WO2011069605A2 - Epitaktische wrap-through-solarzellen mit länglich ausgeprägten lochformen sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a thin film
  • Solar cell in particular an epitaxial wrap-through (EpiWT) solar cell, the at least one
  • Area is greater than the ratio of the circumference to the area of a circle of the same area.
  • the epitaxial wrap-through (EpiWT) solar cell is a back-contacting crystalline silicon thin film solar cell (see EJ Mitchell and S. Reber, Proceedings 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (2008), p. 510).
  • EpiWT solar cells so that the advantages of thin-film solar cells, such as. B. Reduction of the cost per watt peak by reducing the consumption of high-purity silicon material, with those of back-contact solar cells: no shading by the Vorderprintedgrid, the emitter can be optimized in terms of its blue response, the contacts can be optimized for low series resistance, simpler module interconnection and higher packing density in the module (see E. van Kerschaver and G. Beaucarne, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 14 (2), (2006), p. 107).
  • Backside contact is achieved by placing the active layers of the solar cell on the substrate backside through holes drilled in the substrate
  • EpiWT solar cells have two additional conceptional series resistors that reduce their efficiency. These are the propagation resistance and the hole resistance (see N. Brinkmann, diploma thesis, University of Konstanz (2009)).
  • EpiWT solar cell is called propagation resistance.
  • the hole resistance is the resistance that the electrons experience when passing through the hole
  • the two additional series resistors increase the overall series resistance of the EpiWT solar cell and have a negative effect on the fill factor and the efficiency of the solar cell.
  • One way to reduce these additional resistors represents an increase in the number of holes and / or a Veraway ⁇ tion, the hole diameter is (see N. Brinkmann, supra). Both, however, provides for a reduction of the active cell area. The reduction of the active cell area leads to a reduction of the photocurrent, which in turn has a negative effect on the efficiency of the EpiWT solar cell (see N. Brinkmann, loc. Cit.). The determination of the optimal hole structure of the EpiWT solar cell is thus always a compromise between resistance and photocurrent losses.
  • a thin-film solar cell having a front side for light entry and a rear side comprising the following minimum components: a) a non-photovoltaic or non-photoactive substrate having at least one through-hole connecting the front and the back,
  • At least one emitter layer at least on
  • Parts or the entirety of the front side and parts or the entirety of the surface of the at least one through hole are deposited, whereby in the through hole, a channel is formed, c) at least one emitter contact and at least one
  • Base contact which are applied electrically isolated from each other on the back.
  • the base layer is preferably grown on the substrate, while the emitter layer is the uppermost
  • Layer of the base layer represents and by the
  • Doping process can be produced.
  • the channel contained in the solar cell thereby represents a cavity, the front with the
  • the channel is constructed so that on at least parts of the surface of a corresponding recess or through hole of the substrate of the thin-film solar cell, a photoactive base layer and a
  • Emitter layer to be grown The through-drilling of the substrate can be produced, for example, by laser drilling, but also mechanical drilling processes, or can already be introduced during the production of the substrate, while the growth of speaking photoactive layers on the surface of the substrate incl.
  • the surface of the through hole by known from the prior art
  • the photoactive layers i. the base layer and the
  • Emitter layer can be on the entire surface of the puncture or only on a part of this
  • the outline that is, the load applied to the respective side of the solar cell recess of the substrate contained ⁇ requested channels is designed so that the ratio of the circumference of the outline of at least one channel to the space enclosed by the outline of the channel surface is greater than the ratio of the circumference to the area of a circle of the same area.
  • the area of the channel ie the area of the hole formed on the front side and the back side, respectively, representing the entrance and the exit end of the channel is limited by an edge consisting of the epitaxial emitter. This edge defines the outline of the channel. According to the scope of this outline is now greater than the scope of a
  • Rear side of the substrate has a different outline from a circular shape.
  • Channels or holes could surprisingly be achieved a significant reduction of the conceptual additional series resistances and thus the efficiency of the solar cell can be significantly increased.
  • the shape of the channels which deviates from a circular shape, can be achieved in the following ways: a) A through hole having an outline which is different from a circular shape is already introduced into the substrate. The surface of this through hole is provided homogeneously, ie with the same layer thickness, with the respective photoactive layers, ie base layer and emitter layer, so that the photoactive layers conform to the basic shape of the predetermined throughbore of the substrate. The resulting channel thus has the basic shape of the through hole of the substrate. For example, an elliptical bore etc. may already be introduced into the substrate and the photoactive layers may be deposited as described above.
  • a circular through-hole is introduced into the substrate, but the layers are deposited asymmetrically on the surface of the through-hole so that, for example, Liptician or rectangular structures can be achieved.
  • this procedure is to be ⁇ reach places of the channel through more Materi ⁇ al of the respective photoactive layers, ie, base and emitter layer deposited than at other places, so that the channel, which results in this process, as one of a circular shape has different outline than the predetermined circular bore.
  • Preferred shapes of the outline of the channel provide, for example, that the channels have an ellipsoidal, rectangular, concave, convex circumference or outline or a rectangular circumference with rounded corners and / or combinations thereof.
  • Channels ie from oval holes to slits (see Fig. 3 for outlines), can dramatically reduce propagation and hole resistance, thereby increasing the efficiency of the EpiWT solar cell. This is independent of whether the outline of the channels or slots is round or square are (see Fig. 3). Also, a concave or convex expression of the channels, for example as oval holes or slots, is possible.
  • slots are more easily inserted into the substrate or wafer, for example with a chip saw. This makes EpiWT solar cells with slits easier to implement industrially than those with circular holes.
  • slot structures Another advantage of slot structures is the easier backside structuring of the cells because, for example, the adjustment of the backside structures in the application of the layers and / or the contacts, because it only needs to be adjusted in one dimension, becomes much easier.
  • a preferred embodiment of the present invention provides that the front and the back of the substrate are substantially parallel to each other and that the at least one channel is parallel to the normal of these surfaces through the substrate, ie substantially at an angle of 90 ° with respect the surface of the front or back runs.
