WO2012163797A2 - Solarzelle mit antireflexbeschichtung und verfahren zur herstellung einer solchen - Google Patents

Solarzelle mit antireflexbeschichtung und verfahren zur herstellung einer solchen Download PDF

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Claus Feldmann
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Jürgen H. Werner
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Universitaet Stuttgart
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a solar cell with an anti-reflection coating.
  • the invention further relates to a method for producing such a solar cell.
  • Efficient solar cells require according to the prior art, an anti-reflection coating that allows the solar cell to absorb the incident light as much as possible.
  • the invention has for its object to provide an improved solar cell having an increased efficiency.
  • this should be achieved by an improved antireflection coating.
  • This object is achieved by a solar cell with a luminescent antireflection coating.
  • the antireflective coating absorbs light in the wavelength range below 400 nm and emits in the longer wavelength range, in particular in the range above 400 nm. In this way, in the short-wave range to a large extent unused by reflection short-wave spectrum of sunlight to a greater extent in langwelligeres Light can be converted, which can be used by the solar cell.
  • the solar cell preferably comprises at least one layer with zinc sulfide, which is luminescent by doping.
  • the doping may in this case in particular contain at least one element which is selected from the group consisting of manganese, copper, tin, silver, gold, aluminum, indium, lead, europium, phosphorus, chlorine, bromine and iodine.
  • other dopants possibly also in conjunction with other layers are conceivable.
  • the antireflection coating has a first layer of zinc sulfide and at least one second layer of magnesium fluoride, of which at least the first layer, preferably both layers, are doped.
  • the first layer of zinc sulfide preferably has a layer thickness in the range of 20 to 50 nm, preferably from 30 to 46 nm.
  • the second layer of magnesium fluoride preferably has a layer thickness in the range of 80 to 150, preferably from 100 to 130 nm.
  • a further advantage of the invention is connected by a total reflection at the boundary between the first and the second layer, in particular at the transition from a manganese-doped zinc sulfide layer and a magnesium fluoride layer, and on the other hand at the transition between a Magnesium fluoride layer and air, the converted, long-wave light from the manganese-doped zinc sulfide layer leave the antireflection coating only to a very small extent again. Only photons that are emitted at an aperture angle of 22.9 ° to the light-incident side, can leave the composite layer. All other photons are reflected in the solar cell. In this way, at most about 4% of the converted radiation is lost, which also contributes to increasing the efficiency of the solar cell.
  • the solar cell according to the invention may be a so-called.
  • PERC solar cell Passivated Emitter and Rear Cell
  • Such a PERC solar cell is provided with the antireflection coating according to the invention.
  • the anti-reflection coating according to the invention is suitable for all types of solar cells, not only for monocrystalline cells, but also for polycrystalline or microcrystalline solar cells, as well as for thin-film solar cells, also from other base materials than silicon.
  • the object of the invention is further achieved by a method for passivating a solar cell, in which a luminescent antireflection coating is applied to a front side of the solar cell.
  • an antireflection coating is applied, which contains at least one layer with a sulfide, in particular zinc sulfide, or zinc oxide, which is luminescent by doping.
  • the doping contains at least one element selected from the group consisting of manganese, copper, tin, silver, gold, aluminum, indium, lead, europium, phosphorus, chlorine, bromine and iodine.
  • the doping may preferably also contain several of these elements.
  • At least a first layer of doped zinc sulfide and at least a second layer of magnesium fluoride is applied as an antireflection coating.
  • the efficiency is further increased, since in particular by total reflection at the boundary layers, the photons emitted by the luminescent layers are largely prevented from exiting the solar cell and thus absorbed in the solar cell.
  • the solar cell is tempered after applying the antireflection coating. This step results in further particularly advantageous properties.
  • a e.g. Sputtered coating at room temperature is nearly amorphous.
  • the annealing step forms nanocrystallites, thereby improving the photoluminescent properties.
  • the annealing step produces broadband photoluminescence over the entire visible spectral range.
  • the optical layer properties are improved and the effective reflection of the antireflection coating is reduced. This additionally increases the efficiency of the solar cell.
  • the doping from the zinc sulfide layer also contributes to a doping of the second layer consisting of magnesium fluoride, which likewise contributes to the luminescence in this way.
  • the annealing is carried out at a temperature of about 400 ° C to 450 ° C, in particular at about 410 ° C to 430 ° C, preferably over a period of 5 to 30 minutes, more preferably via a Time from about 8 to 12 minutes.
  • the application of a doped antireflection coating preferably comprises at least one sputtering process for the application of a doped layer.
  • at least one first layer of doped zinc sulfide and at least one second layer of magnesium fluoride are applied by a sputtering process or evaporation process.
