WO2009074468A2 - Rückkontaktsolarzelle mit integrierter bypassdioden-funktion sowie herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

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Institut Für Solarenergieforschung Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a back contact solar cell with integrated bypass diode function and a manufacturing method for such a back contact solar cell.
  • a common form of using solar cells is their interconnection to modules.
  • modules In each of these modules, a certain number of solar cells are connected in series to form so-called "strings."
  • the series connection is desirable, since in this way the voltages of the individual solar cells of the string add up and the current through the entire series circuit is that of a single solar cell Since resistance losses are a function of the current intensity, the series connection of the solar cells to strings minimizes the loss of electrical energy in the resistances of the current-carrying lines within a module.
  • the shadowed cell which in this case acts as a reverse-biased pn diode.
  • a possibly significant electrical power is implemented in the shadowed cell, which can lead to strong local heating and ultimately damage the module.
  • bypass diodes are incorporated in module interconnections, which can bridge an entire string, portions of a string or even a single solar cell of a string such that at Generalabschattungen the electrical energy generated in the remaining part of the string through the bypass diode can flow instead of through the shaded or broken solar cell.
  • a normal pn diode is conventionally switched in the forward direction parallel to the string region to be bridged.
  • This type of interconnection with bypass diodes is a method in which damage to solar cells or the entire solar module can be avoided and which ensures that at least some of the illuminated solar cells can still contribute to the provision of electrical energy.
  • a back contact solar cell comprising: a semiconductor substrate having a base semiconductor type having a first doping concentration; Emitter regions along a backside surface of the semiconductor substrate, the emitter regions having an emitter semiconductor type opposite to the base semiconductor type; highly doped base regions along the backside surface of the semiconductor substrate, the base regions having the base semiconductor type with a second doping concentration, the second doping concentration being greater than the first doping concentration; Emitter contacts for electrically contacting the emitter areas; and base contacts for electrical contacting of the base areas.
  • an interface on which highly doped base regions adjoin emitter regions should be larger than 5% of the backside surface of the semiconductor substrate.
  • This first aspect of the present invention may be considered to be based on the following idea: in the described back contact solar cell, emitter regions contacted by emitter contacts border on highly doped base regions contacted by base contacts, these base regions having a higher doping concentration than the base doping concentration of the semiconductor substrate forming the solar cell.
  • the highly doped base regions but preferably also the emitter regions, have a relatively high doping concentration.
  • a pn diode is thus formed in which at least one, but preferably both, doping regions are highly doped, that is to say a p n junction is formed pn junction or a pn junction.
  • the resulting diode can be regarded as connected in parallel and in the same polarity direction to a the actual solar cell forming planar pn-junction.
  • Such parallel-connected diodes in which at least one doping region, but preferably both doping regions, are heavily doped, can permit relatively high currents even at relatively low voltages in the reverse direction. In particular embodiments described in more detail below, such diodes may exhibit a sudden increase in conductivity even above certain reverse bias voltages.
  • the strength of the reverse-possible currents depends inter alia linearly on the available interface between the base regions and the emitter regions. If the interface is large enough, for example, greater than 5% of the backside surface of the semiconductor substrate, the reverse current allowed in this manner may be of the order of magnitude approximately that of the solar cells at applied voltages, as typically occur in a series cell solar cell string provided current corresponds.
  • the generated by the heavily doped emitter and / or base regions, parallel to the actual pn-junction of Solar cell switched pn junctions can thus act as an integrated bypass diode for the back contact solar cell.
  • a back contact solar cell can be understood as meaning a solar cell in which both the emitter contacts and the base contacts are arranged on a rear side, that is to say a side of the solar cell remote from the incident light in use.
  • at least parts of the emitter forming the current-collecting pn-junction are formed on the rear-side surface of the solar cell, where they are contacted by the emitter contacts.
  • the semiconductor substrate may be, for example, a silicon wafer.
  • it may be doped with boron in a first relatively low doping concentration of about 0.1 - 5 x 10 16 cm -3 so that the base semiconductor is a p-type semiconductor the basic semiconductor type is an n-type semiconductor.
  • the semiconductor substrate may also be made of any other semiconductor. It can also be provided as a semiconductor thin film.
  • the emitter regions may extend along the back surface of the semiconductor substrate directly at the surface, but also parts of the emitter regions, in particular in overlapping regions with the base regions, may not directly adjoin the surface, but may extend slightly deeper inside the semiconductor substrate. These emitter regions which are "buried" in the interior can be in electrical contact with the regions of the emitter regions adjoining the backside surface, so that they can also be contacted electrically therefrom by the emitter contacts.
  • the emitter regions can be produced by diffusing dopants into the semiconductor substrate. For example, in a p-type semiconductor substrate, by locally diffusing phosphorus, an n-type emitter region can be formed. Alternatively, however, the emitter regions can also be produced by other methods, such as by ion implantation or alloying, so that a so-called homo-junction, that is a pn junction with oppositely doped regions of a same semiconductor base material, for example silicon, results.
  • the emitter regions can also be epitaxially deposited, for example vapor-deposited or sputtered on, so that homo- or so-called hetero junctions result, that is to say that in the case of hetero junctions pn junctions are present between a first semiconductor material of the basic semiconductor type and a second semiconductor material of an emitter semiconductor type.
  • emitter regions made of PECVD-deposited amorphous silicon layers (a-Si) on a crystalline silicon (c-Si) semiconductor substrate.
  • the base regions can also be produced by means of one of the abovementioned production methods, although production by local in-diffusion of a dopant to form the base regions may be preferred.
  • the emitter regions and the base regions when viewed in a plan view of the rear side surface of the semiconductor substrate, may each have a comb-like structure, in each of which linear finger-like emitter regions adjoin adjacent linear fiber-like base regions. Such a nested structure is also referred to as "interdigitated".
  • Both the emitter contacts and the base contacts can each be designed in the form of a local metallization, for example in the form of grid-like grids.
  • metals such as silver or aluminum can be locally deposited, for example, by a mask or using photolithography or screen printing or other methods on the base or emitter regions, for example by vapor deposition or sputtering or by using screen printing or dispensing.
  • all methods can be used which make it possible to form contacts locally, for example finger or grid-shaped, on a substrate back, including the possibility of applying full-area metal layers, which are subsequently patterned by local removal.
  • an electrically insulating gap may be provided between the two.
  • An essential feature of the back contact solar cell according to the invention is the large boundary surface at which highly doped base regions adjoin emitter regions on the rear side of the semiconductor substrate.
  • the interface may be greater than 5%, preferably greater than 10%, more preferably greater than 20%, and even more preferably greater than 30% of the back surface of the semiconductor substrate.
  • the interface necessary for sufficient bypass diode function is highly dependent on the characteristics of the adjacent emitter and gate highly doped base regions, in particular their doping concentration and their doping profile from.