  • the through-hole channel thus has the shortest possible connection between the front and back, whereby the resistance can be further reduced.
  • Such extending at an angle of 90 ° to the surface of the substrate channel can be generated in the following ways: a) A through hole is generated perpendicular to the sub ⁇ strat vom and followed by a uniform deposition of the photoactive layers, ie, the base and emitter layer so that a uniform layer thickness of the photoactive layers over the entire length of the through hole is achieved.
  • the thus resulting channel therefore has in the direction of the through hole everywhere a uniform layer thickness of the base and emitter layer, so that the resulting channel as well as the through hole extends 90 ° to the surface of the substrate.
  • the structuring in terms of the circular shape of the different contour of the channel can be achieved by the design described above.
  • An alternative embodiment which can also be carried out in the presence of a plurality of channels in addition to the abovementioned variant, provides that the at least one channel runs obliquely through the photoactive substrate and preferably at an angle 45 ° ⁇ - ⁇ 85 ° runs to the front and back.
  • Particularly advantageous in such an embodiment is that the photoactive
  • Emitter layer is provided. By an inclined channel thus inevitably falls z. B.
  • the aforementioned oblique channels can be produced in the following ways: a) The substrate of the solar cell becomes oblique
  • Emitter layer is provided.
  • the structuring with respect to the shape different from a circular shape takes place in the aforementioned manners and ways.
  • the channel thus generated runs obliquely through the substrate.
  • Through holes are made perpendicular to the surface in the substrate. The surface of these holes is provided in the direction of the through-hole channel asymmetrically with the base and the emitter layer by these layers are grown so that the layer thickness increases on one side of the fürboh ⁇ tion in the channel direction, for example, while it decreases on the other side.
  • the resulting channel thus preferably has the same cross-sectional area in the channel direction, but extends obliquely through the substrate as a result of the photoactive layers, which are advantageously applied in the course of a gradient.
  • An exemplary embodiment is shown in FIG.
  • the base and the emitter layer is chamfered towards the channel at least on one side of the channel (see FIG. 4).
  • This particularly preferred embodiment allows a further increased incidence of light and thus optimal utilization of the entire photoactive surface of the solar cell.
  • the contacting of the thin-film solar cell takes place completely over the back.
  • the back of the solar cell is free of the photoactive layers, ie the base and the emitter layer.
  • the contacting of the emitter takes place in that is introduced into the channel from the bottom up to a certain length of the emitter contact.
  • the contacting of the base takes place from the back.
  • the at least one photoactive base layer as well as the at least one emitter layer on parts of the rear side, wherein the layers in material connection with the corresponding layers, which in the
  • Insulation layer is introduced.
  • the insulating layer between the emitter is preferably of the n-type and between the substrate or base of the p-type.
  • At least one passivation layer is applied on the front side of the thin-film solar cell, which is preferably formed antireflective, is formed from a dielectric material and particularly preferably from a dielectric material selected from the group consisting of Si0 2 , SiC, SiN and multilayers thereof.
  • Preferred substrate materials which are suitable for the thin-film solar cell are selected from a) an electrically conductive material, in particular doped silicon, or
  • Layer is coated from an electrically conductive material.
  • Preferred materials that can be used for the photoactive base layer are semiconductors.
  • Preferred semiconductors may either be selected from the group consisting of Group IV semiconductors, Group III / V semiconductors, Group II / VI semiconductors, in particular Si, GaAs and CdTe.
  • a method for producing the aforementioned thin-film solar cell, in which at least the following method steps are carried out: a) introducing at least one through-hole into a non-photoactive substrate,
  • Advantageous process options for introducing the throughbores into the substrate are laser drilling methods or laser milling methods, but mechanical methods are also applicable, for example by means of a chip saw.
  • an insulation layer on the back side can furthermore be deposited on the front side for isolating the two contact regions from one another and / or the passivation layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a portion of an epitaxial wrap-through solar cell composed of a non-photovoltaic substrate 1 having a plurality perpendicular to the front surface of FIG
  • This base layer 3 grew up.
  • This base layer 3 is coated over its entire surface with an emitter layer 4.
  • the coating of the substrate 1, d. H. the epitaxially grown base layer 3 and the emitter layer 4 are also grown on the surfaces of the through hole on the substrate 1, i. h., The perforation is also full surface with the base layer 3 and the
  • Emitter layer 4 the surface of the channel 2.
  • Emitter layer 4 the surface of the channel 2.
  • these contacts represent the n-contact.
  • these contacts are formed of aluminum.
  • FIG. 2 shows the circular circumference of a channel 2 described above with reference to FIG. 1, as it is present on the front side of the solar cell according to EP 2 071 632.
  • the arrows set the flowing to the channel 2, collected at the surface of the solar cell currents that are so strong in the immediate vicinity of the channel that it comes to the current crowding.
  • Fig. 3 describes preferred, according to the invention for
  • channels 2 which are ⁇ instead of the outline of the channels shown in Fig. 2 are used.
  • ellipsoidal (a), concave (b), convex (c), rectangular with rounded ends (d) and rectangular (e) outlines of channels are used, with the embodiments according to FIGS. 3a and 3b being particularly preferred are.
  • FIG. 4 is an optical micrograph of an epitaxial rap-Through solar cell is shown in a Her ⁇ position between steps, wherein Fig. 4a shows a total perspective, and Fig. 4b is an enlarged photograph of a portion by which the preferred concept of the slanting channel course be explained in more detail should.
  • the perspective of the recorded solar cell corresponds to that in FIG. 1 perspective shown.
  • the reference symbols from FIG. 1 are likewise accepted in part.
  • Shown is an epitaxial wrap-through solar cell in an intermediate manufacturing step in which a channel 2 extends obliquely through the substrate 1. Clearly visible is the 90 ° to the surface taking place the perforation of the substrate 1.