  • FIG. 1 shows a cross section through a solar cell according to the invention
  • FIG. 4 is a SIMS depth profile of manganese doped antireflection coatings showing the manganese concentration over the layer depth;
  • FIG. 6 shows the reflection of a solar cell according to the invention in two variants according to FIG. 5 in comparison to a solar cell with a conventional antireflection coating and
  • FIG 7 shows the external quantum efficiency EQE and the reflection R as well as the internal quantum efficiency of two solar cells according to the invention and a conventional solar cell with undoped ZnS layer in the DLAR layer.
  • a solar cell according to the invention is shown in cross-section and generally designated by the numeral 10.
  • it is a PERC solar cell, as basically disclosed in Blakers et al., "22.8% efficient Silicon solar cell", Appl. Phys. Lett. 55, 1363 (1989).
  • the solar cell 10 is provided with an antireflection coating according to the invention, which consists of two layers, a first layer 24 and a second layer 26.
  • the solar cell 10 has a p-type region made of a silicon wafer with a sheet resistance R s of 0.2 ohms / sq. Above this is a layer 22 of a masking oxide.
  • the emitter area is 2x2 cm 2 .
  • An oven emitter with a R sheet of 100 ohms / sq. forms the n-type region 20.
  • the emitter on the front side of the solar cell 10 is contacted by finger contacts 28 through the opened masking oxide or passivation oxide 22.
  • the rear side of the solar cell 10 has an aluminum layer 16 with point contacts 18, which are introduced through a passivation oxide layer 14.
  • the layer thickness of the passivation oxide layer 14 on the rear side is approximately 110 nm.
  • the passivation oxide layer 22 over the emitter surface is returned by etching to a layer thickness between approximately 17 and 31 nm.
  • an antireflection coating consisting of the first layer 24 and the second layer 26 is now applied to the front side.
  • the antireflection coating consists of a zinc sulfide layer followed by a magnesium fluoride, according to the invention, the zinc sulfide layer is doped with manganese. This doping gives rise to a luminescent antireflection coating, as will be explained below.
  • Fig. 2 shows the reflection of the sunlight on a conventional solar cell with double-layered antireflection coating and the spectral power of the solar spectrum AM1.5G in a conventional solar cell. It can be seen that the reflection of the solar cell at wavelengths below 400 nm increases sharply, whereby the absorption in the solar cell is correspondingly reduced and thus this part of the solar spectrum remains largely unused in the UV range.
  • this short-wave fraction of the sunlight is converted into longer-wave light in the more usable wavelength range between approximately 400 and 1000 nm.
  • the first layer 22 of manganese-doped zinc sulfide (ZnS: Mn) absorbs the short-wavelength light and, as an isotropic spherical radiator, emits the converted, longer-wavelength light.
  • ZnS manganese-doped zinc sulfide
  • the combination of the antireflection coating, in particular a ZnS / MgF 2 antireflection coating with a luminescence by doping, in particular by manganese, copper, tin, silver or gold doping can be used particularly advantageously in the solar cell 10.
  • the doped first layer 24 of ZnS: Mn is advantageously applied by sputtering (sputtering) of a sintered ZnS: Mn target.
  • sputtering sputtering
  • a ZnS: Mn thin film can be reproducibly applied with a precise layer thickness in the nanometer range.
  • the application of a ZnS.Mn layer by cathode sputtering is a basically known method in the art and can be easily integrated into existing processes.
  • the manganese concentration in the day corresponds to about 5 wt .-%. This also corresponds approximately to the proportion of manganese in the applied first layer.
  • the second layer of magnesium fluoride can be advantageously applied by sputtering or evaporation in a high vacuum.
  • solar cells basically require an annealing step for passivation and for contact formation with the metal contacts.
  • Such an annealing step is also carried out for the inventive antireflection coating of the first and the second layer 24, 26. It has been shown that the execution of the annealing step after the application of the second Layer is particularly advantageous.
  • the room-sputtered first layer is nearly amorphous.
  • the annealing step forms nanocrystallites, which significantly improve photoluminescence.
  • the tempering step results in broadband photoluminescence over the entire spectral range, which is not due solely to the manganese-doped zinc sulfide layer 24.
  • the annealing further improves the optical layer properties and reduces the effective reflection of the antireflection coating 24, 26.
  • the efficiency of the solar cell 10 is improved.
  • the efficiency of the solar cell 10 is improved by the multi-layer antireflection coating 24, 26 by total reflection at the boundary layers ZnS: Mn / MgF 2 and MgF 2 , since only photons that at an opening angle of 22.9 ° to the incident light Emitted side, the antireflection coating 24, 26 can leave. All other photons are reflected into the solar cell 10 and thus can contribute to energy use.
  • Fig. 4 shows one of the causes of broadband photoluminescence.
  • the secondary ion mass spectrometric measurement (SIMS) shown shows the manganese concentration over the profile depth of the antireflection coating.
  • the first layer in the range 0 to 10 nm is the MgF 2 layer.
  • In the range of 1 10 to 160 nm is the manganese-doped zinc sulfide layer.