  • these properties should be chosen so that the adjacent emitter and highly doped base regions, while the efficiency of the solar cell under normal lighted operating conditions, for example, at a voltage of about 0.45 - 0.65 V, hardly negatively affect that but in shading of the cell due to then applied to the cell, generated by the adjacent cells in the string voltage of, for example, more than 0.5V or a few Volts a sufficiently high current can flow in the reverse direction through the cell, for example, approximately equal to the short-circuit current a corresponding solar cell (eg 30-40mA / cm 2 x area of the solar cell).
  • Both the emitter regions and the base regions may in this case extend very close to the backside surface of the semiconductor substrate, in particular in view of the thickness of the emitter or base regions of e.g. a few microns usually large thickness of the semiconductor substrate, which may be about 200 microns in a silicon wafer, for example.
  • the emitter region in particular in overlapping regions with the base regions, can extend deeper into the semiconductor substrate than the base regions.
  • the emitter region may extend to a depth of more than 1 .mu.m, preferably more than 2 .mu.m below the back surface, whereas the base regions, for example, only less than 1 .mu.m deep, for example about 0.5 .mu.m deep, extend into the semiconductor substrate.
  • the emitter regions do not extend along the entire rear side surface of the semiconductor substrate in the finished solar cell, but there remain small local regions, which do not have the emitter semiconductor type and which are subsequently highly doped for the electrical connection between the electrodes formed on the rear surface Base regions and the base regions in the interior of the semiconductor substrate can serve.
  • connection regions in which either no corresponding emitter doping was effected during the generation of the emitter regions or in which a previously generated emitter doping was subsequently removed again, for example by etching away or path lasers, or in which in the subsequent formation of the back base regions Emitter layer has been locally overcompensated so that there is a passage from the back base regions to the base-doped main volume of the semiconductor substrate may be linear, such as parallel or perpendicular to the base contacts to be formed later, or punctiform.
  • the base regions and the emitter regions are formed in such a way that a pn junction with the properties of a zener diode results at the interface on which highly doped base regions adjoin emitter regions.
  • Diodes generally have the property of transmitting current when a forward voltage is applied, the current magnitude being exponentially dependent on the applied voltage, whereas at a reverse biased voltage, at least up to a threshold voltage referred to as the breakdown voltage, quasi do not allow current to flow.
  • the breakdown voltage and the breakdown mechanism depend on the band gap of the semiconductor material used and on the doping of the diode-forming semiconductor layers in the vicinity of the pn junction.
  • the zener diode characteristic it can be understood that while the diode behaves like a diode at a forward voltage, it is a diode.
  • the conducted current is not linear but, for example, depends exponentially on the voltage, but on the other hand the diode does not behave like a conventional diode when the voltage applied in the reverse direction and blocks the current, but conducts well even at low blocking voltage.
  • Diode types that behave similarly to Zener diodes are the so-called back diodes or the tunnel diodes. These diode types can thus also have a Zener diode property in the sense of this application.
  • the doping concentrations and profiles in the emitter and / or base regions can be chosen such that the zener diode properties or tunnel or back diode properties which are suitable in the interface regions of the resulting pn junction for the realization of a bypass diode.
  • the Zener diode properties can be chosen so that a breakthrough can already set at low blocking voltages, for example, the single or double open terminal voltage of the solar cell, but preferably at even lower voltages, so that in case of shading of the solar cell already the voltage generated by one or two further, intact solar cells in the same string is sufficient to cause the zener diodes to break and thus give them a property of a bypass diode.
  • emitter regions and base regions overlap in overlapping regions at least partially in planes parallel to the backside surface of the semiconductor substrate.
  • Both the emitter regions and the base regions are usually formed as thin layers with a thickness of at most a few microns due to their production, for example by diffusion of dopants.
  • this interface between parallel emitter regions and base regions arranged parallel to one another is greater than 5%, preferably greater than 10%, and more preferably greater than 20%, of the backside surface of the semiconductor substrate.
  • emitter regions and base regions are intermeshed in toothed regions in a tooth-like manner. Due to the comb-like toothing, which may be formed parallel or transversely to the rear side surface of the semiconductor substrate, it is likewise possible for the bypass diode Property important interface between the emitter and base areas are increased.
  • the boundary surface on which base regions adjoin emitter regions is distributed substantially homogeneously over the backside surface of the semiconductor substrate.
  • the interface provided for the bypass diode property may be advantageous not to limit the interface provided for the bypass diode property to a small contiguous area fraction of the back contact solar cell, that is, for example, only one contiguous area occupying 5% of the total area of the back contact -Solar cell is to form as such an interface, but to provide the entire interface in the form of individual smaller partial interfaces, which are arranged uniformly over the entire surface of the back contact solar cell.
  • the heavily doped base regions and / or the emitter regions are produced by diffusion of dopants into the semiconductor substrate.
  • the base regions and / or the emitter regions can also be produced by other methods, such as epitaxy, alloying or ion implantation, it has been found that base or emitter regions also produced by diffusion of dopants have advantageous properties due to the doping concentration profile typical for the diffusion can have.
  • the base regions are phosphorus doped and the emitter regions are boron doped.
  • first of all surface emitter regions can be produced by diffusion of boron, and then base regions can be introduced by diffusion of phosphorus into partial regions of the back surface of the solar cell.
  • the so-called emitter-push effect can be exploited, in which in the indiffusion of phosphorus, the previously present in this region boron is pushed in front of him. Accordingly, phosphorus-doped base region layers are formed on the backside surface and adjacent to it, deeper in the semiconductor substrate, the emitter-region layers shifted inwardly due to the emitter-push effect.
  • a method of manufacturing a solar cell comprising the steps of: providing a semiconductor substrate having a basic semiconductor type; Forming emitter regions along a backside surface of the semiconductor substrate, the emitter regions having an emitter semiconductor type opposite to the base semiconductor type; Forming heavily doped base regions along the backside surface of the semiconductor substrate, the heavily doped base regions having the base semiconductor type and a second doping concentration, the second doping concentration being greater than the first doping concentration; Forming emitter contacts for electrically contacting the emitter regions; and forming base contacts for electrically contacting the base regions.
  • the emitter regions and the base regions are formed such that an interface on which base regions adjoin emitter regions is greater than 5% of the backside surface of the semiconductor substrate.
  • the emitter regions and the heavily doped base regions can be generated by different methods, for example, by local in-diffusion using for example, by masks or lithography, by ion implantation, by local alloying, by epitaxial deposition of appropriate layers, etc.
  • the emitter and base contacts may also be formed by various methods, for example, by locally depositing metals, for example using masks or lithography, or by using screen printing or dispensing techniques. In general, all methods can be used which make it possible to form contacts locally, for example finger or grid-shaped, on a substrate back side, including the possibility of applying full-surface metal layers, which are subsequently patterned by local removal.
  • first the emitter regions having a first depth and a first doping concentration and then the base regions having a second depth and a second doping concentration are formed, wherein the first depth is greater than the second depth and wherein the first doping concentration is smaller as the second doping concentration.
