DE102008047162A1

DE102008047162A1 - Rückkontaktsolarzelle mit integrierter Bypass-Diode sowie Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102008047162A1
Application number: DE102008047162A
Authority: DE
Inventors: Nils-Peter Dr. Harder
Original assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Current assignee: HARDER, NILS-PETER, DR., 31787 HAMELN, DE
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2010-03-25
Also published as: WO2010029180A1; DE102008047162A8

Abstract

Es wird eine Rückkontaktsolarzelle vorgeschlagen, bei der in einem Halbleitersubstrat 1 entlang einer Rückseitenoberfläche Basisbereiche 7, Emitterbereiche 5, Bypassdiodenemitterbereiche 13 und Bypassdiodenbasisbereiche 11 ausgebildet sind. Die Bypassdiodenemitterbereiche und die Bypassdiodenbasisbereiche 13, 11 bilden eine in das Halbleitersubstrat 1 integrierte Bypassdiode und sind von benachbarten Emitter- und Basisbereichen 5, 7 elektrisch getrennt. Ermitterkontakte kontaktieren sowohl die Emitterbereiche 5 als auch die Bypassdiodenbasisbereiche 11. Basiskontakte 19 kontaktieren sowohl die Basisbereiche 7 als auch die Bypassdiodenemitterbereiche 13. Aufgrund der integrierten Bypassdiodenbereiche 9 und der entsprechenden Verschaltung mit den Emitter- und Basiskontakten 19, 21 kann auf diese Weise eine Rückkontaktsolarzelle mit integrierter Bypassdiode in einfacher Weise hergestellt werden.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rückkontaktsolarzelle mit integrierter Bypass-Diode sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Rückkontaktsolarzelle.
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 behindert bzw. 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 separate 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 Rückkontaktsolarzelle vorgeschlagen, bei der ein Halbleitersubstrat Basisbereiche, Emitterbereiche, Bypassdiodenbasisbereiche und Bypassdiodenemitterbereiche entlang einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats aufweist. Die Basisbereiche und die Bypassdiodenbasisbereiche weisen einen Basis-Halbleitertyp, beispielsweise p-Typ, auf, wohingegen die Emitterbereiche und die Bypassdiodenemitterbereiche einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp, beispielsweise n-Typ, aufweisen. Die Bypassdiodenemitterbereiche sind von den Emitterbereichen durch dazwischen liegende Bereiche elektrisch getrennt, sodass im Normalbetrieb der Solarzelle keine Ladungsträger zwischen den Bypassdiodenemitterbereichen und den Emitterbereichen fließen können. Die dazwischen liegenden Bereiche können dabei beispielsweise Bereiche des Halbleitersubstrates vom Basis-Halbleitertyp sein. Die Bypassdiodenbasisbereiche sind von den Basisbereichen durch umgebende Bypassdiodenemitterbereiche ebenfalls elektrisch getrennt. Die Rückkontaktsolarzelle weist ferner Emitterkontakte zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche und der Bypassdiodenbasisbereiche sowie Basiskontakte zur elektrischen Kontaktierung der Basisbereiche und der Bypassdiodenemitterbereiche auf.