  • the annealing after MgF 2 application causes manganese to diffuse out of ZnS: Mn into the overlying MgF 2 layer.
  • the diffusion of manganese into the magnesium fluoride layer 26 is significantly improved when the annealing step is performed after the application of the magnesium fluoride layer, as shown in FIG.
  • the photoluminescence is particularly favorably influenced by an excitation with a UV laser of 325 nm when the annealing step is carried out after the application of the magnesium fluoride layer (see the solid curve which shows a broadband photoluminescence shows the entire usable area). If a tempering takes place before the application of the magnesium fluoride layer, the result is significantly less luminescence (see dashed curve). If only one magnesium fluoride layer is applied to the zinc sulfide layer without a manganese Although doping of the zinc sulfide layer also results in a certain photoluminescence when the magnesium fluoride layer is tempered after the application, this is not as advantageous as in the case of the solar cell according to the invention.
  • Table 1 shows the key figures of three different PERC solar cells in comparison, independently confirmed by the Fraunhofer ISE CalLab. Listed are the effective reflection f? e ff, the short-circuit current density J S c, the no-load voltage Voc, the fill factor FF and the efficiency ⁇ .
  • the annealing step was carried out after deposition of the second layer of MgF 2 .
  • no annealing step took place after deposition of the MgF 2 layer.
  • the associated photoluminescence and reflection measurements on these solar cells as a function of the wavelength are shown in FIGS. 5 and 6.
  • the two solar cells in which the annealing step was carried out after deposition of the application of the second layer 26 of MgF 2 (solid curve with manganese doping in Figures 5 and 6, as well as dash-dotted curve without manganese doping) have in comparison to the solar cell in which Tempering step before the deposition of magnesium fluoride took place (dashed curve), a lower effective reflection Reff (reflection folded with solar spectrum) on.
  • the optical properties of the antireflection coating 24, 26 change due to the annealing step, the reflection curves become flatter.
  • the two solar cells, which were annealed after application of the magnesium fluoride have an identical no-load voltage V 0 c and almost the same fill factor FF. Despite even less effective reflection R ef f of the solar cell with manganese-doped antireflection coating, the short-circuit current density J sc and the resulting efficiency ⁇ are greater.
  • the internal quantum efficiency measurement (FIG. 7) likewise confirms an increased efficiency in the UV range.
  • the luminescence behavior of the anti-reflection coating with manganese doping makes it possible to achieve an additional efficiency gain.
  • Fig. 7 shows the external quantum efficiency EQE (rectangles), the reflection R (triangles), and - in the inset - the calculated internal quantum efficiency IQE (circles) for the three solar cells according to Tab. 1. From the EQE characteristics and the reflection characteristics, two points become clear: i) annealing the antireflection coating reduces the reflection and increases the EQE and ii) by the manganese doping of the antireflection coating, the EQE improves in the short-wave and ultraviolet wavelength range. The IQE characteristics in the inset clarify the profit by the manganese-doped antireflection layer.
  • the solar cell with tempered and doped antireflection layer has an increased IQE in the wavelength range 340 nm ⁇ ⁇ 420 nm.
  • IQE in the wavelength range 340 nm ⁇ ⁇ 420 nm.
  • a clear improvement of the IQE compared to the cell with undoped ZnS layer in the DLAR layer is shown.

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Abstract

Es wird eine Solarzelle mit einer lumineszierenden Antireflexbeschichtung (24, 26) angegeben, die vorzugsweise aus einer ersten mit Mangan dotierten Schicht (24) aus Zinksulfid und aus einer zweiten Schicht (26) aus Magnesiumfluorid besteht. Durch die Lumineszenz wird die bei herkömmlichen Solarzellen zum großen Teil ungenutzte Strahlung im UV-Bereich in ein längerwelliges Licht umgesetzt, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird.

Description

Solarzelle mit Antireflexbeschichtunq und Verfahren zur Herstellung einer solchen
[0001] Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einer Antireflexbeschichtung.
[0002] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle.
[0003] Effiziente Solarzellen benötigen gemäß dem Stand der Technik eine Antireflexbeschichtung, die es der Solarzelle ermöglicht, das einfallende Licht möglichst weitgehend zu absorbieren.
[0004] Aus Zhao et al. "Optimized Antireflection Coatings for High-Efficiency Silicon Solar Cells", IEEE Trans. El. Devices 38, 1925 (1991 ) ist eine zweilagige Antire- flexbeschichtung für eine Solarzelle bekannt, bestehend aus einem zweilagigen Schichtverband aus Zinksulfid (ZnS) und Magnesiumfluorid (MgF2).