  • this solar cell has a capping on the edge of the channel 2 shown on the right, whereby the light ⁇ incidence in the channel is further increased and thereby also in the wall of the channel 2 photoactive processes in the base and the emitter layer can proceed , so that even in channel 2 itself can take place power generation.
  • the shading losses known with front-side contact solar cells can be almost completely compensated.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dunnschicht-Solarzelle, insbesondere eine epitaktische Wrap-Through- (EpiWT-) Solarzelle, die mindestens eine Durchbohrung aufweist, wobei das Verhältnis des Umfangs des Umrisses der mindestens einen Durchbohrung zur vom Umriss der Durchbohrung umschlossenen Flache großer ist als das Verhältnis des Umfangs zur Flache eines Krexses gleicher Flache.

Description

Epitaktische Wrap-Through-Solarzellen mit länglich ausgeprägten Lochformen sowie Verfahren zu deren
Herstellung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dünnschicht-
Solarzelle, insbesondere eine epitaktische Wrap- Through- (EpiWT-) Solarzelle, die mindestens eine
Durchbohrung aufweist, wobei das Verhältnis des
Umfangs des Umrisses der mindestens einen Durchboh- rung zur vom Umriss der Durchbohrung umschlossenen
Fläche größer ist als das Verhältnis des Umfangs zur Fläche eines Kreises gleicher Fläche.
Stand der Technik
Die epitaktische Wrap-Through- ( EpiWT- ) Solarzelle ist eine kristalline Silicium-Dünnschichtsolarzelle mit Rückseitenkontaktierung (siehe E.J. Mitchell und S. Reber, Proceedings 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (2008), S. 510) . EpiWT-Solarzellen ver- einen damit die Vorteile von Dünnschichtsolarzellen , wie z. B. Verminderung der Kosten pro Wattpeak durch Reduzierung des Verbrauchs an hochreinem Silicium- material, mit denen von Rückkontaktsolarzellen: keine Abschattung durch das Vorderseitengrid, der Emitter kann hinsichtlich seiner Blauantwort optimiert werden, die Kontakte können hinsichtlich eines geringen Serienwiderstands optimiert werden, einfachere Modulverschaltung und höhere Packungsdichte im Modul (siehe E. van Kerschaver und G. Beaucarne, Progress in Photovoltaics : Research and Applications 14(2), (2006), S. 107). Die Rückseitenkontaktierung wird erreicht, indem die aktiven Schichten der Solarzelle durch Löcher, die in das Substrat mit Laser gebohrt werden, auf die Substratrückseite gestülpt werden
(vgl. Fig. 1) . Das Konzept der EpiWT-Solarzelle ist vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) zum Patent angemeldet worden (E.J. Mitchell, S. Reber, E. Schmich, "Thin-film solar cell and process for its manufacture", EP 2 071 632 AI (2009)) . Bezüg¬ lich des prinzipiellen Aufbaus derartiger Solarzellen wird auf diese Druckschrift verwiesen.
Das Funktionieren des EpiWT-Zellkonzeptes ist vom Fraunhofer ISE in einer Machbarkeitsstudie gezeigt worden. Die derzeitigen EpiWT-Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von bis zu 10,3 % (siehe E.J. Mitchel et al., Proceedings 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference (2009) , im Druck) . Damit liegen die Wirkungsgrade der EpiWT-Solarzellen noch deutlich unter den Wirkungsgraden der derzeitigen
epitaktischen Silicium-Dünnschichtsolarzellen mit Vorderseiten- und Rückseitenkontakt, die auf mc- Silicium-Substraten Wirkungsgrade von 14,2 % errei- chen (siehe S. Schmich, Ph.D. Thesis, Universität
Konstanz (2008)). Da EpiWT-Solarzellen jedoch auf- grund des fehlenden Vorderseitenkontaktgitters eine größere Lichteinkopplung haben, ist auch der theoretische Wirkungsgrad der EpiWT-Solarzellen höher als der Wirkungsgrad vergleichbarer kristalliner Sili- cium-Dünnschichtsolarzellen mit einem Vorderseiten- und Rückseitenkontakt. Eine weitere Optimierung der EpiWT-Solarzelle hinsichtlich ihrer Zellstruktur und ihres Herstellungsprozesses ist daher nötig. Verglichen mit konventionellen Solarzellen haben
EpiWT-Solarzellen zwei zusätzliche konzeptionell bedingte Serienwiderstände, durch die ihr Wirkungsgrad reduziert wird. Dies sind der Ausbreitungswiderstand und der Lochwiderstand (siehe N. Brinkmann, Diplomarbeit, Universität Konstanz (2009)) .
Während der Strom bei konventionellen Solarzellen im Emitter parallel auf die Kontakt finger zu fließt, fließt der Strom bei EpiWT-Solarzellen radial auf die Löcher zu (vgl. Fig. 2) und anschließend durch die
Emitterschicht in den Löchern zu den Kontakten auf der Zellrückseite. Dadurch kommt es im Bereich der Löcher zu einer Erhöhung der Ladungsträgerdichte, dem sogenannten "Current Crowding". Das Phänomen des "Current Crowding" führt zu einem Anstieg des
Emitterserienwiderstands der EpiWT-Solarzelle im Vergleich zu einer konventionellen Solarzelle. Dieser erhöhte Vorderseitenemitterserienwiderstand der
EpiWT-Solarzelle wird als Ausbreitungswiderstand bezeichnet. Der Lochwiderstand ist der Widerstand, den die Elektronen erfahren, wenn sie durch den
Emitter im Loch zu den Kontakten auf die Zellrückseite fließen.