  • initially a relatively weakly doped, deep emitter is formed, which can then be locally overcompensated locally by a more heavily doped, shallower base region.
  • deeper emitter regions can remain outside the overcompensated regions, so that the desired large-area interface forms between emitter regions and highly doped base regions.
  • the emitter regions are formed with a boron doping and then the base regions are formed with a phosphorus doping, in particular by diffusion of phosphorus.
  • the base regions it is not absolutely necessary for the base regions to be generated by overcompensating the emitter regions previously generated.
  • the emitter-push effect can be used, wherein during the Injecting the phosphorus, the previously present there boron doping is pushed in front of him and forms a lower emitter region. Accordingly, the doping concentration in the base regions need not necessarily be larger than in the original emitter regions, and the depth of the original emitter regions need not be deeper than the depth of the subsequent base-like diffusion from the outset.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional representation of a back contact solar cell according to an embodiment of the present invention with emitter and base regions overlapping in parallel to the back surface of the semiconductor substrate.
  • FIG. 2 shows a sectional view along the plane AA from FIG. 1.
  • 3 shows a cross-sectional representation of a back contact solar cell according to a further embodiment of the present invention with interlinked emitter and base regions.
  • FIG. 4 shows a sectional view along the plane B-B of FIG. 3.
  • the back contact solar cell according to the invention shown in cross section in FIG. 1 has a semiconductor substrate 1 in the form of a silicon wafer.
  • a semiconductor substrate 1 in the form of a silicon wafer.
  • both emitter regions 5 and heavily doped base regions 7 are formed.
  • the emitter regions 5 and the highly doped base regions 7 run as elongated fingers parallel to one another.
  • a dielectric layer 9 of silicon oxide or silicon nitride which can serve to passivate the surface of the semiconductor substrate 1 and / or as a rear-side reflector.
  • the emitter contacts 11 and the base contacts 13 are formed over the dielectric layer 9 then the emitter contacts 11 and the base contacts 13 are formed.
  • Both the emitter and the base contacts 11, 13 are in the form of elongated, finger-shaped, perpendicular to the plane extending contacts and contact by line-shaped openings 15, 17, the respective underlying emitter or base regions 5, 7th
  • the emitter regions 5 are formed deeper from the rear side surface 3 than the highly doped base regions 7 and overlap them in the lateral direction.
  • a large-area boundary surface 21 is formed Due to the high doping of the two adjoining areas 5, 7, the resulting pn diode may have properties of a zener diode or tunnel diode or back diode and thus for the solar cell act as a bypass diode at a sufficiently high, and preferably in the reverse direction, voltage as compared to the open-clamp voltage.
  • the overlapping regions 19 and the boundary surfaces 21 formed there run parallel to all contacts 11, 13, so that a pn boundary surface 21 distributed substantially homogeneously over the entire surface of the solar cell results.
  • the emitter regions 5 and the highly doped base regions 7 are meshed with each other, whereby elongated narrow "teeth" 23 of an emitter region 5 protrude into the adjacent base region 7, in this way in a toothed region 25 the interface 21 between the two to increase doped regions 5, 7.

Abstract

Es wird eine Rückkontakt-Solarzelle vorgeschlagen, bei der an einem Halbleitersubstrat vom Basis-Halbleitertyp an einer Rückseitenoberfläche sowohl Emitterbereiche (5) als auch stark dotierte Basisbereiche (7) ausgebildet sind, die jeweils von Emitterkontakten (11) und Basiskontakten (13) elektrisch kontaktiert werden. Eine Grenzfläche (21), an der stark dotierte Basisbereiche (7) an stark dotierte Emitterbereiche (5) angrenzen, ist größer als 5 % der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrats (1). Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Emitterbereiche (5) die Basisbereiche (7) in Überlappungsbereichen (19) lateral in Ebenen parallel zur Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrats (1) überlappen. Aufgrund der großen Grenzfläche (21) zwischen hoch dotierten Emitter-und Basisbereichen (5, 7) kann in dieser Region eine p+n+ -Junction erzeugt werden, die bei entsprechend hohen Spannungen einen ausreichend hohen Strom in Sperrrichtung fließen lässt, um für die Solarzelle als Bypass-Diode wirken zu können.

Description

Rückkontaktsolarzelle mit integrierter Bypassdioden-Funktion sowie Herstellungsverfahren hierfür
BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rückkontakt-Solarzelle mit integrierter Bypass- Dioden-Funktion sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Rückkontakt-Solarzelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine übliche Form der Nutzung von Solarzellen ist ihre Verschaltung zu Modulen. In diesen Modulen wird jeweils eine bestimmte Anzahl von Solarzellen zu sogenannten „Strings" in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung ist erstrebenswert, da sich in dieser Weise die Spannungen der einzelnen Solarzellen des Strings addieren und die durch die gesamte Reihenschaltung fließende Stromstärke der von einer einzelnen Solarzelle generierten Stromstärke entspricht. Da Widerstandsverluste eine Funktion der Stromstärke sind, wird durch die Reihenschaltung der Solarzellen zu Strings der Verlust an elektrischer Energie in den Widerständen der stromführenden Leitungen innerhalb eines Moduls minimiert.
Ist in einem solchen String jedoch eine der Solarzellen abgeschattet oder defekt, so wird nicht nur in dieser abgeschatteten Zelle kein Beitrag zur Generation von elektrischer Energie geleistet, sondern diese Zelle blockiert den Stromfluss durch den gesamten String. Das heißt, der Licht-generierte Strom der nicht abgeschatteten Zellen wird, soweit es die summierte Spannung der nicht abgeschatteten Zellen zulässt, durch die abgeschattete Zelle, die in diesem Fall als pn-Diode in Sperrrichtung wirkt, getrieben. Hierbei wird eine unter Umständen erhebliche elektrische Leistung in der abgeschatteten Zelle umgesetzt, die zu starken lokalen Erwärmungen und letztendlich zu Beschädigungen des Moduls führen kann.
Aus diesem Grunde werden in Modulverschaltungen sogenannte Bypass-Dioden eingebaut, die einen ganzen String, Teilbereiche eines Strings oder auch nur eine einzelne Solarzelle eines Strings derart überbrücken können, dass bei Teilabschattungen die in dem verbleibenden Teil des Strings erzeugte elektrische Energie durch die Bypass-Diode fließen kann, anstatt durch die abgeschattete oder defekte Solarzelle. Hierzu wird herkömmlicherweise eine normale pn-Diode in Durchlassrichtung parallel zu dem zu überbrückenden Stringbereich geschaltet.
Diese Art der Verschaltung mit Bypass-Dioden ist eine Methode, bei der eine Schädigung von Solarzellen bzw. des ganzen Solarmoduls, vermieden werden kann und die erreicht, dass zumindest ein Teil der beleuchteten Solarzellen noch zur Bereitstellung elektrischer Energie beitragen kann.
