if the distance D of the metallic Nanoemitter NE applies: D ≤ ΪL
Dabei ist bei einer Gleichheit der optimale Abstand der metallischen Nanoemitter NE erreicht, der eine minimale Abschattung und minimalen Materialeinsatz gewährleistet. Unterschreitet der Abstand D die obere Grenze, ist unter Inkaufnahme eines gewissen Materialmehrverbrauchs eine entsprechende Überdeckung gegeben, die jedoch eine sichere Ausnutzung der Halbleiterschicht HL in der entsprechenden Radialebene gewährleistet. Bei einer Anordnung der metallischen Nanoemitter NE ausschließlich auf der Oberfläche der Halbleiterschicht HL wäre die effiziente Ausnutzung jedoch auf die oberste Schicht der Halbleiterschicht HL begrenzt. Um eine vollständige Ausnutzung zu erreichen, dürfte die Schicht dHL der Halbleiterschicht HL demnach nicht größer als die Diffusionslänge L der jeweiligen Minoritätsladungsträger sein. Bei der Solarzelle SZ nach der Erfindung erstrecken sich die metallischen Nanoemitter NE jedoch auch in die Tiefe der Halbleiterschicht HL, sodass sich nunmehr der vorteilhafte umgekehrte Fall ergibt. In Abhängigkeit von der Schichtdicke dHι_ der Halbleiterschicht HL, der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger und der Ausdehnung w der Raumladungszone wird eine Eindringtiefe T definiert, für die gilt :In the case of an equality, the optimum distance between the metallic nanoemitters NE is achieved, which ensures minimal shading and minimal use of materials. If the distance D falls below the upper limit, a corresponding overlap is given while accepting a certain additional consumption of material, but this ensures reliable utilization of the semiconductor layer HL in the corresponding radial plane. If the metallic nanoemitters NE were arranged exclusively on the surface of the semiconductor layer HL, however, the efficient use would be limited to the uppermost layer of the semiconductor layer HL. To be a complete To achieve utilization, the layer d HL of the semiconductor layer HL should therefore not be greater than the diffusion length L of the respective minority charge carriers. In the solar cell SZ according to the invention, however, the metallic nano-emitters NE also extend into the depth of the semiconductor layer HL, so that the advantageous reverse case now arises. Depending on the layer thickness d H ι_ of the semiconductor layer HL, the diffusion length L of the minority charge carriers and the extent w of the space charge zone, a penetration depth T is defined for which:
T ≥ dHL -- + wT ≥ d HL - + w
Dabei ergibt sich bei Gleichheit wieder die optimale Ausnutzung der Halbleiterschicht HL bis zum Rückkontakt RK der Solarzelle SZ und bei Unterschreitung des Grenzwerts eine Sicherheitsüberdeckung. Eine Abhängigkeit der Schichtdicke dm. der Halbleiterschicht vom Absorptionskoeffizienten α bzw. der Absorptionslänge 1/α, in der Form, dass die Schichtdicke dHι_ der Halbleiterschicht größer sein muss als 3/α, um eine optimale Schichtaus- nutzung bei rein kristallinem Halbleitermaterial zu erreichen, ist dann nicht gegeben.In the case of equality, this again results in the optimal utilization of the semiconductor layer HL up to the back contact RK of the solar cell SZ and a safety coverage if the limit value is undershot. A dependence of the layer thickness dm. the semiconductor layer with the absorption coefficient α or the absorption length 1 / α, in the form that the layer thickness d H ι_ of the semiconductor layer must be greater than 3 / α in order to achieve optimum layer utilization with purely crystalline semiconductor material, is then not given ,
Die metallischen Nanoemitter NE sind auf der Oberfläche der Halbleitersch. icht HL von einer geschlossenen Oxidschicht OS umgeben, deren Schichtdϊcke lediglich so stark bemessen sein muss, dass eine sichere Isolation der metallischen Nanoemitter NE gegeneinander und zwischen der Halbleiterschicht HL und einer auf die Oxidschicht OS aufgebrachten transparenten Leitschicht TCO gewährleistet ist. Die metallischen Nanoemitter NE können etwas in die transparente Leitschicht TCO hineinragen. Aufgrund der Aufteilung der Bereiche zwischen den Nanoemittern NE kann eine solche Solarzelle SZ als Kompartment-Solarzelle bezeichnet werden. Die Stromsammlung erfolgt über Frontkontakte FK, beispielsweise in Streifen- oder Fingerform, die auf die transparente Leitschicht TCO aufgebracht sind. Auch hier ist eine möglichst minimale Beschattung anzustreben. Zur weiteren Verbesserung der Umwandlungseffizienz können noch eine Antireflexionsschicht auf der Oberseite und eine Verspiegelungsschicht auf der Rückseite vor