Die beiden zusätzlichen Serienwiderstände erhöhen den Gesamtserienwiderstand der EpiWT-Solarzelle und wirken sich damit negativ auf den Füllfaktor und den Wirkungsgrad der Solarzelle aus. Eine Möglichkeit, diese zusätzlichen Widerstände zu reduzieren, stellt eine Erhöhung der Lochanzahl und/oder eine Vergröße¬ rung der Lochdurchmesser dar (siehe N. Brinkmann, a.a.O.) . Beides sorgt allerdings für eine Verkleinerung der aktiven Zellfläche. Durch die Verringerung der aktiven Zellfläche kommt es zu einer Reduzierung des Photostroms, was sich wiederum negativ auf den Wirkungsgrad der EpiWT-Solarzelle auswirkt (siehe N. Brinkmann, a.a.O.) . Die Bestimmung der optimalen Lochstruktur der EpiWT-Solarzelle ist damit immer ein Kompromiss zwischen Widerstands- und Photostromverlusten .
Insofern war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von der in der EP 2 071 632 beschriebenen Solarzelle eine verbesserte Solarzelle bereitzustellen, mit der sich das oben beschriebene Phänomen des Current Crowding weitestgehend vermeiden und somit der Lochwiderstand erniedrigen und der
Wirkungsgrad erhöhen lässt.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Dünnschichtsolarzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie bezüglich des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Solarzelle mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit eine DünnschichtSolarzelle mit einer Vorderseite für den Lichteintritt sowie einer Rückseite bereitgestellt, die folgende Mindestbestandteile umfasst: a) ein nicht-photovoltaisches bzw. nicht-photoaktives Substrat mit mindestens einer Durchbohrung, die die Vorder- mit der Rückseite verbindet,
b) mindestens eine photoaktive Basisschicht sowie
mindestens eine Emitterschicht, die zumindest auf
Teilen oder der Gesamtheit der Vorderseite und Teilen oder der Gesamtheit der Oberfläche der mindestens einen Durchbohrung abgeschieden sind, wodurch in der Durchbohrung ein Kanal gebildet wird, c) zumindest ein Emitterkontakt sowie zumindest ein
Basiskontakt, die voneinander elektrisch isoliert auf der Rückseite aufgebracht sind.
Bezüglich des prinzipiellen Aufbaus der Dünnschicht- Solarzelle sei nochmals auf die EP 2 071 632 AI verwiesen, deren Ausführungen hierzu mit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen sind. Die Basisschicht ist dabei bevorzugt auf dem Substrat aufgewachsen, während die Emitterschicht die oberste
Schicht der Basisschicht darstellt und durch dem
Fachmann bekannte gängige Prozesse, wie z.B.
Dotierverfahren, hergestellt werden kann.
Der in der Solarzelle enthaltene Kanal stellt dabei einen Hohlraum dar, der die Vorderseite mit der
Rückseite der Dünnschicht-Solarzelle verbindet . Der Kanal ist dabei so aufgebaut, dass auf zumindest Teilen der Oberfläche einer entsprechenden Aussparung bzw. Durchbohrung des Substrates der Dünnschicht- Solarzelle eine photoaktive Basisschicht und eine
Emitterschicht aufgewachsen werden. Die Durchbohrung des Substrates kann beispielsweise durch Laserbohren, aber auch mechanische Bohrprozesse hergestellt werden oder auch schon bei der Herstellung des Substrates eingebracht werden, während das Aufwachsen der ent- sprechenden photoaktiven Schichten auf die Oberfläche des Substrates inkl. der Oberfläche der Durchbohrung durch aus dem Stand der Technik bekannte
Abscheideverfahren möglich ist, wodurch der entsprechende Kanal hergestellt werden kann. Die photoaktiven Schichten, d.h. die Basisschicht und die
Emitterschicht, können auf der gesamten Oberfläche der Durchbohrung oder nur auf einem Teil dieser
Oberfläche abgeschieden sein, so dass sich entsprechend ausgebildete Kanäle ergeben. Die beiden Schichten werden dabei so aufgewachsen, dass die Durchbohrung des Substrates nicht komplett zuwächst, d.h. ein die Vorder- und die Rückseite durchgängig verbindender Hohlraum in der Durchbohrung verbleibt und der so hergestellte Kanal somit röhrenartig ist. Dieser entstehende bzw. überbleibende Hohlraum wird erfindungsgemäß als Kanal bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Konzept sieht nun vor, dass der Umriss, d.h. die auf der jeweiligen Seite der Solarzelle aufgebrachte Aussparung der im Substrat enthal¬ tenen Kanäle so gestaltet ist, dass das Verhältnis des Umfangs des Umrisses des mindestens einen Kanals zur vom Umriss des Kanals umschlossenen Fläche größer ist als das Verhältnis des Umfangs zur Fläche eines Kreises gleicher Fläche. Die Fläche des Kanals, d.h. die Fläche des Lochs, das auf der Vorderseite bzw. auf der Rückseite gebildet ist und das Eintritts- und das Austritt sende des Kanals repräsentiert, wird durch eine Kante, die aus dem epitaktischen Emitter besteht, begrenzt. Durch diese Kante wird der Umriss des Kanals festgelegt. Erfindungsgemäß ist der Umfang dieses Umrisses nun größer als der Umfang eines
Kreises, der die gleiche Fläche aufweist wie die oben definierte Fläche der Eintrittsöffnung bzw. Austrittsöffnung des Kanals, d. h. des Bereiches, der auf der Vorder- bzw. der Rückseite des Substrates durch den Kanal ausgespart ist. Insofern wird klar, dass der Umriss des Kanals auf der Vorder- bzw.
Rückseite des Substrates einen von einer Kreisform verschiedenen Umriss aufweist.
Mit dieser veränderten Form der Grundfläche des
Kanals bzw. der Löcher konnte überraschenderweise eine deutliche Reduktion der konzeptionell bedingten zusätzlichen Serienwiderstände erzielt und damit der Wirkungsgrad der Solarzellen deutlich gesteigert werden .