Dieser erste Aspekt der vorliegenden Erfindung kann als auf der folgenden Idee basierend angesehen werden: Bei der beschriebenen Rückkontaktsolarzelle sind an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats nicht nur wie bei herkömmlichen Rückkontaktsolarzellen Basisbereiche und Emitterbereiche vorgesehen, sondern zusätzlich sind neben bzw. zwischen benachbarten Basis- und Emitterbereichen sogenannte Bypassdiodenbereiche vorgesehen. Diese Bypassdiodenbereiche weisen einen Bypassdiodenemitterbereich und einen Bypassdiodenbasisbereich auf. Der Bypassdiodenbasisbereich wird dabei von einem Emitterkontakt elektrisch kontaktiert, der gleichzeitig auch einen benachbarten Emitterbereich kontaktiert, so dass der Bypassdiodenbasisbereich mit dem benachbarten Emitterbereich elektrisch kurzgeschlossen ist. In ähnlicher Weise wird der Bypassdiodenemitterbereich von einem Basiskontakt elektrisch kontaktiert, der gleichzeitig einen benachbarten Basisbereich kontaktiert, so dass der Bypassdiodenemitterbereich mit dem benachbarten Basisbereich kurzgeschlossen ist. Um elektrische Kurzschlüsse innerhalb der Solarzelle zu vermeiden, sind die mit einem Basiskontakt in Verbindung stehenden Bypassdiodenemitterbereiche von benachbarten Emitterbereichen durch dazwischen liegende Bereiche räumlich und insbesondere auch elektrisch getrennt. In ähnlicher Weise sind auch die mit dem Emitterkontakt in Verbindung stehenden Bypassdiodenbasisbereiche von benachbarten mit den Basiskontakten in Verbindung stehenden Basisbereichen durch umgebende Bypassdiodenemitterbereiche räumlich und insbesondere elektrisch getrennt.
Auf diese Weise kann eine von den Bypassdiodenemitterbereichen und Bypassdiodenbasisbereichen gebildete Bypassdiode an der Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats in die Rückkontaktsolarzelle integriert werden. p- und n-Typ-Bereiche der Bypass-Diode sind dabei mit den Emitterkontakten und den Basiskontakten in umgekehrter Polung verschaltet, wie die eigentlichen, Strom-sammelnden p- und n-Typ-Bereiche der Basis und des Emitters der Rückkontaktsolarzelle. Mit anderen Worten ist die pn-Diode, die von den Bypassdiodenemitterbereichen und den Bypassdiodenbasisbereichen gebildet wird, in umgekehrter Polung mit den Emitterkontakten und Basiskontakten verschaltet, wie die pn-Diode, die von den benachbarten Basis- und Emitterbereichen gebildet wird und die im Normalbetrieb der Solarzelle deren elektrische Leistung generieren. Da alle zu kontaktierenden Bereiche an der Rückseite der Solarzelle angeordnet sind, ist eine solche Verschaltung sehr einfach realisierbar.
Für den Fall, dass eine derart ausgebildete Rückkontaktsolarzelle innerhalb eines mehrere Solarzellen aufweisenden Strings abgeschattet würde, kann die von den Bypassdiodenemitterbereichen und Bypassdiodenbasisbereichen gebildete pn-Diode als in Durchlassrichtung geschaltete Bypass-Diode für die Rückkontaktsolarzelle wirken.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Rückkontaktsolarzelle werden im Anschluss erläutert.
Unter einer Rückkontaktsolarzelle 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 den Strom-sammelnden pn-Übergang bildenden Emitters an der Rückseitenoberfläche der Solarzelle ausgebildet und dort von den Emitterkontakten kontaktiert.
Zusätzlich zu den allgemeinen Vorteilen von Rückkontaktsolarzellen, nämlich, dass aufgrund des Verzichts auf Emitterkontakte auf der Solarzellenvorderseite Abschattungsverluste vermieden werden können 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 Rückkontaktsolarzelle bei Verschaltung von mehreren Solarzellen in Strings aufgrund der integrierten Bypassdiodebereiche den Vorteil auf, dass auf zusätzliche, extern zu verschaltende Bypassdioden verzichtet werden kann, was den Verschaltungsaufwand deutlich reduziert.
Das Halbleitersubstrat kann beispielsweise ein Silizium-Wafer sein. Es kann beispielsweise mit Bor in einer relativ geringen Dotierungskonzentration von etwa 0,01 – 5 × 10¹⁶ cm^–3 dotiert sein, so dass der Basis-Halbleitertyp 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 eventuell vorgesehenen 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 bzw. die Bypassdiodenemitterbereiche 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, wie 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 bzw. Bypassdiodenbasisbereiche 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, aufgrund der damit verbundenen Bildung von vorteilhaften Dotierungsprofilen.