dem Rückkontakt der Solarzelle SZ vorgesehen sein.The metallic nanoemitters NE are on the surface of the semiconductor. HL is not surrounded by a closed oxide layer OS, the layer thickness of which only has to be dimensioned to such an extent that reliable insulation of the metallic nanoemitters NE from one another and between the semiconductor layer HL and a transparent conductive layer TCO applied to the oxide layer OS is ensured. The metallic nanoemitters NE can protrude somewhat into the transparent conductive layer TCO. Due to the division of the areas between the nanoemitters NE, such a solar cell SZ can be referred to as a compartment solar cell. The current is collected via front contacts FK, for example in the form of strips or fingers, which are applied to the transparent conductive layer TCO. Here is one too To strive for minimal shading. To further improve the conversion efficiency, an antireflection layer on the top and a reflective layer on the back can be provided before the back contact of the solar cell SZ.
Für die Präparation und Modifizierung der Oxidschicht OS können nasschemisch dünne Oxide mit hoher elektronischer Qualität der Grenzfläche Oxid/Halbleiter abgeschieden werden. Weitere Möglichkeiten bestehen in der Herstellung anodischer Oxide mit anschließender Nachtrocknung bzw. in der Verwendung elektropolierter Oxide mit anschließender Nachtrocknung. Weiterhin können thermisch hergestellte und natürliche Oxide verwendet werden. Die Oxidstrukturierung erfolgt bevorzugt mechanisch, beispielsweise mittels AFM durch Beiseiteschieben oder Durchdringen der Oxidschicht OS.For the preparation and modification of the oxide layer OS, wet-chemical thin oxides with high electronic quality of the oxide / semiconductor interface can be deposited. There are further possibilities in the production of anodic oxides with subsequent post-drying or in the use of electropolished oxides with subsequent post-drying. Furthermore, thermally produced and natural oxides can be used. The oxide structuring is preferably carried out mechanically, for example by means of AFM by pushing aside or penetrating the oxide layer OS.
Für die Möglichkeit der lokalen Abscheidung von Nanoemittern NE aus Metall auf einem Halbleitermaterial, hier p-Si, zur Erzeugung von Schottky-Kontakten mittels eines photoinduzierten elektrochemischen Verfahrens wird die energetische Situation am Kontakt p-Si / Metall / Elektrolyt bei kathodischer Polarisation des Silizium Si betrachtet. Dabei werden oxidbedeckte und -freie Bereiche der Si-Oberfläche unterschieden. Die jeweiligen lichtinduzierten Prozesse sind in Energieband-Ort-Diagrammen (Energie E über dem Ort x, EF Ferminiveau) dargestellt. Die Figur 2 zeigt das Verhalten eines unbedeckten Teils der Halbleiterschicht HL zur nachfolgenden Positionierung eines metallischen Nanoemitters NE bei kathodischer Polarisation (angelegte Spannung Va) und Belichtung (hv). Die lichterzeugten Überschussladungsträger migrieren entweder zum im Ausführungsbeispiel flächig ausgebildeten Rückkontakt RK (Löcher (+)) oder zur Oberfläche (Elektronen (-)). Die Elektronen können bei geeigneter energetischer Lage der Leitungsbandunterkante (EL) und eines metallischenFor the possibility of local deposition of nano-emitters NE made of metal on a semiconductor material, here p-Si, for the production of Schottky contacts by means of a photo-induced electrochemical process, the energetic situation at the contact p-Si / metal / electrolyte with cathodic polarization of the silicon Si considered. A distinction is made between areas of the Si surface that are covered and free of oxide. The respective light-induced processes are shown in energy band-location diagrams (energy E over location x, E F Fermi level). FIG. 2 shows the behavior of an uncovered part of the semiconductor layer HL for the subsequent positioning of a metallic nanoemitter NE with cathodic polarization (applied voltage V a ) and exposure (hv). The light-generated excess charge carriers migrate either to the back contact RK (holes (+)), which is flat in the exemplary embodiment, or to the surface (electrons (-)). The electrons can with a suitable energetic position of the lower edge of the conduction band (EL) and a metallic one
Redoxpaares (Mez+/0) die ReaktionRedoxpaares (Me z + / 0 ) the reaction
Mez+ +ne" → Me(z"n)+ ablaufen lassen. Für n=z entsteht die metallische Phase. Für einwertige Metallionen gilt vereinfacht beispielsweise : Ag+ + e" → Ag°.Me z + + ne " → Me (z" n) + drain. The metallic phase is formed for n = z. For monovalent metal ions, for example: Ag + + e " → Ag °.