Die von einer Kreisform abweichende Form der Kanäle kann auf folgende Arten und Weisen erreicht werden: a) Bereits in das Substrat wird eine Durchbohrung eingebracht, die einen von einer Kreisform verschiedenen Umriss aufweist. Die Oberfläche dieser Durchbohrung wird homogen, d.h. mit gleicher Schichtdicke, mit den jeweiligen photoaktiven Schichten, d.h. Basis- und Emitterschicht, versehen, so dass sich die photoaktiven Schichten der Grundform der vorgegebenen Durchbohrung des Substrates anpassen. Der so entstehende Kanal weist somit die Grundform der Durchbohrung des Substrates auf. Beispielsweise kann in das Substrat bereits eine elliptische Durchbohrung etc. eingebracht werden und die photoaktiven Schichten, wie im Voranstehenden beschrieben, abgeschieden werden. b) Es wird eine kreisförmige Durchbohrung in das Substrat eingebracht, jedoch werden die Schichten asymmetrisch auf der Oberfläche der Durchbohrung abgeschieden, so dass beispielsweise el- liptische oder rechteckige Strukturen erzielt werden können. Bei diesem Prozedere wird an man¬ chen Stellen des Kanals durchgehend mehr Materi¬ al der jeweiligen photoaktiven Schichten, d.h. Basis- und Emitterschicht, abgeschieden, als an anderen Stellen, so dass der Kanal, der bei diesem Verfahren resultiert, ebenso einen von einer Kreisform verschiedenen Umriss aufweist, als die vorgegebene kreisförmige Durchbohrung. c) Ebenso sind jedoch Mischformen aus den beiden zuvor genannten Verfahren denkbar, beispielsweise dass eine durch einen asymmetrischen Bohrpro- zess vorgegebene nicht kreisförmige Durchbohrung weiter durch ein asymmetrisches Abscheiden der jeweiligen photoaktiven Schichten noch weiter asymmetrisch gestaltet wird, d.h. eine weiter von der kreisförmigen Struktur entfernte Form des Kanals erzeugt wird.
Bevorzugte Ausformungen des Umrisses des Kanals sehen beispielsweise vor, dass die Kanäle einen ellipsoi- den, rechteckigen, konkaven, konvexen Umfang bzw. Umriss oder einen rechteckigen Umfang mit abgerunde- ten Ecken und/oder Kombinationen hieraus aufweisen.
Besonders bevorzugt hierbei sind ellipsoide oder rechteckige Umrisse von Durchbohrungen, die abgerundete Ecken aufweisen. Durch die Verwendung von länglich ausgeprägten
Kanälen, d. h. von ovalen Löchern bis hin zu Schlitzen (vgl. Fig. 3 bezüglich der Umrisse), lassen sich Ausbreitungs- und Lochwiderstand drastisch reduzieren und damit der Wirkungsgrad der EpiWT-Solarzelle steigern. Dies ist unabhängig davon, ob der Umriss der Kanäle bzw. Schlitze rund oder eckig ausgeprägt sind (vgl. Fig. 3). Auch eine konkave oder konvexe Ausprägung der Kanäle, z.B. als ovale Löcher bzw. Schlitze, ist möglich.
Der Vorteil der Verwendung von ovalen Löchern oder Schlitzen geht mit dem größeren Lochumfang einher. Durch den größeren Lochumfang wird einerseits die Ladungsträgerdichte am Lochrand verringert, wodurch der durch das Current Crowding bedingte Ausbreitungs widerstand stark reduziert wird bzw. bei der Verwendung von Schlitzen ganz wegfällt. Andererseits sinkt der vom Lochumfang reziprok abhängende Lochwiderstand mit zunehmendem Lochumfang.
Ein weiterer Vorteil der Schlitze ist, dass sie leichter in das Substrat bzw. den Wafer eingebracht werden können, beispielsweise mit einer Chipsäge. Damit sind EpiWT-Solarzellen mit Schlitzen industriell leichter umsetzbar als solche mit kreisförmigen Löchern .
Ein anderer Vorteil von Schlitzstrukturen ist die leichtere Rückseitenstrukturierung der Zellen, weil beispielsweise die Justage der Rückseitenstrukturen bei der Aufbringung der Schichten und/oder der Kontakte, weil nur in einer Dimension justiert werden muss, durch sie wesentlich einfacher wird.
Durch Metall in den Schlitzen wird der Serienwiderstand der Epi T-Solarzelle noch einmal deutlich reduziert. Auch kann durch die Schlitze eine vollständige Kontaktierung der Emitterschicht im Schlitze erfolgen, so dass auf der Rückseite der Zelle kein Emitter mehr nötig ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Vorder- und die Rückseite des Substrates im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und dass der mindestens eine Kanal parallel zur Normalen dieser Flächen durch das Substrat hindurch verläuft, d. h. im Wesentlichen unter einem Winkel von 90° bezüglich der Oberfläche der Vorder- bzw. Rückseite verläuft. Der Durchbohrungskanal weist somit die kürzestmögliche Verbindung zwischen Vorder- und Rückseite auf, wodurch der Widerstand weiter reduziert werden kann.
Ein derartiger im Winkel von 90° zur Oberfläche des Substrates verlaufender Kanal kann auf folgende Arten und Weisen erzeugt werden: a) Eine Durchbohrung wird senkrecht zu den Sub¬ stratflächen erzeugt und anschließend erfolgt ein gleichmäßiges Abscheiden der photoaktiven Schichten, d.h. der Basis- und Emitterschicht, so dass eine gleichmäßige Schichtdicke der photoaktiven Schichten über die gesamte Länge der Durchbohrung erzielt wird. Der somit entstehende Kanal weist daher in Richtung der Durchbohrung überall eine gleichmäßige Schichtdicke der Basis- und Emitterschicht auf, so dass der entstehende Kanal ebenso wie die Durchbohrung 90° zur Oberfläche des Substrates verläuft. Die Strukturierung hinsichtlich des von einer Kreisform verschiedenen Umrisses des Kanals kann durch die weiter oben beschriebene Gestaltung erreicht werden . b) Das Substrat wird mit einem schräg verlaufenden Kanal durchbohrt, wobei die jeweiligen photoaktiven Schichten, d.h. Basis- und Emitterschicht, schräg in der Durchbohrung abgeschieden werden, so dass in der Summe der Kanal 90° zur Substratoberfläche verläuft. Eine derartige Vorgehensweise ist nur bis zu einem Winkel möglich, bei dem in Projektionsrichtung auf die Substratoberfläche das Eintritts- und das Austrittsende der Durchbohrung noch übereinander angeordnet sind. Ein derartiges Verfahren hängt somit maßgeblich von der Dicke der Durchbohrung ab. Auch hier wird die Strukturierung des Kanals hinsichtlich des von einer Kreisform verschiedenen Umrisses auf die voranstehenden Arten und Weisen erzielt.