Ein wesentliches Merkmal für die erfindungsgemäße Rückkontaktsolarzelle ist, dass die Bypassdiodenemitterbereiche, die mit dem Basiskontakt verbunden sind, von benachbarten Emitterbereichen, die mit dem Emitterkontakt verbunden sind, elektrisch getrennt sind. Hierzu können dazwischen liegende Bereiche vom Basis-Halbleitertyp dienen. Diese dazwischen liegenden Bereiche können beispielsweise herstellungsbedingt beim Ausbilden der Emitterbereiche und der Bypassdiodenemitterbereiche zwischen diesen verbleiben. Beispielsweise können die Emitterbereiche und die Bypassdiodenemitterbereiche in ein Halbleitersubstrat vom Basis-Halbleitertyp lokal eindiffundiert werden, beispielsweise unter Verwendung von Masken oder Fotolithographie, wobei dazwischen liegende Bereiche gegen Eindiffusion geschützt werden und somit vom Basis-Halbleitertyp verbleiben. Alternativ kann auch zunächst ein zusammenhängender Emitterbereich erzeugt werden, der anschließend durch Ausbilden von Untertrennungen in normale Emitterbereiche und Bypassdiodenemitterbereiche unterteilt wird. Die Untertrennungen können dabei beispielsweise durch lokales Entfernen von Emitter-Teilbereichen, beispielsweise durch Wegätzen oder Weglasern, oder durch lokales Überkompensieren von Emitterbereichen beispielsweise durch lokales Eindiffundieren von Dotanden des Basis-Halbleitertyps erzeugt werden.
Unter einer „elektrischen Trennung” soll hierbei verstanden werden, dass zwischen den entsprechenden Bereichen im Normalbetrieb der Solarzelle keine signifikanten Ströme, wie sie beispielsweise den Wirkungsgrad der Solarzelle negativ beeinflussen könnten, fließen können. Es kann jedoch trotz elektrischer Trennung möglich sein, dass geringfügige Ströme bzw. Stromdichten im Bereich von weniger als 0.1 mA/cm², z. B. aufgrund von Minoritätsladungsträgerströmen im Sperrsättigungsbetrieb, fließen können.
Ein weiteres wichtiges Merkmal für die erfindungsgemäße Rückkontaktsolarzelle ist, dass die mit dem Emitterkontakt verbundenen Bypassdiodenbasisbereiche von den mit dem Basiskontakt verbundenen Basisbereichen durch umgebende Bypassdiodenemitterbereiche getrennt sind. Die Bypassdiodenemitterbereiche sollten dabei die Bypassdiodenbasisbereiche vollständig umgeben, so dass kein elektrischer Kontakt zu den mit dem Basiskontakt verbundenen Basisbereichen möglich ist. Hierzu kann beispielsweise zunächst ein Bypassdiodenemitterbereich tief eindiffundiert werden und anschließend ein stärker dotierter Bypassdiodenbasisbereich in einen Teilbereich dieses Bypassdiodenemitterbereichs eindiffundiert werden und dadurch eine lokale Überkompensierung erreicht werden. Der Bypassdiodenbasisbereich kann dabei quasi wie in einer Wanne liegend von dem Bypassdiodenemitterbereich umgeben sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Bypassdiodenemitterbereiche von den Emitterbereichen durch dazwischen liegende Bereiche vom Basis- Halbleitertyp getrennt. Wie bereits oben angedeutet, ist eine solche Ausgestaltung in verfahrenstechnisch einfacher Weise herstellbar, indem in ein Halbleitersubstrat vom Basis-Halbleitertyp lokal Emitterbereiche und Bypassdiodenemitterbereiche eingebracht werden.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Rückkontaktsolarzelle können mit dem Basiskontakt in Verbindung stehende Bypassdiodenemitterbereiche direkt an den Absorber der Rückkontaktsolarzelle, der im Allgemeinen vom Basis-Halbleitertyp-artigen Halbleitersubstrat gebildet wird, angrenzen. Die dabei entstehenden Grenzflächen können wie Bereiche sehr hoher (Oberflächen- bzw. Grenzflächen-)Rekombination wirken. Um den dadurch entstehenden negativen Effekt auf die Solarzelle möglichst gering zu halten, sollte die Geometrie und Ausgestaltung der Bypassdiodenbereiche entsprechend gewählt werden. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, den Anteil der Bypassdiodenbereiche an der gesamten Rückseitenoberfläche möglichst gering zu halten, beispielsweise kleiner als 10%, vorzugsweise kleiner als 5% und stärker bevorzugt kleiner als 1% Flächenanteil.