Dies führt an den freien Oberflächen- und Tiefenbereichen der Halbleiterschicht HL zur Metallabscheidung und damit zur Bildung der metallischen Nanoemitter NE. Äquivalent kann die Metallabscheidung auch an n-Si durch kathodische Polarisation im Dunkeln (unbelichtet) bewirkt werden. In diesem Fall sind die Leitungsbandelektronen als akkumulierte Majoritätsladungsträger anzusehen. Die lichtinduzierte Abscheidung bei p-Halbleitern und Abscheidung im Dunkeln auf n-Halbleitem bei kathodischem (negativem) Potenzial stellt - im Vergleich zur Flachbandsituation - ein sehr schonendes und besonders gut definiertes Verfahren im Vergleich zum Aufdampfen, Sputtern oder Abätzen von Metallfilmen dar.This leads to metal deposition at the free surface and depth regions of the semiconductor layer HL and thus to the formation of the metallic nanoemitter NE. Equivalently, metal deposition can also be effected on n-Si by cathodic polarization in the dark (unexposed). In this case, the conduction band electrons are to be regarded as accumulated majority charge carriers. The light-induced deposition in p-semiconductors and deposition in the dark on n-semiconductors with cathodic (negative) potential represents - in comparison to the flat band situation - a very gentle and particularly well-defined process in comparison to vapor deposition, sputtering or etching of metal films.
In der Figur 3 ist das entsprechende Verhalten für oxidbedeckte Bereiche auf der Halbleiterschicht HL dargestellt. Für Schichtstärken dOX der Oxidschicht, die deutlich größer sind als die sogenannte Tunneldicke (dox ≥ 3 nm) werden die lichtinduzierten Elektronen nicht mehr in den Elektrolyten transferiert. Es findet vielmehr ein „Trapping" an Haftstellen an der Oberfläche der Halbleiterschicht HL sowie Rekombination statt. Bei genügend hoher elektronischer Qualität der Si / Oxid-Grenzfläche findet jedoch eine Ladungsträgerdrift zu den metalllischen Nanoemittern NE statt. Dies ist in der Figur 4 dargestellt.FIG. 3 shows the corresponding behavior for oxide-covered areas on the semiconductor layer HL. For layer thicknesses d OX of the oxide layer that are significantly larger than the so-called tunnel thickness (dox ≥ 3 nm), the light-induced electrons are no longer transferred into the electrolyte. Rather, there is "trapping" at traps on the surface of the semiconductor layer HL and recombination. However, if the electronic quality of the Si / oxide interface is sufficiently high, a charge carrier drift to the metallic nanoemitters NE takes place. This is shown in FIG.