Eine alternative Ausführungsform, die beim Vorhanden- sein von mehreren Kanälen auch zusätzlich zur oben genannten Variante ausgeführt werden kann, sieht vor, dass der mindestens eine Kanal schräg durch das photoaktive Substrat hindurch verläuft und bevorzugt unter einem Winkel 45° < α -ί 85° zur Vorder- und Rückseite verläuft. Besonders vorteilhaft bei einer derartigen Ausführung ist, dass die photoaktive
Oberfläche verglichen mit einer Solarzelle, die keine Kanäle aufweist, im Wesentlichen gleich bleibt, da auch die Wandung der Kanäle selbst mit der photoakti- ven Basisschicht sowie der darauf aufgewachsenen
Emitterschicht versehen ist. Durch einen schräg verlaufenden Kanal fällt somit unweigerlich z. B.
senkrecht auf die Vorderseite der Solarzelle auftreffendes Licht auch in die Kanäle und auf die dort befindlichen photoaktiven Schichten der Solarzelle.
Zwar ist hier der Serienwiderstand aufgrund der verlängerten Kanalführung geringfügig höher als bei der zuvor genannten Ausführungsform, allerdings kann dies dadurch wieder kompensiert werden, dass auch die Oberfläche des Kanals selbst zumindest teilweise der Erzeugung elektrischer Energie dient und somit Lichtverluste vermieden werden.
Die zuvor genannten schräg verlaufenden Kanäle können auf folgende Arten und Weisen erzeugt werden: a) Das Substrat der Solarzelle wird mit schräg
verlaufenden Durchbohrungen versehen, deren Oberfläche homogen mit der Basis- und der
Emitterschicht versehen wird. Die Strukturierung hinsichtlich des von einer Kreisform verschiedenen Umrisses erfolgt auf die zuvor genannten Arten und Weisen. Der somit erzeugte Kanal verläuft dabei schräg durch das Substrat. b) Es werden senkrecht zur Oberfläche verlaufende Durchbohrungen im Substrat eingebracht. Die Oberfläche dieser Durchbohrungen wird in Richtung des Durchbohrungskanals asymmetrisch mit der Basis- und der Emitterschicht versehen, indem diese Schichten so aufgewachsen werden, dass die Schichtdicke auf einer Seite der Durchboh¬ rung in Kanalrichtung z.B. zunimmt, während sie auf der anderen Seite abnimmt. Der dabei entste- hende Kanal weist somit bevorzugt in Kanalrichtung stehend die gleiche Querschnittsfläche auf, verläuft jedoch durch die vorteilhafterweise im Verlauf eines Gradienten aufgebrachten photoaktiven Schichten schräg durch das Substrat. Eine beispielhafte Ausführungsform ist in Figur 4 dargestellt .
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Basis- und die Emitterschicht zumindest auf einer Seite des Kanals zum Kanal hin abgeschrägt ist (siehe Fig. 4) . Auch diese besonders bevorzugte Ausführungsform ermöglicht einen weiter erhöhten Lichteinfall und somit eine optimale Ausnutzung der gesamten photoaktiven Oberfläche der Solarzelle. Die Kontaktierung der Dünnschicht-Solarzelle erfolgt dabei vollständig über die Rückseite. In einer Ausführungsform kann dabei vorgesehen sein, dass die Rückseite der Solarzelle frei von den photoaktiven Schichten, d.h. der Basis- und der Emitterschicht ist. Die Kontaktierung der Emitter erfolgt dabei dadurch, dass in den Kanal von der Unterseite her bis zu einer gewissen Länge der Emitterkontakt eingebracht wird. Auch die Kontaktierung der Basis erfolgt dabei von der Rückseite.
Alternativ hierzu ist es möglich, die mindestens eine photoaktive Basisschicht sowie die mindestens eine Emitterschicht auch auf Teilen der Rückseite abzuscheiden, wobei die Schichten dabei in stofflicher Verbindung mit den entsprechenden Schichten, die im
Kanal abgeschieden sind, stehen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Schichten über den Kanal hinaus auf die Rückseite fortgesetzt werden, wobei die Kontaktierung dieser Schichten mit den jeweiligen Kontakten dann auf der Rückseite der Solarzelle erfolgt .
Weiter ist es vorteilhaft, dass zwischen dem mindestens einen Emitterkontakt und/oder dem mindestens einen Basiskontakt und dem Substrat mindestens eine
Isolationsschicht eingebracht ist. Durch diese Ausführungsform ist vorgesehen, dass die durch die
Durchbohrung verlaufenden photoaktiven Basisschichten bzw. Emitterschichten effektiv vom elektrischen
Gegenpol der Solarzelle, nämlich dem Substrat und der mit dem Substrat verbundenen Kontaktregion, getrennt sind. Die Isolationsschicht zwischen Emitter ist dabei vorzugsweise vom n-Typ und zwischen Substrat oder Basis vom p-Typ.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Dünnschicht Solarzelle sehen vor, dass auf der Vorderseite der Dünnschichtsolarzelle mindestens eine Passivierungs- schicht aufgebracht ist, die bevorzugt ant ireflektiv ausgebildet ist, aus einem dielektrischen Material gebildet ist und besonders bevorzugt aus einem dielektrischen Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si02, SiC, SiN sowie Mehrfachschichten hiervon gebildet ist.