[0005] Durch einen derartigen zweilagigen Aufbau einer Antireflexbeschichtung lässt sich zwar eine gewisse Wirkungsgradsteigerung erzielen, jedoch zeigt es sich, dass die Reflexion bei Wellenlängen unterhalb von 400 nm stark ansteigt und somit die Absorption des Sonnenlichts in der Solarzelle in diesem Frequenzbereich zu etwa mehr als der Hälfte aufgrund der hohen Reflexion nicht in die Solarzelle gelangen kann. Auch wenn der Wellenlängenbereich unterhalb von 400 nm nur etwa 4,6 % der Gesamtleistung des Sonnenspektrums ausmacht, so geht doch ein Teil der Strahlungsenergie ungenutzt verloren, wodurch der Wirkungsgrad der Solarzelle sinkt.
[0006] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Solarzelle zu schaffen, die einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist. Insbesondere soll dies durch eine verbesserte Antireflexbeschichtung erzielt werden.
[0007] Ferner soll ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle angegeben werden.
[0008] Diese Aufgabe wird durch eine Solarzelle mit einer lumineszierenden Antireflexbeschichtung gelöst.
[0009] Durch die Lumineszenz der Antireflexbeschichtung kann kurzwelliges Licht, das sonst ungenutzt verlorengehen würde, in langwelligeres Licht umgesetzt werden, das von der Solarzelle absorbiert werden kann. Insbesondere absorbiert die Antireflexbeschichtung Licht im Wellenlängenbereich unterhalb von 400 nm und emittiert im langwelligeren Bereich, insbesondere im Bereich oberhalb von 400 nm. Auf diese Weise kann das im kurzwelligen Bereich zu einem großen Teil durch Reflexion ungenutzte kurzwellige Spektrum des Sonnenlichts zu einem größeren Teil in langwelligeres Licht umgesetzt werden, das von der Solarzelle genutzt werden kann.
[0010] Die Solarzelle umfasst vorzugsweise zumindest eine Schicht mit Zinksulfid, das durch eine Dotierung lumineszierend ist. [0011] Die Dotierung kann hierbei insbesondere zumindest ein Element enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mangan, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Aluminium, Indium, Blei, Europium, Phosphor, Chlor, Brom und lod besteht. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Dotierungen, ggf. auch in Verbindung mit anderen Schichten denkbar.
[0012] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Antireflex- beschichtung eine erste Schicht aus Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht aus Magnesiumfluorid auf, von denen zumindest die erste Schicht, vorzugsweise beide Schichten, dotiert sind.
[0013] Die erste Schicht aus Zinksulfid weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 20 bis 50 nm, vorzugsweise von 30 bis 46 nm auf.
[0014] Die zweite Schicht aus Magnesiumfluorid weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 80 bis 150, vorzugsweise von 100 bis 130 nm auf.
[0015] Mit der Verwendung einer mehrlagigen Antireflexbeschichtung ist ein weiterer Vorteil der Erfindung verbunden: Durch eine Totalreflexion an der Grenze zwischen der ersten und der zweiten Schicht, insbesondere am Übergang von einer mit Mangan dotierten Zinksulfidschicht und einer Magnesiumfluoridschicht, und andererseits am Übergang zwischen einer Magnesiumfluoridschicht und Luft kann das konvertierte, langwellige Licht aus der mit Mangan dotierten Zinksulfidschicht nur zu einem sehr geringen Anteil die Antireflexbeschichtung wieder verlassen. Lediglich Photonen, die in einem Öffnungswinkel von 22,9° zur lichteinfallenden Seite emittiert werden, können den Schichtverbund verlassen. Alle anderen Photonen werden in die Solarzelle reflektiert. Auf diese Weise gehen höchstens etwa 4 % der konvertierten Strahlung verloren, was gleichfalls zur Wirkungsgradsteigerung der Solarzelle beiträgt.
[0016] Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle kann es sich um eine sog. PERC-Solarzelle handeln ("Passivated Emitter and Rear Cell"), wie sie aus Blakers et al. "22.8 % efficient Silicon solar cell", Appl. Phys. Lett, 55, 1363 (1989) grundsätzlich bekannt ist. Eine solche PERC-Solarzelle wird mit der erfindungsgemäßen Antireflexbeschichtung versehen. [0017] Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Antireflexbeschichtung jedoch für alle Arten von Solarzellen, also nicht nur für monokristalline Zellen, sondern auch für polykristalline oder mikrokristalline Solarzellen, sowie für Dünnschicht- Solarzellen, auch aus anderen Basismaterialien als Silizium.
[0018] Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum Passivieren einer Solarzelle gelöst, bei dem eine lumineszierende Antireflexbeschichtung auf einer Vorderseite der Solarzelle appliziert wird.
[0019] Auch auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung vollständig gelöst.
[0020] In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird eine Antireflexbeschichtung appliziert, die zumindest eine Schicht mit einem Sulfid, insbesondere Zinksulfid, oder Zinkoxid enthält, die durch eine Dotierung lumineszierend ist.
[0021] Weiter bevorzugt enthält die Dotierung zumindest ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mangan, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Aluminium, Indium, Blei, Europium, Phosphor, Chlor, Brom und lod besteht. Bevorzugt kann die Dotierung auch mehrere dieser Elemente enthalten.