Das geordnete Freilegen von Kontaktbereichen auf und in der Halbleiterschicht HL nach der Bildung einer dickeren (beispielsweise 10 nm) anodischen Oxidschicht OS, die nachfolgende Abscheidung von metallischen Nanoemittern NE zur Herstellung gleichrichtender Nanokontakte und die Aufbringung von beispielsweise Sn02 als transparente Leitschicht TCO ermöglicht eine durch- gängige Herstellung einer komplett nass- und elektrochemisch präparierten Solarzelle bei niedriger Temperatur, wodurch sich ein energiesparender und kostengünstiger Verfahrensweg ergibt.The orderly exposure of contact areas on and in the semiconductor layer HL after the formation of a thicker (for example 10 nm) anodic oxide layer OS, the subsequent deposition of metallic nanoemitters NE for producing rectifying nanocontacts and the application of, for example, SnO 2 as a transparent conductive layer TCO enables through - Common manufacture of a completely wet and electrochemically prepared solar cell at low temperature, which results in an energy-saving and inexpensive process.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
D Abstand der Nanoemitter dH[_ Schichtdicke der Halbleiterschicht d0x Schichtdicke der OxidschichtD distance of the nanoemitters d H [_ layer thickness of the semiconductor layer d 0x layer thickness of the oxide layer
FK FrontkontaktFK front contact
HL HalbleiterschichtHL semiconductor layer
L Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger NE NanoemitterL Diffusion length of the minority charge carriers NE nanoemitter
OS OxidschichtOS oxide layer
RK RückkontaktRK back contact
SZ SolarzelleSZ solar cell
T Eindringtiefe der Nanoemitter TCO transparente Leitschicht w Ausdehnung der Raumladungszone T penetration depth of the nanoemitter TCO transparent conductive layer w expansion of the space charge zone

Claims

Patentansprüche claims
1. Photovoltaische Solarzelle mit einem elektrischen Festkörperkontakt zwischen einer Halbleiterschicht mit einer Schichtdicke dHL und einer Vielzahl von in eine auf der Halbleiterschicht angeordneten, elektrisch isolierenden Oxidschicht eingebetteten metallischen Nanoemittern mit jeweils einer Raumladungszone der Ausdehnung w in der Halbleiterschicht, zu der die Minoritätsladungsträger über eine Diffusionslänge L migrieren, und einer von der Halbleiterschicht durch die Oxidschicht elektrisch isolierten transparenten Leitschicht sowie Front- und Rückkontakten, dadurch gekennzeichnet, dass, die metallischen Nanoemitter (NE) nadel- oder rippenförmig ausgebildet sind und einen gleichmäßigen Abstand D ≤ "v 2^ zueinander sowie eine Eindring¬1.Photovoltaic solar cell with an electrical solid-state contact between a semiconductor layer with a layer thickness d HL and a multiplicity of metallic nano-emitters embedded in an electrically insulating oxide layer arranged on the semiconductor layer, each with a space charge zone of the extent w in the semiconductor layer to which the minority charge carriers are connected via a Migrate diffusion length L, and a transparent conductive layer electrically isolated from the semiconductor layer by the oxide layer, as well as front and back contacts, characterized in that the metallic nano-emitters (NE) are needle-shaped or rib-shaped and have a uniform distance D ≤ " v 2 ^ from one another and an intrusion
tiefe T ≥ dHL — + w in die Halbleiterschicht (HL) aufweisen.have deep T ≥ d HL - + w in the semiconductor layer (HL).
2. Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Nanoemitter (NE) in der Halbleiterschicht (HL) seitliche Verzweigungen aufweisen und/oder schräg in der Halbleiterschicht (HL) verlaufen.2. Photovoltaic solar cell according to claim 1, characterized in that the metallic nano-emitters (NE) in the semiconductor layer (HL) have lateral branches and / or run obliquely in the semiconductor layer (HL).
3. Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Halbleiterschicht (HL) rückseitig vor dem Rückkontakt (RK) eine Verspiegelungsschicht aufgebracht ist.3. Photovoltaic solar cell according to claim 1 or 2, characterized in that a reflective layer is applied to the back of the semiconductor layer (HL) before the back contact (RK).
4. Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf die transparente Leitschicht (TCO) eine Antireflexionsschicht aufgebracht ist. 4. Photovoltaic solar cell according to one of claims 1 to 3, characterized in that an anti-reflection layer is applied to the transparent conductive layer (TCO).
5. Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle mit einem elektrischen Festkörperkontakt zwischen einer Halbleiterschicht mit einer Schichtdicke dm. und einer Vielzahl von in eine auf der Halbleiterschicht angeordneten, elektrisch isolierenden Oxidschicht eingebetteten metallischen Nanoemittern mit jeweils einer Raumladungszone der Ausdehnung w in der Halbleiterschicht, zu der die Minoritätsladungsträger über eine Diffusionslänge L migrieren, und einer von der Halbleiterschicht durch die Oxidschicht elektrisch isolierten transparenten Leitschicht sowie Front- und Rückkontakten, wobei die Nanoemitter nadeiförmig ausgebildet sind und einen gleichmäßigen5. Method for producing a photovoltaic solar cell with an electrical solid-state contact between a semiconductor layer with a layer thickness dm. and a multiplicity of metallic nano-emitters embedded in an electrically insulating oxide layer arranged on the semiconductor layer, each with a space charge zone of extension w in the semiconductor layer to which the minority charge carriers migrate over a diffusion length L, and one transparent conductive layer that is electrically insulated from the semiconductor layer by the oxide layer as well as front and rear contacts, the nano-emitters being needle-shaped and uniform
Abstand ö ≤ 2L zueinander sowie eine Eindringtiefe T ≥ dHL — + w in dieDistance ö ≤ 2L to each other and a penetration depth T ≥ d HL - + w into the
Halbleiterschicht aufweisen, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte :Have semiconductor layer, in particular according to claim 1 or 2, characterized by the method steps:
• nasschemisches oder elektrochemisches oder photoelektrochernisches Aufbringen einer elektrisch isolierenden Oxidschicht (OS) hoher elektronischer Qualität auf eine Halbleiterschicht (HL),Wet-chemical or electrochemical or photo-electrochemical application of an electrically insulating oxide layer (OS) of high electronic quality to a semiconductor layer (HL),
• Strukturieren der Oxidschicht (OS) durch punkt- oder linienförmiges Entfernen der Oxidschicht (OS) an den zur Anordnung der Nanoemitter (NE) vorgesehenen Stellen, • nasschemisches oder elektrochemisches oder photoelektrochernisches nadel- oder rippenförmiges Einätzen der Struktur in der Oxidschicht (OS) in die Halbleiterschicht (HS) hinein,• Structuring of the oxide layer (OS) by removing the oxide layer (OS) in the form of points or lines at the locations provided for arranging the nano-emitters (NE), • Wet-chemical or electrochemical or photo-electrochemical needle-like or rib-shaped etching of the structure in the oxide layer (OS) in the semiconductor layer (HS) into it,
• lichtinduziertes oder potenzialkontrolliertes elektrochemisches Abscheiden von Metall in die Struktur in der Oxidschicht (OS) und in der Halbleiterschicht (HL) aus einem Redoxelektrolyten,Light-induced or potential-controlled electrochemical deposition of metal into the structure in the oxide layer (OS) and in the semiconductor layer (HL) from a redox electrolyte,
• nasschemisches oder elektrochemisches oder photoelektrochernisches Aufbringen einer transparenten Leitschicht (TCO) auf die Oxidschicht (OS) und• wet chemical or electrochemical or photoelectrochemical application of a transparent conductive layer (TCO) on the oxide layer (OS) and
• Aufbringen von Front- und Rückkontakten (FK, RK). • Application of front and rear contacts (FK, RK).
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein ebenfalls nasschemisches oder elektrochemisches oder photoelektrochernisches Strukturieren der Oxidschicht (OS), sodass der Herstellungsprozess der Solarzelle (SZ) durchgängig nasschemisch oder elektrochemisch oder photoelektrochemisch im Niedertemperaturbereich durchgeführt wird.6. The method according to claim 5, characterized by a likewise wet chemical or electrochemical or photoelectrochemical structuring of the oxide layer (OS), so that the manufacturing process of the solar cell (SZ) is carried out consistently wet chemical or electrochemical or photoelectrochemical in the low temperature range.
7. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch das Strukturieren der Oxidschicht (OS) mittels Rastersondenmikroskopie.7. The method according to claim 5, characterized by structuring the oxide layer (OS) by means of scanning probe microscopy.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein paralleles Einprägen einer Vielzahl von Indentationen zur Strukturierung einer großflächigen Oxidschicht (OS).8. The method according to claim 7, characterized by a parallel stamping of a plurality of indications for structuring a large-area oxide layer (OS).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch9. The method according to any one of claims 5 to 8, characterized by
Potenzial-, ström- und ladungskontrolliertes Aufbringen einer elektrisch isolie- renden anodischen Oxidschicht auf die Struktur in der Halbleiterschicht (HS) vor dem Abscheiden von Metall.Potential, current and charge-controlled application of an electrically insulating anodic oxide layer to the structure in the semiconductor layer (HS) before the deposition of metal.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch Aufbringen einer Verspiegelungsschicht auf die Rückseite der Halbleiterschicht (HL) und/oder einer Antireflexionsschicht auf die transparente Leitschicht (TCO). 10. The method according to any one of claims 5 to 9, characterized by applying a reflective layer on the back of the semiconductor layer (HL) and / or an anti-reflection layer on the transparent conductive layer (TCO).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1182709A1 (en) * 2000-08-14 2002-02-27 IPU, Instituttet For Produktudvikling A process for depositing metal contacts on a buried grid solar cell and a solar cell obtained by the process

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61244076A (en) * 1985-04-22 1986-10-30 Nobutake Nezuka Solar battery
JPS61292381A (en) * 1985-06-19 1986-12-23 Sharp Corp Solar cell
DE4416549C2 (en) * 1994-05-10 1996-09-12 Siemens Ag Process for the production of a solar cell

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1182709A1 (en) * 2000-08-14 2002-02-27 IPU, Instituttet For Produktudvikling A process for depositing metal contacts on a buried grid solar cell and a solar cell obtained by the process

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GREEN M A ET AL: "20% EFFICIENT LASER GROOVED, BURIED CONTACT SILICON SOLAR CELLS", PHOTOVOLTAIC SPECIALISTS CONFERENCE. LAS VEGAS, SEPT. 26 - 30, 1988, NEW YORK, IEEE, US, vol. VOL. 1 CONF. 20, 26 September 1988 (1988-09-26), pages 411 - 414, XP000166680 *
JENSEN J A D ET AL: "ELECTROCHEMICAL DEPOSITION OF BURIED CONTACTS IN HIGH-EFFICIENCY CRYSTALLINE SILICON PHOTOVOLTAIC CELLS", JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY, ELECTROCHEMICAL SOCIETY. MANCHESTER, NEW HAMPSHIRE, US, vol. 150, no. 1, January 2003 (2003-01-01), pages G49 - G57, XP001090500, ISSN: 0013-4651 *
STROLLO A G M ET AL: "A closed-form two-dimensional model of a laser grooved solar cell", SOLID-STATE ELECTRONICS UK, vol. 35, no. 8, August 1992 (1992-08-01), pages 1109 - 1118, XP002318919, ISSN: 0038-1101 *
VETTIGER P ET AL: "THE MILLIPEDE-NANOTECHNOLOGY ENTERING DATA STORAGE", IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NY, US, vol. 1, no. 1, March 2002 (2002-03-01), pages 39 - 55, XP001186695, ISSN: 1536-125X *
YOSHIHIRO NAKATO ET AL: "SOLAR CELLS BASED ON A NEW JUNCTION TRANSPARENT CONDUCTOR/THIN INSULATOR HAVING ULTRAFINE METAL ISLANDS/SEMICONDUCTOR", PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL PHOTOVOLTAIC SCIENCE AND ENGINEERING CONFERENCE. KYOTO, NOV. 26 - 30, 1990, KYOTO, KYOTO UNIVERSITY, JP, vol. CONF. 5, 26 November 1990 (1990-11-26), pages 939 - 942, XP000215152 *

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