Bevorzugte Substratmaterialien, die für die Dünnschichtsolarzelle in Frage kommen, sind dabei ausgewählt a) aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus dotiertem Silicium, oder
b) aus einem elektrischen Isolator, der mit einer
Schicht aus einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist.
Bevorzugte Materialien, die für die photoaktive Basisschicht verwendet werden können, sind dabei Halbleiter. Bevorzugte Halbleiter können entweder ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Gruppe- IV-Halbleitern, Gruppe-III/V-Halbleitern, Gruppe- II/VI-Halbleitern, insbesondere aus Si, GaAs und CdTe.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung der zuvor genannten Dünnschichtsolarzelle bereitgestellt, bei dem zumindest die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden: a) Einbringen mindestens einer Durchbohrung in ein nicht-photoaktives Substrat,
b) Abscheiden mindestens einer photoaktiven Basisschicht sowie mindestens einer Emitterschicht zumindest auf Teilen der Vorderseite, und der Oberfläche der Durchbohrungen und Ausbilden eines Kanals in den Durchbohrungen, sowie
c) Ausbilden mindestens einer Emitterkontaktregion und mindestens einer Basiskontaktregion, die voneinander elektrisch isoliert sind, auf der Rückseite des Substrats und/oder in den Kanälen, wobei der Kanal so ausgebildet wird, dass sein Verhältnis des Umfangs des Umrisses des mindestens einen Kanals zur vom Umriss des Kanals umschlossenen Fläche größer ist als das Verhältnis des Umfangs zur Fläche eines Kreises gleicher Fläche.
Die Strukturierung des Kanals erfolgt dabei auf die bereits vorstehend im Detail erläuterten Verfahrensabläufe .
Vorteilhafte Verfahrensmöglichkeiten, die Durchbohrung in das Substrat einzubringen, sind dabei Laserbohrverfahren oder Laser-Fräsverfahren, ebenso sind jedoch auch mechanische Methoden anwendbar, wie beispielsweise mittels einer Chipsäge.
Jeweils nach den zuvor genannten Schritten a)
und/oder b) des erfindungsgemäßen Verfahrens können weiter eine Isolationsschicht auf der Rückseite zur Isolierung der beiden Kontaktregionen voneinander und/oder die Passivierungsschicht auf der Vorderseite abgeschieden werden. Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung auf die dort ausgeführten Ausführungen zu beschränken.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer schematischen Darstellung eines Ausschnitts einer epitaktischen Wrap-Through-Solarzelle, die aus einem nicht-photo- voltaischen Substrat 1 besteht, das eine Mehrzahl von senkrecht von der Oberfläche der Vorderseite zur
Oberfläche der Rückseite verlaufenden Durchbohrungen aufweist. Auf das Substrat ist auf der Vorderseite vollflächig epitaktisch eine photoaktive Basisschicht
3 aufgewachsen. Diese Basisschicht 3 ist vollflächig mit einer Emitterschicht 4 beschichtet. Die Beschich- tung des Substrates 1, d. h. die epitaktisch aufgewachsene Basisschicht 3 und die Emitterschicht 4, sind auch an den Oberflächen der Durchbohrung auf dem Substrat 1 aufgewachsen, d. h., die Durchbohrung ist ebenso vollflächig mit der Basisschicht 3 und der
Emitterschicht 4 ausgekleidet, wodurch der Kanal 2 gebildet wird. Insofern bildet die epitaktische
Emitterschicht 4 die Oberfläche des Kanals 2. Gegebenenfalls können auch Teile der Rückseite des Substra- tes 1 mit der Basisschicht 3 bzw. der Emitterschicht
4 versehen sein. Die Rückseite der Solarzelle weist nun zwei Kontakte auf, einen Kontakt 5, der den
Emitter kontaktiert (Emitterkontaktregion) , diese Kontakte stellen den n-Kontakt dar. Bevorzugt sind diese Kontakte aus Aluminium gebildet. Der weitere
Kontakt 6 (p-Kontakt) ist mit dem nicht-photoaktiven Substrat 1 verbunden und stellt die Basiskontaktregion 6 dar. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Grundfläche des Kanals 2 (dies ist gemäß Fig. 1 die Fläche, die von oben, d. h. in Lichteinfallsrichtung, wahrgenommen werden kann) kreisrund ausgebildet ist, was zu den eingangs beschriebenen Nachteilen derartiger Solarzellen führt. Erfindungsgemäß ist diese Grundfläche nunmehr so ausgestaltet, dass der Umriss der Durchbohrung einen von einer Kreisform verschiedenen Umriss aufweist und somit bezogen auf die Fläche der Durchbohrung einen vergrößerten Umriss der Durchbohrung aufweist. Dadurch lassen sich geringere Serienwiderstände derartiger Solarzellen erzielen .
Fig. 2 zeigt den zuvor unter den Ausführungen zur Fig. 1 beschriebenen kreisrunden Umfang eines Kanals 2, wie er auf der Vorderseite der Solarzelle gemäß der EP 2 071 632 vorliegt. Die Pfeile stellen dabei die auf den Kanal 2 zufließenden, an der Oberfläche der Solarzelle gesammelten Ströme an, die in unmittelbarer Umgebung des Kanals so stark werden, dass es zum Current Crowding kommt. Fig. 3 beschreibt bevorzugte, erfindungsgemäß zum
Einsatz kommende Geometrien von Kanälen 2, die an¬ stelle vom Umriss der in Fig. 2 dargestellten Kanäle zum Einsatz kommen. Insbesondere ellipsoide (a), konkave (b) , konvexe (c) , rechteckige mit abgerunde- ten Enden (d) und rechteckige (e) Umrisse von Kanälen kommen dabei zum Einsatz, wobei die Ausführungsformen gemäß Fig. 3a und 3b ganz besonders bevorzugt sind.