[0022] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest eine erste Schicht aus dotiertem Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht aus Magnesium- fluorid als Antireflexbeschichtung appliziert.
[0023] Durch einen solchen doppelschichtigen Aufbau der Antireflexbeschichtung wird der Wirkungsgrad weiter gesteigert, da insbesondere durch Totalreflexion an den Grenzschichten die von den lumineszierenden Schichten emittierten Photonen weitgehend an einem Austritt aus der Solarzelle gehindert werden und somit in der Solarzelle absorbiert werden.
[0024] In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird die Solarzelle nach dem Applizieren der Antireflexbeschichtung getempert. [0025] Durch diesen Schritt ergeben sich weitere besonders vorteilhafte Eigenschaften.
[0026] Eine z.B. bei Raumtemperatur durch Sputtern aufgebrachte Schicht ist nahezu amorph. Durch den Temperschritt bilden sich Nanokristallite, wodurch die photo- lumineszierenden Eigenschaften verbessert werden. Durch den Temperschritt entsteht eine breitbandige Photolumineszenz über den gesamten sichtbaren Spektralbereich. Außerdem werden die optischen Schichteigenschaften verbessert und die effektive Reflexion der Antireflexbeschichtung reduziert. Somit erhöht sich zusätzlich der Wirkungsgrad der Solarzelle.
[0027] Es hat sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Temperung erst nach dem Applizieren der letzten Schicht durchgeführt wird.
[0028] Hierdurch ergibt sich ein weiter verbesserter Wirkungsgrad. Bei geeigneter Verfahrensführung trägt die Dotierung aus der Zinksulfidschicht auch zu einer Dotierung der zweiten aus Magnesiumfluorid bestehenden Schicht bei, die auf diese Weise gleichfalls zur Lumineszenz beiträgt.
[0029] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Temperung bei einer Temperatur von etwa 400 °C bis 450 °C, insbesondere bei etwa 410 °C bis 430 °C, vorzugsweise über eine Zeit von 5 bis 30 Minuten, weiter bevorzugt über eine Zeit von etwa 8 bis 12 Minuten.
[0030] Es hat sich gezeigt, dass mit einer derartigen Verfahrenführung eine besonders gute Diffusion erzielt werden kann, und dass die optischen Schichteigenschaften besonders vorteilhaft beeinflusst werden können.
[0031] Wie bereits vorstehend erwähnt, umfasst die Applizierung einer dotierten Antireflexbeschichtung vorzugsweise zumindest einen Sputtervorgang zur Applikation einer dotierten Schicht. [0032] Hierbei wird vorzugsweise zumindest eine erste Schicht aus dotiertem Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht aus Magnesiumfluorid durch einen Sputter- vorgang oder Verdampfungsvorgang appliziert.
[0033] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung der Erfindung verwendbar sind.
[0034] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Solarzelle;
Fig. 2 die Reflexion an einer herkömmlichen Solarzelle mit doppellagiger
Antireflexbeschichtung und die spektrale Leistung des Sonnenspektrums AM1.5G;
Fig. 3 die Lumineszenz von Antireflexbeschichtungen mit und ohne Mangandotierung in Abhängigkeit von der Wellenlänge und dem Zeitpunkt des Temperschritts vor und nach Aufbringung der MgF2-Schicht;
Fig. 4 ein SIMS-Tiefenprofil von Antireflexbeschichtungen mit Mangandotierung, wobei die Mangankonzentration über der Schichttiefe gezeigt ist;
Fig. 5 die Lumineszenz einer erfindungsgemäßen Solarzelle in zwei Varianten im Vergleich zum Stand der Technik, in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
Fig. 6 die Reflexion einer erfindungsgemäßen Solarzelle in zwei Varianten gemäß Fig. 5 im Vergleich zu einer Solarzelle mit einer herkömmlichen Antireflexionsbeschichtung und Fig. 7 die externe Quantenausbeute EQE und die Reflexion R sowie die daraus berechnete interne Quantenausbeute von zwei erfindungsgemäßen Solarzellen und einer herkömmlichen Solarzelle mit undotierter ZnS- Schicht in der DLAR-Schicht.
[0035] In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Solarzelle im Querschnitt dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine PERC-Solarzelle, wie sie grundsätzlich aus Blakers et al., "22.8 % efficient Silicon solar cell", Appl. Phys. Lett, 55, 1363 (1989) bekannt ist.
[0036] Die Solarzelle 10 ist mit einer erfindungsgemäßen Antireflexbeschichtung versehen, die aus zwei Schichten, einer ersten Schicht 24 und einer zweiten Schicht 26, besteht.