Alternativ kann der potentiell negative Einfluss der Bypassdiodenbereiche auf den Wirkungsgrad der Solarzelle dadurch reduziert werden, dass die Rückkontaktsolarzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner Bypassdiodenumhüllungsbereiche vom Basis-Halbleitertyp aufweist, die die Bypassdiodenemitterbereiche zumindest teilweise umgeben und die eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen als daran angrenzende Bereiche des Halbleitersubstrats. Mit anderen Worten soll gemäß dieser Ausführungsform verhindert werden, dass die Bypassdiodenemitterbereiche direkt an schwach dotierte Basisbereiche des Absorbers der Rückkontaktsolarzelle angrenzen. Stattdessen sollen die Bypassdiodenemitterbereiche von stark dotierten Bypassdiodenumhüllungsbereichen vom Basis-Halbleitertyp möglichst weitgehend umhüllt werden, vorzugsweise komplett abgekapselt werden. Stark dotierte Bypassdiodenumhüllungsbereiche vom Basis-Halbleitertyp können dabei mit den stark dotierten Bereichen unten den Basiskontakten direkt in Kontakt stehen. Sie können alternativ aber auch voneinander durch schwächer dotierte Bereiche vom Basis-Halbleitertyp getrennt sein. Die Bypassdiodenumhüllungsbereiche wirken wie ein lokales BSF (Back Surface Field), das verhindern soll, dass im Absorber erzeugte Minoritätsladungsträger hin zu der Grenzfläche zu den Bypassdiodenemitterbereichen diffundieren und dort rekombinieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Bypassdiodenbereiche bzw. die darin enthaltenen Bypassdiodenemitterbereiche im Wesentlichen homogen über die Rückseitenoberfläche verteilt. Mit anderen Worten sollen die Bypassdiodenbereiche nicht auf einen kleinen Teilbereich der Rückseitenoberfläche der Solarzelle beschränkt sein, sondern sich über die gesamte Rückseitenoberfläche hin verteilen. Dies fördert einerseits eine gute, gleichmäßige Verteilung einer Dissipation von eventuell in den Bypassdioden erzeugter Wärme und ist andererseits verhältnismäßig einfach herzustellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Emitterkontakte und die Basiskontakte jeweils als längliche, kammartig ineinander greifende Finger ausgebildet.
Die Emitterbereiche und die Basisbereiche können dabei, in einer Draufsicht auf die Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats gesehen, jeweils ebenfalls eine kammartige Struktur aufweisen, bei der jeweils lineare fingerartige Emitterbereiche zu linearen fingerartigen Basisbereichen benachbart sind bzw. an diese angrenzen. Eine solche verschachtelte Struktur wird auch als „interdigitated” bezeichnet. Zwischen einzelnen Emitter- und Basisbereichen können Bypassdiodenbereiche angeordnet sein, die vorzugsweise parallel zu diesen verlaufen oder aber mit gewissen Abständen im Zwischenfingergebiet Bereiche für Bypassdioden vorgesehen sind.
Sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte können jeweils in Form einer lokalen Metallisierung beispielsweise in Form von fingerartigen 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 anderer 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.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Rückkontaktsolarzelle vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats; Ausbilden von Basisbereichen, Emitterbereichen, Bypassdiodenbasisbereichen und Bypassdiodenemitterbereichen entlang einer Rückseitenoberfläche des Halbleitersubstrats und Ausbilden von Emitterkontakten zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche und der Bypassdiodenbasisbereiche sowie von Basiskontakten zur elektrischen Kontaktierung der Basisbereiche und der Bypassdiodenemitterbereiche. Die Bypassdiodenemitterbereiche sind dabei von den Emitterbereichen durch dazwischen liegende Bereiche, vorzugsweise durch Bereiche vom Basis-Halbleitertyp, elektrisch getrennt. Die Bypassdiodenbasisbereiche sind von benachbarten Basisbereichen durch umgebende Bypassdiodenemitterbereiche elektrisch getrennt.
Die lokal verschieden dotierten Bereiche 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 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.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zuerst die Bypassdiodenemitterbereiche mit einer ersten Tiefe und einer ersten Dotierungskonzentration und dann die Bypassdiodenbasisbereiche 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 Bypassdiodenemitter gebildet, der dann lokal von einem stärker dotierten, flacheren Bypassdiodenbasisbereich lokal überkompensiert werden kann. Dabei können außerhalb der überkompensierten Bereiche tiefer gelegene Bypassdiodenemitterbereiche verbleiben, so dass ein Bypassdiodenemitterbereich einen jeweiligen Bypassdiodenbasisbereich vollständig umgibt und damit gegen sonstige Basis-Halbleitertyp-Bereiche der Solarzelle abkapselt.
Es wird angemerkt, dass die Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung hauptsächlich in Bezug auf die erfindungsgemäße Rückkontaktsolarzelle 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 und umgekehrt. 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.
1 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Rückkontaktsolarzelle mit einer integrierten Bypassdiode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Rückseite und einen vergrößerten Ausschnitt der in 1 dargestellten Rückkontaktsolarzelle entlang eines Schnitts in der Ebene A-A aus 1.
3 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Rückkontaktsolarzelle mit einer durch eine stark dotierte BSF-Schicht geschützten integrierten Bypassdiode gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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 1 im Querschnitt dargestellte erfindungsgemäße Rückkontaktsolarzelle weist ein Halbleitersubstrat 1 in Form eines Silizium-Wafers auf. An der Rückseitenoberfläche 3 des Halbleitersubstrats 1 sind sowohl Emitterbereiche 5 als auch Basisbereiche 7 ausgebildet.
Zwischen benachbarten Emitter- und Basisbereichen 5, 7 ist ein Bypassdiodenbereich 9 angeordnet, der einen Bypassdiodenbasisbereich 11 und einen Bypassdiodenemitterbereich 13 aufweist. Der Bypassdiodenbasisbereich 11 wird von dem Bypassdiodenemitterbereich umgeben und ist wannenartig innerhalb des Bypassdiodenemitterbereichs 13 aufgenommen. Sowohl der Bypassdiodenbasisbereich als auch der Bypassdiodenemitterbereich 13 sind von benachbarten Emitterbereichen 5 und Basisbereichen 7 elektrisch getrennt durch dazwischen liegende Bereiche 15 des Halbleitersubstrats 1.
An der Rückseitenoberfläche 3 des Halbleitersubstrats 1 ist eine Dielektrikumschicht 17 ausgebildet, die einerseits zur Oberflächenpassivierung der Rückseitenoberfläche 3 und andererseits zur lokalen elektrischen Isolierung zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und den über der Dielektrikumschicht 17 angeordneten Kontakten 19, 21 dient.