Es ist jedoch anzumerken, dass für den Fall, dass eine Bypass-Diode einem ganzen String oder einem aus mehreren Solarzellen bestehenden Teilbereich eines Strings zugeordnet wird, auch bei Abschattung nur einer einzelnen Solarzelle auch die Leistung der anderen Solarzellen in dem String bzw. Teilstring der Stromerzeugung in dem Modul nicht mehr zur Verfügung stehen. Die Solarzellen im Modul werden daher bei Abschattung einzelner Zellen nicht optimal für die Bereitstellung elektrischer Energie genutzt. Der hierzu alternative Fall, jede einzelne Solarzelle mit einer ihr zugeordneten Bypass-Diode zu versehen, bedeutet bei herkömmlichen Solarzellen einen erheblichen zusätzlichen Verschaltungs- und Kostenaufwand. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es kann ein Bedarf an einer Solarzelle bestehen, die derart ausgestaltet ist, dass, wenn sie mit anderen Solarzellen in Serie zu einem String verschaltet ist, eine Abschattung der Solarzelle lediglich zu einem geringfügigen Leistungsverlust bezogen auf die von dem String zur Verfügung gestellte elektrische Leistung bewirkt. Ferner kann ein Bedarf für eine Solarzelle mit der genannten Eigenschaft bestehen, bei der kein zusätzlicher Verschaltungsaufwand nötig ist. Es kann außerdem Bedarf an einem Herstellungsverfahren für eine solche Solarzelle bestehen.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Rückkontakt-Solarzelle vorgeschlagen, aufweisend: ein Halbleitersubstrat, das einen Basis-Halbleitertyp mit einer ersten Dotierungskonzentration aufweist; Emitterbereiche entlang einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die Emitterbereiche einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp aufweisen; hochdotierte Basisbereiche entlang der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die Basisbereiche den Basis- Halbleitertyp mit einer zweiten Dotierungskonzentration aufweisen, wobei die zweite Dotierungskonzentration größer ist als die erste Dotierungskonzentration; Emitterkontakte zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche; und Basiskontakte zur elektrischen Kontaktierung der Basisbereiche. Hierbei soll eine Grenzfläche, an der hochdotierte Basisbereiche an Emitterbereiche angrenzen, größer sein als 5 % der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats. - A -
Dieser erste Aspekt der vorliegenden Erfindung kann als auf der folgenden Idee basierend angesehen werden: bei der beschriebenen Rückkontakt-Solarzelle grenzen von Emitterkontakten kontaktierte Emitterbereiche an von Basiskontakten kontaktierte hochdotierte Basisbereiche, wobei diese Basisbereiche eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen als die Grunddotierungskonzentration des die Solarzelle bildenden Halbleitersubstrats. Somit weisen zumindest die hochdotierten Basisbereiche, vorzugsweise aber auch die Emitterbereiche, eine verhältnismäßig hohe Dotierungskonzentration auf. An den Grenzflächen, das heißt, dort, wo hochdotierte Basisbereiche an Emitterbereiche angrenzen, bildet sich somit eine pn-Diode, bei der zumindest eine, vorzugsweise aber beide Dotierungsregionen hoch dotiert sind, das heißt es bildet sich eine p n-junction bzw. eine pn - junction oder eine p n -junction. Die entstehende Diode kann dabei als parallel und in gleicher Polungsrichtung zu einer die eigentliche Solarzelle bildenden flächigen pn-junction geschaltet angesehen werden. Solche parallel geschalteten Dioden, bei denen zumindest eine Dotierungsregion, vorzugsweise jedoch beide Dotierungsregionen, stark dotiert sind, können bereits bei relativ niedrigen Spannungen in Sperrrichtung verhältnismäßig hohe Ströme zulassen. In besonderen, weiter unten detaillierter beschriebenen Ausführungsformen, können solche Dioden sogar oberhalb gewisser Grenzspannungen in Sperrrichtung einen plötzlichen Anstieg der Leitfähigkeit aufweisen.
Die Stärke der in Sperrrichtung möglichen Ströme hängt dabei unter anderem linear von der zur Verfügung stehenden Grenzfläche zwischen den Basisbereichen und den Emitterbereichen ab. Wenn die Grenzfläche groß genug ist, beispielsweise größer als 5 % der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats, kann der auf diese Weise zulässige Sperrstrom bei angelegten Spannungen, wie sie typischerweise in einem in Reihe geschalteten Solarzellenzellenstring auftreten, eine Größenordnung annehmen, die in etwa der von den Solarzellen zur Verfügung gestellten Stromstärke entspricht. Die durch die stark dotierten Emitter- und/oder Basisbereiche erzeugten, parallel zu der eigentlichen pn-junction der Solarzelle geschalteten p n -junctions können somit für die Rückkontakt-Solarzelle wie eine integrierte Bypass-Diode wirken.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Rückkontakt-Solarzelle werden im Anschluss erläutert.
Unter einer Rückkontakt-Solarzelle kann vorliegend eine Solarzelle verstanden werden, bei der sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte an einer Rückseite, das heißt einer im Einsatz dem eingestrahlten Licht abgewandten Seite der Solarzelle angeordnet sind. Hierzu werden zumindest Teile des die Strom-sammelnde pn-junction bildenden Emitters an der Rückseitenoberfläche der Solarzelle ausgebildet und dort von den Emitterkontakten kontaktiert. Zusätzlich zu den allgemeinen Vorteilen von Rückkontaktsolarzellen, dass aufgrund des Verzichts auf Emitterkontakte auf der Solarzellen- Vorderseite Abschattungsverluste vermieden werden, und dass aufgrund der Tatsache, dass sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte auf der Zellrückseite angeordnet sind, die Zellen in einfacher Weise miteinander verschaltet werden können, weist die hier vorgestellte Rückkontakt-Solarzelle aufgrund der flächigen Ausgestaltung von aneinander grenzenden Emitter- und hochdotierten Basisbereichen die Möglichkeit einer Integration einer Bypass- Dioden- Funktion in die Solarzelle auf.
Das Halbleitersubstrat kann beispielsweise ein Silizium- Wafer sein. Es kann beispielsweise mit Bor in einer ersten relativ geringen Dotierungskonzentration von etwa 0,1 - 5 x 1016 cm"3 dotiert sein, so dass der Basis-Halbleiter ein p-Halbleitertyp ist. Alternativ kann das Halbleitersubstrat mit Phosphor dotiert sein, so dass der Basis-Halbleitertyp ein n- Halbleitertyp ist.