[0037] Die Solarzelle 10 weist einen aus einem Silizium-Wafer hergestellten p- Typ-Bereich mit einem Schichtwiderstand RSheet von 0.2 Ohm/sq auf. Darüber befindet sich eine Schicht 22 aus einem Maskieroxid. Die Emitterfläche beträgt 2x2 cm2. Ein Ofen- Emitter mit einem Rsheet von 100 Ohm/sq. formt das n-Typ Gebiet 20. Der Emitter auf der Vorderseite der Solarzelle 10 ist durch Fingerkontakte 28 durch das geöffnete Maskieroxid oder Passivieroxid 22 kontaktiert. Die Rückseite der Solarzelle 10 weist eine Aluminiumschicht 16 mit Punktkontakten 18 auf, die durch eine Passivieroxidschicht 14 eingebracht sind. Die Schichtdicke der Passivieroxidschicht 14 auf der Rückseite beträgt etwa 1 10 nm. Die Passivieroxidschicht 22 über der Emitterfläche ist durch Ätzung auf eine Schichtdicke zwischen etwa 17 und 31 nm zurückgeführt.
[0038] Soweit ist der Aufbau der Solarzelle 10 grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß ist nun auf die Vorderseite eine Antireflexbeschichtung bestehend aus der ersten Schicht 24 und der zweiten Schicht 26 aufgebracht.
[0039] Während dem Stand der Technik bei einer solchen PERC-Solarzelle die Antireflexbeschichtung aus einer Zinksulfidschicht gefolgt von einer Magnesiumfluorid besteht, ist erfindungsgemäß die Zinksulfidschicht mit Mangan dotiert. Durch diese Dotierung entsteht eine lumineszierende Antireflexbeschichtung, wie im Folgenden noch weiter ausgeführt wird. [0040] Fig. 2 zeigt die Reflexion des Sonnenlichts an einer herkömmlichen Solarzelle mit doppellagiger Antireflexbeschichtung und die spektrale Leistung des Sonnenspektrums AM1.5G bei einer herkömmlichen Solarzelle. Es ist ersichtlich, dass die Reflexion der Solarzelle bei Wellenlängen unterhalb von 400 nm stark ansteigt, wodurch die Absorption in der Solarzelle entsprechend verringert wird und somit dieser Teil des Sonnenspektrums im UV-Bereich weitgehend ungenutzt bleibt.
[0041] Durch die erfindungsgemäße lumineszierende Antireflexbeschichtung wird dieser kurzwellige Anteil des Sonnenlichtes in längerwelliges Licht im besser verwertbaren Wellenlängenbereich zwischen etwa 400 und 1000 nm umgesetzt. Die erste Schicht 22 aus mit Mangan dotiertem Zinksulfid (ZnS:Mn) absorbiert das kurzwellige Licht und emittiert als isotroper Kugelstrahler das konvertierte langwelligere Licht. Erfindungsgemäß lässt sich bei der Solarzelle 10 die Kombination aus der Antireflexbeschichtung, insbesondere einer ZnS/MgF2-Antireflexbeschichtung mit einer Lumineszenz durch Dotierung, insbesondere durch Mangan-, Kupfer-, Zinn-, Silber- oder Golddotierung, besonders vorteilhaft nutzen.
[0042] Die dotierte erste Schicht 24 aus ZnS:Mn wird vorteilhaft durch Sputtern (Kathodenzerstäubung) eines gesinterten ZnS:Mn-Targets appliziert. Dadurch kann eine ZnS:Mn-Dünnschicht reproduzierbar mit einer präzisen Schichtdicke im Nanometerbe- reich appliziert werden. Die Applikation einer ZnS.Mn-Schicht durch Kathodenzerstäubung ist eine im Stand der Technik grundsätzlich bekannte Methode und lässt sich einfach in bestehende Prozesse integrieren. Die Mangankonzentration im Tage entspricht etwa 5 Gew.-%. Dies entspricht auch etwa dem Anteil des Mangans in der applizierten ersten Schicht.
[0043] Auch die zweite Schicht aus Magnesiumfluorid kann vorteilhaft durch Sputtern oder Verdampfen im Hochvakuum aufgetragen werden.
[0044] Solarzellen benötigen bei der Herstellung als letzten Prozessschritt grundsätzlich einen Temperschritt zur Passivierung und zur Kontaktbildung zu den Metallkontakten. Ein solcher Temperschritt wird auch für die erfindungsgemäße Antireflexbeschichtung aus der ersten und der zweiten Schicht 24, 26 durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass die Durchführung des Temperschritts nach der Auftragung der zweiten Schicht besonders vorteilhaft ist. Die bei Raumtemperatur gesputterte erste Schicht ist nahezu amorph. Durch den Temperschritt bilden sich Nanokristallite, durch welche die Photolumineszenz wesentlich verbessert wird. Durch den Temperschritt ergibt sich eine breitbandige Photolumineszenz über den gesamten Spektralbereich, die nicht nur auf die mit Mangan dotierte Zinksulfidschicht 24 zurückzuführen ist. Durch das Tempern werden weiterhin die optischen Schichteigenschaften verbessert und die effektive Reflexion der Antireflexbeschichtung 24, 26 vermindert. Somit wird zusätzlich der Wirkungsgrad der Solarzelle 10 verbessert.