In Fig. 4 ist eine optische Mikroskopaufnahme einer epitaktischen rap-Through-Solarzelle in einem Her¬ stellungszwischenschritt dargestellt, wobei Fig. 4a eine Totalperspektive und Fig. 4b eine vergrößerte Aufnahme eines Teilbereichs darstellt, anhand derer das bevorzugte Konzept des schrägen Kanalverlaufs näher erläutert werden soll. Die Perspektive der aufgenommenen Solarzelle entspricht dabei der in Fig. 1 dargestellten Perspektive. Die Referenzzeichen aus Fig. 1 sind ebenso z.T. übernommen. Dargestellt ist eine epitaktische Wrap-Through-Solarzelle in einem Herstellungszwischenschritt, bei der ein Kanal 2 schräg durch das Substrat 1 verläuft. Deutlich erkennbar ist der 90° zur Oberfläche erfolgende Verlauf der Durchbohrung des Substrates 1. Durch einen schräg bzw. asymmetrisch verlaufenden Aufwuchs der Basisschicht 3 sowie der Emitterschicht 4 wird ein entsprechend schräg verlaufender Kanal 2 erhalten, obwohl die Durchbohrung des Substrates normal zur Oberfläche verläuft. Weiterhin weist diese Solarzelle auf der in der Abbildung rechts dargestellten Kante des Kanals 2 eine Abkappung auf, wodurch der Licht¬ einfall in den Kanal weiter vergrößert wird und dadurch ebenso in der Wandung des Kanals 2 photoaktive Prozesse in der Basis- und der Emitterschicht ablaufen können, so dass auch in Kanal 2 selbst eine Stromerzeugung stattfinden kann. Dadurch können die bei Vorderseitenkontaktsolarzellen bekannten Abschat- tungsverluste nahezu vollständig kompensiert werden.

Claims

Patentansprüche
DünnschichtSolarzelle mit einer Vorderseite für den Lichteintritt sowie einer Rückseite, umfassend
a) ein nicht-photoaktives Substrat (1) mit mindestens einer Durchbohrung, die die Vorder- mit der Rückseite verbindet,
b) mindestens eine photoaktive Basisschicht (3) sowie mindestens eine Emitterschicht (4), die zumindest auf Teilen oder der Gesamtheit der Vorderseite und Teilen oder der Gesamtheit der Oberfläche der mindestens einen Durchboh¬ rung abgeschieden sind, wodurch in der Durchbohrung ein Kanal (2) gebildet wird,
c) zumindest einen Emitterkontakt (5) sowie zumindest einen Basiskontakt (6), die voneinander elektrisch isoliert auf der Rückseite aufgebracht sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Verhältnis des Umfangs des Umrisses des mindestens einen Kanals (2) zur vom Umriss des Kanals (2) umschlossenen Fläche größer ist als das Verhältnis des Umfangs zur Fläche eines Kreises gleicher Fläche.
DünnschichtSolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (2) einen ellipsoiden, rechteckigen, konkaven, konvexen Umfang oder einen rechteckigen Umfang mit abgerundeten Ecken und/oder Kombinationen hieraus aufweist.
Dünnschichtsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorder- und die Rückseite des Substrates (1) parallel zueinander sind und der mindestens eine Kanal (2) normal und/oder unter einem Winkel 45° < ^ 85° zur Vorder- und Rückseite verlaufen .
Dünnschichtsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis- und die Emitterschicht (4) zumindest auf einer Seite des Kanals (2) zur Durchbohrung (2) hin abgeschrägt ist.
Dünnschichtsolarzelle nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine photoaktive Basisschicht (3) sowie die mindestens eine Emitterschicht (4) auf Teilen der Rückseite abgeschieden ist und die Schichten in stofflicher Verbindung mit den entsprechenden in mindestens einem Kanal (2) abgeschiedenen Schichten stehen.
Dünnschichtsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Emitterkontakt (5) und/oder dem mindestens einen Basiskontakt (6) und dem Substrat (1) mindestens eine Isolationsschicht eingebracht ist.
Dünnschichtsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Vorderseite der Dünnschichtsolarzelle mindestens eine Passivierungsschicht aufgebracht ist, die bevorzugt antireflektiv ausgebildet ist und aus einem dielektrischen Material gebildet ist und besonders bevorzugt aus einem dielektrischen Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si02, SiC, SiN sowie Mehrfachschichten hiervon gebildet ist.
Dünnschichtsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1)
a) aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus dotiertem Silicium, oder b) aus einem elektrischen Isolator, der mit einer Schicht aus einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist,
gebildet ist.
Dünnschichtsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine photoaktive Basisschicht (3) aus einem Halbleiter, bevorzugt aus einem Halbleiter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gruppe IV-Halbleitern , Gruppe III/V-Halbleitern, Gruppe II/VI-Halbleitern, insbesondere aus Si, GaAs und CdTe gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durch
a) Einbringen mindestens einer Durchbohrung in ein nicht-photoaktives Substrat (1),
b) Abscheiden mindestens einer photoaktiven Basisschicht (3) sowie mindestens einer
Emitterschicht (4) zumindest auf Teilen der Vorderseite und der Oberfläche der Durchboh- rung und Ausbilden eines Kanals (2) in den Durchbohrungen, sowie
c) Ausbilden mindestens einer
Emitterkontaktregion (5) und mindestens einer Basis kontaktregion (6), die voneinander elektrisch isoliert sind, auf der Rückseite des Substrats (1) und/oder in den Kanälen (2) , dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (2) so ausgebildet wird, dass sein Verhältnis des Umfangs des Umrisses des mindestens einen Kanals zur vom Umriss des Kanals umschlossenen Fläche größer ist als das Verhältnis des Umfangs zur Fläche eines Kreises gleicher Fläche .
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (2) mittels Laser oder mechanisch in das Substrat (1) eingebracht werden.
12. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt a) und/oder b) mindestens eine Isolationsschicht auf der Rückseite des Substrats (1) abgeschieden wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt a) , b) und/oder c) eine Passivierungsschicht auf der Vorderseite abgeschieden wird.
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