Alternativ kann das Halbleitersubstrat auch aus einem beliebigen anderen Halbleiter bestehen. Es kann auch als Halbleiter-Dünnschicht vorgesehen werden. Die Emitterbereiche können sich entlang der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats direkt an der Oberfläche erstrecken, es können aber auch Teile der Emitterbereiche, insbesondere in Überlappungsbereichen mit den Basisbereichen, nicht direkt an die Oberfläche angrenzen, sondern sich etwas tiefer im Inneren des Halbleitersubstrats erstrecken. Diese im Inneren „vergrabenen" Emitterbereiche können in elektrischem Kontakt mit den an die Rückseitenoberfläche angrenzenden Regionen der Emitterbereiche stehen, so dass sie von dort aus auch elektrisch durch die Emitterkontakte kontaktiert werden können.
Die Emitterbereiche können durch Eindiffundieren von Dotanden in das Halbleitersubstrat erzeugt werden. Beispielsweise kann in einem Halbleitersubstrat vom p-Typ durch lokales Eindiffundieren von Phosphor ein Emitterbereich vom n-Typ erzeugt werden. Alternativ können die Emitterbereiche jedoch auch durch andere Verfahren wie zum Beispiel durch Ionenimplantation oder Legieren erzeugt werden, so dass sich eine sogenannte Homo- Junction, das heißt ein pn-Übergang mit gegensätzlich dotierten Bereichen eines gleichen Halbleitergrundmaterials, zum Beispiel Silizium, ergibt. Alternativ können die Emitterbereiche auch epitaktisch abgeschieden werden, beispielsweise aufgedampft oder aufgesputtert werden, so dass sich Homo- oder sogenannte Hetero-Junctions ergeben, das heißt, dass im Falle von Hetero-Junctions pn-Übergänge vorliegen zwischen einem ersten Halbleitermaterial vom Basis-Halbleitertyp und einem zweiten Halbleitermaterial eines Emitter-Halbleitertyps. Ein mögliches Beispiel sind Emitterbereiche aus mittels der PECVD- Technik aufgebrachten amorphen Siliziumschichten (a-Si) auf einem Halbleitersubstrat aus kristallinem Silizium (c-Si).
Auch die Basisbereiche können mittels eines der oben genannten Herstellungsverfahren erzeugt werden, wobei jedoch eine Erzeugung durch lokales Eindiffundieren eines Dotanden zur Bildung der Basisbereiche bevorzugt sein kann. Die Emitterbereiche und die Basisbereiche können, in einer Draufsicht auf die Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats gesehen, jeweils eine kammartige Struktur aufweisen, bei der jeweils lineare fingerartige Emitterbereiche an benachbarte lineare fmgerartige Basisbereiche angrenzen. Eine solche verschachtelte Struktur wird auch als „interdigitated" bezeichnet.
Sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte können jeweils in Form einer lokalen Metallisierung beispielsweise in Form von fmgerartigen Grids ausgebildet sein. Hierzu können Metalle wie zum Beispiel Silber oder Aluminium lokal beispielsweise durch eine Maske oder unter Verwendung von Photolithographie oder Siebdruck oder andere Verfahren auf die Basis- bzw. Emitterbereiche abgeschieden werden, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern oder auch durch Verwendung von Siebdruck- oder Dispensverfahren. Generell können alle Verfahren verwendet werden, die es ermöglichen, Kontakte lokal, beispielsweise Finger- oder Grid-förmig, an einer Substratrückseite auszubilden, einschließlich der Möglichkeit, ganzflächige Metallschichten aufzubringen, die im Nachhinein durch lokales Entfernen strukturiert werden. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Emitterkontakten und den Basiskontakten kann zwischen den beiden jeweils ein elektrisch isolierender Spalt vorgesehen sein.
Ein wesentliches Merkmal für die erfindungsgemäße Rückkontakt-Solarzelle ist die große Grenzfläche, an der an der Rückseite des Halbleitersubstrats hochdotierte Basisbereiche an Emitterbereiche grenzen. Je größer diese Grenzfläche ist, desto stärker ausgeprägt wird die Bypass-Dioden-Funktion sein, d.h. desto höhere Ströme können schon bei geringen Spannungen von wenigen Volt in Sperrrichtung durch die p n+-Junction fließen. Die Grenzfläche kann größer als 5%, vorzugsweise größer als 10%, stärker bevorzugt größer als 20% und noch stärker bevorzugt größer als 30% der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrates sein. Generell hängt die für eine ausreichende Bypass-Dioden-Funktion nötige Grenzfläche stark von den Eigenschaften der aneinandergrenzenden Emitter- und hochdotierten Basisbereiche, insbesondere ihrer Dotierungskonzentration und ihres Dotierungsprofils, ab. Idealerweise sollten diese Eigenschaften so gewählt sein, dass die aneinandergrenzenden Emitter- und hochdotierten Basisbereiche zwar den Wirkungsgrad der Solarzelle unter normalen beleuchteten Betriebsbedingungen, z.B. bei einer über der Zelle anliegenden Spannung von ca. 0,45 - 0,65V, kaum negativ beeinflussen, dass aber bei Abschattung der Zelle aufgrund der dann an der Zelle anliegenden, von den benachbarten Zellen im String generierten Spannung von beispielsweise mehr als 0,5V oder einigen wenigen Volts ein ausreichend hoher Strom in Sperrrichtung durch die Zelle fließen kann, beispielsweise etwa in Höhe des Kurzschlussstroms einer entsprechenden Solarzelle (z.B. 30 - 40mA/cm2 x Fläche der Solarzelle).
Die große Grenzfläche kann, wie weiter unten für spezifische Ausführungsbeispiele beschrieben, auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden. Sowohl die Emitterbereiche als auch die Basisbereiche können sich hierbei sehr nahe der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats erstrecken, insbesondere angesichts der im Vergleich zur Dicke der Emitter- bzw. Basisbereiche von z.B. wenigen Mikrometern üblicherweise großen Dicke des Halbleitersubstrats, die bei einem Siliziumwafer beispielsweise etwa 200 μm ausmachen kann. Der Emitterbereich kann sich jedoch, insbesondere in Überlappungsbereichen mit den Basisbereichen, tiefer in das Halbleitersubstrat hineinerstrecken als die Basisbereiche. Beispielsweise kann der Emitterbereich sich bis in eine Tiefe von mehr als 1 μm, vorzugsweise mehr als 2 μm unterhalb der Rückseitenoberfläche erstrecken, wohingegen die Basisbereiche beispielsweise lediglich weniger als 1 μm tief, beispielsweise etwa 0,5 μm tief, in das Halbleitersubstrat hineinreichen.