[0045] Gleichfalls wird durch die mehrlagige Antireflexbeschichtung 24, 26 durch Totalreflexion an den Grenzschichten ZnS:Mn/MgF2 und MgF2/Luft der Wirkungsgrad der Solarzelle 10 verbessert, da nur Photonen, die in einem Öffnungswinkel von 22,9° zur lichteinfallenden Seite emittiert werden, die Antireflexbeschichtung 24, 26 verlassen können. Alle anderen Photonen werden in die Solarzelle 10 reflektiert und können somit zur Energienutzung beitragen.
[0046] Fig. 4 zeigt eine der Ursachen für die breitbandige Photolumineszenz. Die dargestellte Sekundärionenmassenspektometriemessung (SIMS) zeigt die Mangankonzentration über die Profiltiefe der Antireflexbeschichtung. Die erste Schicht im Bereich 0 bis 1 10 nm ist die MgF2-Schicht. Im Bereich von 1 10 bis 160 nm befindet sich die mangandotierte Zinksulfidschicht. Anschließend folgt das sehr dünne Passivieroxid der Schicht 22 und der Silizium-Wafer (Schicht 12). Es ist ersichtlich, dass durch die Temperung nach der MgF2-Applikation Mangan aus ZnS:Mn in die darüberliegende MgF2- Schicht diffundiert. Die Diffusion von Mangan in die Magnesiumfluoridschicht 26 wird deutlich verbessert, wenn der Temperschritt nach der Applikation der Magnesiumfluoridschicht durchgeführt wird, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist.
[0047] Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Photolumineszenz bei einer Anregung mit einem UV-Laser von 325 nm besonders günstig beeinflusst wird, wenn der Temperschritt nach der Applikation der Magnesiumfluoridschicht durchgeführt wird (vgl. ausgezogene Kurve, die eine breitbandige Photolumineszenz über den gesamten nutzbaren Bereich zeigt). Erfolgt eine Temperung vor der Applikation der Magnesiumfluoridschicht, so ergibt sich eine deutlich geringere Lumineszenz (vgl. gestrichelte Kurve). Wird nur eine Magnesiumfluoridschicht auf die Zinksulfidschicht appliziert ohne eine Mangan- dotierung der Zinksulfidschicht, so ergibt sich zwar auch eine gewisse Photolumineszenz, wenn nach der Applikation der Magnesiumfluoridschicht getempert wird, jedoch ist diese nicht so vorteilhaft wie bei der erfindungsgemäßen Solarzelle.
[0048] Tabelle 1 zeigt die Kennzahlen von drei verschiedenen PERC- Solarzellen im Vergleich, unabhängig bestätigt vom Fraunhofer ISE CalLab. Aufgeführt sind die effektive Reflexion f?eff, die Kurzschlussstromdichte JSc, die Leerlaufspannung Voc der Füllfaktor FF und der Wirkungsgrad η. Bei Zelle 1 mit Mn-dotierter Antireflex- schicht und bei Zelle 2 ohne dotierte Antireflexschicht erfolgte der Temperschritt nach Abscheidung der zweiten Schicht aus MgF2. Bei Zelle 3 mit Mn-dotierter Antireflexschicht erfolgte kein Temperschritt nach Abscheidung der MgF2 Schicht. Die zugehörigen Photolumineszenz- und Reflexionsmessungen an diesen Solarzellen in Abhängigkeit von der Wellenlänge sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt.
[0049] Die beiden Solarzellen, bei denen der Temperschritt nach Abscheidung der Applikation der zweiten Schicht 26 aus MgF2 erfolgte (durchgezogene Kurve mit Mangandotierung in den Figuren 5 und 6, sowie strichpunktierte Kurve ohne Mangandotierung) weisen im Vergleich zur Solarzelle, bei der der Temperschritt vor der Abscheidung des Magnesiumfluorids erfolgte (gestrichelte Kurve), eine geringere effektive Reflexion Reff (Reflexion gefaltet mit Sonnenspektrum) auf. Die optischen Eigenschaften der Antireflexbeschichtung 24, 26 verändern sich durch den Temperschritt, die Reflexionskurven werden flacher. Die beiden Solarzellen, die nach Aufbringung des Magnesiumfluorids getempert wurden, weisen eine identische Leerlaufspannung V0c auf und nahezu denselben Füllfaktor FF. Trotz sogar schlechterer effektiver Reflexion Reff der Solarzelle mit mangandotierter Antireflexbeschichtung ist die Kurzschlussstromdichte Jsc und der daraus resultierende Wirkungsgrad η größer.