Die Emitterbereiche erstrecken sich hierbei in der fertigen Solarzelle nicht entlang der gesamten Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats, sondern es verbleiben kleine lokale Bereiche, die nicht den Emitter-Halbleitertyp aufweisen und die später zur elektrischen Verbindung zwischen den an der Rückseitenoberfläche ausgebildeten hochdotierten Basisbereichen und den Basisbereichen im Inneren des Halbleitersubstrats dienen können. Diese Verbindungsbereiche, in denen entweder bereits bei der Erzeugung der Emitterbereiche keine entsprechende Emitter-Dotierung bewirkt wurde oder in denen eine zuvor erzeugte Emitter-Dotierung nachträglich wieder entfernt wurde, beispielsweise durch Wegätzen oder Weglasern, oder in denen bei der nachfolgenden Bildung der rückseitigen Basisbereiche die Emitterschicht lokal überkompensiert wurde, so dass ein Durchgang von den rückseitigen Basisbereichen zu dem Basis-dotierten Hauptvolumen des Halbleitersubstrates besteht, können linienartig, beispielsweise parallel oder senkrecht zu den später auszubildenden Basiskontakten, oder punktförmig sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Basisbereiche und die Emitterbereiche derart ausgebildet, dass sich an der Grenzfläche, an der hochdotierte Basisbereiche an Emitterbereiche angrenzen, ein pn-Übergang mit den Eigenschaften einer Zener-Diode ergibt.
Dioden haben generell die Eigenschaft, dass sie bei Anlegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung einen Strom durchlassen, wobei die Stromstärke exponentiell von der angelegten Spannung abhängt, wohingegen sie bei einer in Sperrrichtung angelegten Spannung zumindest bis hin zu einer Grenzspannung, die als Durchbruchspannung bezeichnet wird, quasi keinen Stromfluss zulassen. Die Durchbruchspannung und der Durchbruchmechanismus hängen vom Bandabstand des verwendeten Halbleitermaterials und von der Dotierung der die Diode bildenden Halbleiterschichten in der Nachbarschaft des pn- Übergangs ab. Bei beidseitig sehr hoher Dotierung, beispielsweise in der Größenordnung von 1019 cm"3 oder höher, kommt es bei pn-Dioden aus Silizium bei Anlegen einer Sperrspannung von beispielsweise nur wenigen Volt zu einer solch hohen Feldstärke in der Raumladungszone, dass Elektronen vom Valenzband des Halbleiters ins Leitungsband „tunneln" können und sich dadurch ein durchbruchsartiger Stromanstieg ergeben kann. Dieser nach seinem Entdecker als „Zener-Durchbruch" benannte Effekt ist die physikalische Basis für in der Elektronik häufig verwendete Zener-Dioden.
Unter der Zenerdioden-Eigenschaft kann hierbei verstanden werden, dass die Diode zwar bei einer in Vorwärtsrichtung angelegten Spannung sich wie eine Diode verhält, d.h. der geleitete Strom nicht linear sondern beispielsweise exponentiell von der Spannung abhängt, dass andererseits aber die Diode bei in Sperrrichtung angelegter Spannung nicht wie eine konventionelle Diode verhält und den Strom sperrt, sondern schon bei geringen Sperrspannung gut leitet.
Diodentypen, die sich ähnlich verhalten wie Zenerdioden, sind die sogenannten Back-Dioden oder die Tunneldioden. Diese Diodentypen können somit auch eine Zenerdioden-Eigenschaft im Sinne dieser Anmeldung aufweisen.
Gemäß der vorliegend beschriebenen Ausführungsform können insbesondere die Dotierungskonzentrationen und -profile in den Emitter- und/oder Basisbereichen derart gewählt werden, dass die in den Grenzflächenbereichen der entstehenden p n -Junction geeignete Zener-Dioden-Eigenschaften bzw. Tunnel- oder Back-Dioden-Eigenschaften für die Realisierung einer Bypass-Diode aufweisen. Beispielsweise können die Zener-Dioden- Eigenschaften so gewählt werden, dass sich ein Durchbruch bereits bei geringen Sperrspannungen, beispielsweise der einfachen oder doppelten offenen Klemmspannung der Solarzelle, vorzugsweise jedoch bei noch kleineren Spannungen, einstellen kann, so dass im Falle einer Abschattung der Solarzelle bereits die von einer oder zwei weiteren, intakten Solarzellen im gleichen String erzeugte Spannung ausreicht, um die Zener-Dioden zum Durchbrechen zu veranlassen und ihnen somit eine Eigenschaft einer Bypass-Diode zu geben. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung überlappen Emitterbereiche und Basisbereiche in Überlappungsbereichen zumindest teilweise in Ebenen parallel zur Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats. Mit anderen Worten kann es Überlappungsbereiche geben, in denen Emitterbereiche und Basisbereiche nicht nur seitlich aneinander grenzen, sondern sich die Emitterbereiche und die Basisbereiche im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zur Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats erstrecken und dabei direkt aneinander grenzen.
Sowohl die Emitterbereiche als auch die Basisbereiche sind meist aufgrund ihrer Herstellung, beispielsweise durch Eindiffundieren von Dotanden, als dünne Schichten mit einer Dicke von höchstens wenigen μm ausgebildet. Dadurch, dass die Emitterbereiche und die Basisbereiche nicht nur nebeneinander angeordnet sind und sich an ihren seitlichen Rändern nur über eine der Schichtdicke entsprechende Höhe von wenigen μm kontaktieren, sondern flächig parallel zueinander und zur Rückseitenoberfläche aneinander angrenzend angeordnet sind, kann die für die Bildung einer Bypass-Dioden-Eigenschaft wichtige Grenzfläche zwischen den Emitterbereichen und den hochdotierten Basisbereichen in einfacher Weise vergrößert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist diese Grenzfläche zwischen parallel zueinander angeordneten flächigen Emitterbereichen und Basisbereichen größer als 5 %, vorzugsweise größer als 10 % und stärker bevorzugt größer als 20 % der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Emitterbereiche und Basisbereiche in Verzahnungsbereichen kammartig miteinander verzahnt. Durch die kammartige Verzahnung, die parallel oder quer zur Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet sein kann, kann ebenfalls die für die Bypass-Dioden- Eigenschaft wichtige Grenzfläche zwischen den Emitter- und Basisbereichen vergrößert werden.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist die Grenzfläche, an der Basisbereiche an Emitterbereiche angrenzen, im Wesentlichen homogen über die Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats verteilt. Mit anderen Worten kann es vorteilhaft sein, die für die Bypass-Dioden-Eigenschaft zur Verfügung gestellte Grenzfläche nicht auf einen kleinen, zusammenhängenden Flächenanteil der Rückkontakt-Solarzelle zu beschränken, das heißt, beispielsweise lediglich eine zusammenhängende Fläche, die 5 % der Gesamtfläche der Rückkontakt-Solarzelle ausmacht, als eine solche Grenzfläche auszubilden, sondern die gesamte Grenzfläche in Form einzelner kleinerer Teil-Grenzflächen zur Verfügung zu stellen, die gleichmäßig über die gesamte Fläche der Rückkontakt-Solarzelle angeordnet sind. Da in dem Fall, in dem die entsprechende Rückkontakt-Solarzelle in einem Modul abgeschattet wird, diese Grenzflächen als Bypass-Dioden wirken sollen und dabei erhebliche Ströme durch die Grenzflächen strömen sollen, kann durch eine homogene Verteilung der Grenzflächen eine Wärmedissipation verbessert werden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich die in Sperrrichtung betriebene Rückkontakt-Solarzelle lokal übermäßig erhitzt und dabei sie selbst oder das Modul beschädigt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die hochdotierten Basisbereiche und/oder die Emitterbereiche durch Eindiffusion von Dotanden in das Halbleitersubstrat erzeugt. Zwar können die Basisbereiche und/oder die Emitterbereiche auch durch andere Verfahren wie beispielsweise Epitaxie, Einlegieren oder Ionenimplantation erzeugt werden, es hat sich jedoch herausgestellt, dass auch durch Eindiffusion von Dotanden erzeugte Basis- bzw. Emitterbereiche aufgrund des für die Eindiffusion typischen Dotierungskonzentrationsprofils vorteilhafte Eigenschaften aufweisen können. Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung sind die Basisbereiche Phosphor-dotiert und die Emitterbereiche sind Bor-dotiert. In diesem Fall können somit zur Herstellung der erfindungsgemäßen Rückkontakt-Solarzelle zunächst flächige Emitterbereiche durch Eindiffusion von Bor erzeugt werden und anschließend können in Teilbereiche der Rückseitenoberfläche der Solarzelle Basisbereiche durch Eindiffusion von Phosphor eingebracht werden. Dabei kann der sogenannte Emitter-Push-Effekt ausgenutzt werden, bei dem bei der Eindiffusion von Phosphor das zuvor in dieser Region vorhandene Bor vor sich hergeschoben wird. Dementsprechend bilden sich an der Rückseitenoberfläche Phosphor-dotierte Basis-Bereichsschichten und parallel daran angrenzend, tiefer im Halbleitersubstrat drin, die aufgrund des Emitter-Push-Effekts nach innen verlagerten Bordotierten Emitter-Bereichsschichten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, das einen Basis-Halbleitertyp aufweist; Ausbilden von Emitterbereichen entlang einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die Emitterbereiche einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp aufweisen; Ausbilden von hochdotierten Basisbereichen entlang der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die hochdotierten Basisbereiche den Basis-Halbleitertyp und eine zweite Dotierungskonzentration aufweisen, wobei die zweite Dotierungskonzentration größer ist als die erste Dotierungskonzentration; Ausbilden von Emitterkontakten zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche; und Ausbilden von Basiskontakten zur elektrischen Kontaktierung der Basisbereiche. Die Emitterbereiche und die Basisbereiche werden hierbei derart ausgebildet, dass eine Grenzfläche, an der Basisbereiche an Emitterbereiche angrenzen, größer ist als 5 % der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats.
Die Emitterbereiche und die hochdotierten Basisbereiche können mittels unterschiedlicher Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch lokales Eindiffundieren unter Verwendung beispielsweise von Masken oder Lithographie, durch Ionenimplantation, durch lokales Einlegieren, durch epitaktisches Aufbringen entsprechender Schichten, etc.
Die Emitter- und Basiskontakte können ebenfalls mittels verschiedener Verfahren ausgebildet werden, beispielsweise durch lokales Aufdampfen von Metallen zum Beispiel unter Verwendung von Masken oder Lithographie oder auch durch Verwendung von Siebdruckoder Dispensverfahren. Generell können alle Verfahren verwendet werden, die es ermöglichen, Kontakte lokal, beispielsweise Finger- oder Grid-förmig, an einer Substratrückseite auszubilden, einschließlich der Möglichkeit, ganzfiächige Metallschichten aufzubringen, die im Nachhinein durch lokales Entfernen strukturiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zuerst die Emitterbereiche mit einer ersten Tiefe und einer ersten Dotierungskonzentration und dann die Basisbereiche mit einer zweiten Tiefe und einer zweiten Dotierungskonzentration ausgebildet, wobei die erste Tiefe größer ist als die zweite Tiefe und wobei die erste Dotierungskonzentration kleiner ist als die zweite Dotierungskonzentration. Mit anderen Worten wird zunächst ein relativ schwach dotierter, tiefer Emitter gebildet, der dann lokal von einem stärker dotierten, flacheren Basisbereich lokal überkompensiert werden kann. Dabei können außerhalb der überkompensierten Bereiche tiefer gelegene Emitterbereiche verbleiben, so dass sich die gewünschte großflächige Grenzfläche zwischen Emitterbereichen und hoch dotierten Basisbereichen bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zunächst die Emitterbereiche mit einer Bor-Dotierung ausgebildet und anschließend werden die Basisbereiche mit einer Phosphor-Dotierung ausgebildet, insbesondere durch Eindiffusion von Phosphor. Hierbei ist es nicht zwingend notwendig, dass die Basisbereiche durch Überkompensieren der zuvor erzeugten Emitterbereiche erzeugt werden. Stattdessen kann in dieser Ausführungsform der Emitter-Push-Effekt genutzt werden, wobei während dem Eindiffundieren des Phosphors die zuvor dort vorhandene Bor-Dotierung vor sich hergeschoben wird und einen tiefer gelegenen Emitter-Bereich bildet. Entsprechend muss die Dotierungskonzentration in den Basisbereichen nicht unbedingt größer sein als in den ursprünglichen Emitterbereichen und die Tiefe der ursprünglichen Emitterbereiche muss nicht von vornherein tiefer sein als die Tiefe der nachfolgenden Basis-artigen Diffusion.
Es wird angemerkt, dass die Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung hauptsächlich in Bezug auf die erfindungsgemäße Rückkontakt-Solarzelle beschrieben wurden. Ein Fachmann wird jedoch aus der vorangehenden und auch aus der nachfolgenden Beschreibung erkennen, dass, sofern dies nicht anders angegeben ist, die Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung auch analog auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine Solarzelle übertragen werden können. Insbesondere können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen auch in beliebiger Weise untereinander kombiniert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen ist, und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
Fig. 1 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Rückkontakt-Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit sich parallel zur Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats überlappenden Emitter- und Basisbereichen.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Ebene A-A aus Fig. 1. Fig. 3 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Rückkontakt-Solarzelle gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung mit ineinander verzahnt ausgebildeten Emitter- und Basisbereichen.
Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Ebene B-B aus Fig. 3.
Alle Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. In den Figuren sind ähnliche oder gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte erfindungsgemäße Rückkontakt-Solarzelle weist ein Halbleitersubstrat 1 in Form eines Silizium- Wafers auf. An der Rückseitenoberfläche 3 des Halbleitersubstrats 1 sind sowohl Emitterbereiche 5 als auch hochdotierte Basisbereiche 7 ausgebildet. Wie in Fig. 2 zu erkennen, verlaufen die Emitterbereiche 5 und die hoch dotierten Basisbereiche 7 als längliche Finger parallel zueinander. An der Rückseitenoberfiäche 3 befindet sich ferner eine dielektrische Schicht 9 aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, die zur Passivierung der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 und/oder als Rückseiten-Reflektor dienen kann. Über der dielektrischen Schicht 9 sind dann die Emitterkontakte 11 und die Basiskontakte 13 ausgebildet. Sowohl die Emitter- als auch die Basiskontakte 11, 13 sind in Form länglicher, fingerförmiger, senkrecht zur Zeichenebene verlaufender Kontakte ausgebildet und kontaktieren durch linienförmige Öffnungen 15, 17 die jeweiligen darunter liegenden Emitter- bzw. Basisbereiche 5, 7.