[0050] Die interne Quanteneffizienzmessung (Fig. 7) bestätigt ebenfalls eine erhöhte Effizienz im UV Bereich. Durch das Lumineszenzverhalten der Antireflexbeschichtung mit Mangandotierung lässt sich ein zusätzlicher Wirkungsgradgewinn erzielen. Zelle Reff Jsc Voc FF η Mn in
[%} [mA/cm2] [mV] ZnS
[%] [%]
1 6,53 37,1 664 78,3 19,3 ja
2 6,43 36,9 664 78,0 19,1 nein
3 6,94 36,2 662 77,8 18,6 ja
Tab. 1
[0051] Fig. 7 zeigt die externe Quantenausbeute EQE (Rechtecke), die Reflexion R (Dreiecke), sowie - im Inset - die daraus berechnete interne Quantenausbeute IQE (Kreise) für die drei Solarzellen gemäß Tab. 1. Aus den EQE-Kennlinien und den Reflexionskennlinien werden zwei Punkte deutlich: i) Tempern der Antireflexbe- schichtung reduziert die Reflexion und erhöht die EQE und ii) durch die Mangandotierung der Antireflexbeschichtung verbessert sich die EQE im kurzwelligen und ultravioletten Wellenlängenbereich. Die IQE-Kennlinien im Inset verdeutlichen den Gewinn durch die mangandotierte Antireflexschicht. Die Solarzelle mit getemperter und dotierter Antireflexschicht weist im Wellenlängenbereich 340 nm < λ < 420 nm eine erhöhte IQE auf. Insbesondere im Bereich der Bandlücke von nanokristallinem ZnS bei 353 nm < λ < 365 nm zeigt sich eine deutliche Verbesserung der IQE gegenüber der Zelle mit undotierter ZnS Schicht in der DLAR Schicht.

Claims

Patentansprüche
1. Solarzelle mit einer Antireflexbeschichtung (24, 26), dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexbeschichtung (24, 26) lumineszierend ist.
2. Solarzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexbeschichtung (24, 26) kurzwelliges Licht, insbesondere Licht im Wellenlängenbereich unterhalb von 400 Nanometer absorbiert und langwelligeres Licht, insbesondere im Bereich oberhalb von 400 Nanometer, emittiert.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexbeschichtung (24, 26) zumindest eine Schicht (24) mit einem Sulfid, insbesondere Zinksulfid, oder Zinkoxid enthält, die durch eine Dotierung lumineszierend ist.
4. Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung zumindest ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mangan, Kupfer, Zinn, Silber, Gold, Aluminium, Indium, Blei, Europium, Phosphor, Chlor, Brom und lod besteht.
5. Solarzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexbeschichtung (24, 26) eine erste Schicht (24) aus Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht (26) aus Magnesiumfluorid aufweist, von denen zumindest die erste Schicht (24), vorzugsweise beide Schichten (24, 26), dotiert sind.
6. Solarzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (24) aus Zinksulfid eine Schichtdicke im Bereich von 20 bis 50 Nanometer, vorzugsweise von 30 bis 46 Nanometer aufweist.
7. Solarzelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (26) aus Magnesiumfluorid eine Schichtdicke im Bereich von 80 bis 150, vorzugsweise von 110 bis 130 Nanometer aufweist.
8. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Solarzelle als PERC-Solarzelle ausgebildet ist.
9. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die erste Schicht mit 0, 1-10 Gew.-% dotiert ist, vorzugsweise mit 3-7 Gew.-%, besonders bevorzugt mit etwa 4-6 Gew.-%.
10. Verfahren zum Passivieren einer Solarzelle (10), bei dem eine lumineszierende Antireflexbeschichtung (24, 26) auf einer Vorderseite der Solarzelle appliziert wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Antireflexbeschichtung appliziert wird, die zumindest eine Schicht (24) mit einem Sulfid, insbesondere Zinksulfid, oder Zinkoxid enthält, die durch eine Dotierung lumineszierend ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , bei dem die Dotierung zumindest ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mangan, Kupfer, Zinn, Silber und Gold besteht.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem zumindest eine erste Schicht (24) aus dotiertem Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht (26) aus Magnesiumfluorid als Antireflexbeschichtung appliziert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Solarzelle (10) nach dem Applizieren der Antireflexbeschichtung getempert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Temperung nach dem Applizieren der letzten Schicht (26) durchgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Temperung bei einer Temperatur von 400 °C bis 450 °C, insbesondere etwa 410° bis 430 °C, vorzugsweise über eine Zeit von 5 bis 15 Minuten, weiter bevorzugt über eine Zeit von etwa 8 bis 12 Minuten, durchgeführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem die Applizierung einer dotierten Antireflexbeschichtung (24, 26) zumindest einen Sputtervorgang zur Applikation einer dotierten Schicht (24) umfasst.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem zumindest erste Schicht (24) aus dotiertem Zinksulfid und zumindest eine zweite Schicht (26) aus Magnesiumfluorid durch einen Sputter- oder Verdampfungsvorgang appliziert werden.
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