Die Emitterbereiche 5 sind von der Rückseitenoberfläche 3 her gesehen tiefer ausgebildet als die hochdotierten Basisbereiche 7 und überlappen diese in lateraler Richtung. In dem Überlappungsbereich 19, in den die Emitterbereiche über die hochdotierten Basisbereiche hinweg und an diese angrenzend verlaufen, entsteht eine großflächige Grenzfläche 21 zwischen dem hochdotierten Emitter-Bereich 5 und dem ebenfalls hochdotierten Basis- Bereich 7. Aufgrund der hohen Dotierung der beiden dort aneinander grenzenden Bereiche 5, 7 kann die entstehende p n -Diode Eigenschaften einer Zener-Diode oder Tunneldiode oder Back-Diode aufweisen und somit für die Solarzelle bei einer ausreichend hohen und vorzugsweise im Vergleich zur OffeneKlemm-Spannung geringen in Sperrrichtung angelegten Spannung wie eine Bypass-Diode wirken. Wie insbesondere in Fig. 2 zu erkennen, verlaufen die Überlappungsbereiche 19 und die dort entstehenden Grenzflächen 21 jeweils parallel zu allen Kontakten 11, 13, so dass sich eine über die Gesamtfläche der Solarzelle im Wesentlichen homogen verteilte p n -Grenzfläche 21 ergibt.
Bei der in den Fign. 3 und 4 gezeigten alternativen Ausführungsform sind die Emitterbereiche 5 und die hoch dotierten Basisbereiche 7 kammartig miteinander verzahnt, wobei längliche schmale „Zähne" 23 eines Emitterbereichs 5 in den benachbarten Basisbereich 7 hineinragen, um auf diese Weise in einem Verzahnungsbereich 25 die Grenzfläche 21 zwischen den dotierten Bereichen 5, 7 zu vergrößern.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen", „aufweisen" etc. das Vorhandensein weiterer Elemente nicht ausschließen. Der Begriff „ein" schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Rückkontaktsolarzelle, aufweisend:
ein Halbleitersubstrat (1), wobei das Halbleitersubstrat (1) einen Basis-Halbleitertyp mit einer ersten Dotierungskonzentration aufweist;
Emitterbereiche (5) entlang einer Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Emitterbereiche (5) einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp aufweisen;
hochdotierte Basisbereiche (7) entlang der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die hochdotierten Basisbereiche (7) den Basis- Halbleitertyp mit einer zweiten Dotierungskonzentration aufweisen, wobei die zweite Dotierungskonzentration größer ist als die erste Dotierungskonzentration;
Emitterkontakte (11) zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche (5);
Basiskontakte (13) zur elektrischen Kontaktierung der Basisbereiche (7);
wobei eine Grenzfläche (21), an der hochdotierte Basisbereiche (7) an Emitterbereiche (5) angrenzen, größer ist als 5% der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates
(1).
2. Rückkontaktsolarzelle nach Anspruch 1, wobei die hochdotierten Basisbereiche (7) und die Emitterbereiche (5) derart ausgebildet sind, dass sich an der Grenzfläche (21), an der hochdotierte Basisbereiche (7) an Emitterbereiche (5) aneinander angrenzen, ein pn-Übergang mit Eigenschaften einer Zenerdiode ergibt.
3. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Dotierungskonzentration in den Emitterbereichen (5) und in den hochdotierten Basisbereichen (7) an der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) höher ist als 1* 1019cm"3.
4. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Emitterbereiche (5) und hochdotierte Basisbereiche (7) in Überlappungsbereichen (19) zumindest teilweise in Ebenen parallel zur Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) überlappen.
5. Rückkontaktsolarzelle nach Anspruch 4, wobei eine Grenzfläche (21), an der hochdotierte Basisbereiche (7) innerhalb der Überlappungsbereiche (19) an Emitterbereiche (5) angrenzen, größer ist als 5% der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1).
6. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Emitterbereiche (5) und hochdotierte Basisbereiche (7) in Verzahnungsbereichen (25) kammartig miteinander verzahnt sind.
7. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Grenzfläche (21), an der hochdotierte Basisbereiche (7) an Emitterbereiche (5) angrenzen, im Wesentlichen homogen über die Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1) verteilt ist.
8. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die hochdotierten Basisbereiche (7) und/oder die Emitterbereiche (7) durch Eindiffusion von Dotanden in das Halbleitersubstrat (1) erzeugt sind.
9. Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die hochdotierten Basisbereiche (7) Phosphor-dotiert sind und die Emitterbereiche (5) Bor-dotiert sind.
10. Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, aufweisend:
Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (1), das einen Basis-Halbleitertyp mit einer ersten Dotierungskonzentration aufweist;
Ausbilden von Emitterbereichen (5) entlang einer Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Emitterbereiche (5) einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp aufweisen;
Ausbilden von hochdotierten Basisbereichen (7) entlang der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die hochdotierten Basisbereiche (7) den Basis- Halbleitertyp und eine zweite Dotierungskonzentration aufweisen, wobei die zweite Dotierungskonzentration größer ist als die erste Dotierungskonzentration;
Ausbilden von Emitterkontakten (11) zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche (5);
Ausbilden von Basiskontakten (13) zur elektrischen Kontaktierung der Basisbereiche
(V);
wobei die Emitterbereiche (5) und die hochdotierten Basisbereiche (7) derart ausgebildet werden, dass eine Grenzfläche (21), an der hochdotierte Basisbereiche (7) an Emitterbereiche (5) angrenzen, größer ist als 5% der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1).
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zuerst die Emitterbereiche (5) mit einer ersten Tiefe und einer ersten Dotierungskonzentration und dann die hochdotierten Basisbereiche (7) mit einer zweiten Tiefe und einer zweiten Dotierungskonzentration ausgebildet werden, wobei die erste Tiefe größer ist als die zweite Tiefe und wobei die erste Dotierungskonzentration kleiner ist als die zweite Dotierungskonzentration.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei zuerst die Emitterbereiche (5) mit einer Bor-Dotierung ausgebildet werden und dann die hochdotierten Basisbereiche (7) mit einer Phosphor-Dotierung ausgebildet werden.
PCT/EP2008/066439 2007-12-11 2008-11-28 Rückkontaktsolarzelle mit integrierter bypassdioden-funktion sowie herstellungsverfahren hierfür WO2009074468A2 (de)

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