Ein über der Dielektrikumschicht 17 ausgebildeter Basiskontakt 19 kontaktiert durch lokale Öffnungen in der Dielektrikumschicht 7 hindurch einen Basisbereich 7 sowie einen Bypassdiodenemitterbereich 13. Ein Emitterkontakt 21 kontaktiert einen Emitterbereich 5 sowie einen Bypassdiodenbasisbereich 11. Der Basiskontakt 19 und der Emitterkontakt 21 sind nicht in direktem physikalischem Kontakt miteinander, sondern durch einen Spalt 23 voneinander getrennt.
Wie in 2 zu erkennen, verlaufen fingerförmige Emitter- und Basiskontakte 21, 19 ebenso wie die Emitter- und Basisbereiche 5, 7 parallel zueinander. Zwischen benachbarten Emitter- und Basisbereichen 5, 7 liegt ein Bypassdiodenbereich 9 mit seinem Bypassdiodenbasisbereich 11 und seinem Bypassdiodenemitterbereich 13. Der Bypassdiodenbereich 9 ist von den benachbarten Basis- und Emitterbereichen 5, 7 durch sich ebenfalls linear fingerförmig erstreckende dazwischen liegende Bereiche 15 elektrisch getrennt.
Das Halbleitersubstrat 1 weist eine Grunddotierung im Bereich von etwa 10¹⁴ bis 5 × 10¹⁶ cm^–3 auf. Die Basisbereiche 7 dienen als BSF und weisen typischerweise eine Dotierungskonzentration im Bereich von 10¹⁸ bis 5 × 10²⁰ cm^–3 auf. Die Emitterbereiche 5 bilden zusammen mit dem entgegengesetzt dotierten Halbleitersubstrat 1 den großflächigen, Strom-sammelnden pn-Übergang der Solarzelle und weisen typischerweise eine Dotierung im Bereich von 10¹⁸ bis 5 × 10²⁰ cm^–3 auf. Die Bypassdiodenemitterbereiche 13 können eine ähnliche Dotierungskonzentration und Tiefe aufweisen wie die Emitterbereiche 5 und werden vorzugsweise im selben Prozessschritt zusammen mit diesem ausgebildet. Die Bypassdiodenbasisbereiche 11 werden typischerweise durch lokale Überkompensation eines Teilbereichs eines Bypassdiodenemitterbereichs erzeugt und weisen daher eine höhere Dotierungskonzentration auf als der ursprüngliche Bypassdiodenemitterbereich in diesem Teilbereich. Im Falle von durch Schichtwachstum erzeugten Bereichen verschiedener Dotierung oder im Falle von tief in das Substrat eingebrachter Dotieratome wie beispielsweise der Ionenimplantation ist die genannte Überkompensation der Bypassdioden-Emitterbereiche durch eine höhere Dotierung der Bypassdioden-Basisgebiete nicht erforderlich.
Im Normalbetrieb der Solarzelle, das heißt unter Beleuchtung, ist die von der Solarzelle generierte und somit an den Basis- und Emitterkontakten 19, 21 anliegende Spannung derart gerichtet, dass die von den Bypassdiodenemitterbereichen 13 und Bypassdiodenbasisbereichen 11 gebildete Bypassdiode in Sperrrichtung betrieben wird. Es kann daher nicht zu einem signifikanten Stromfluss vom Basiskontakt 19 über den in Sperrrichtung betriebenen Bypassdiodenbereichen 9 hin zum Emitterkontakt 21 kommen.
Wenn andererseits die Solarzelle abgeschattet wird oder defekt sein sollte, wird von den in einem Solarzellen-String benachbart angeordneten Solarzellen an den Basis- und Emitterkontakten 19, 21 eine derart gerichtete Spannung angelegt, dass die Bypassdiode 9 in Durchlassrichtung betrieben wird, so dass es zu einem Stromfluss zwischen den Basiskontakten 19 und den Emitterkontakten 21 kommen kann und somit die abgeschattete bzw. defekte Solarzelle überbrückt werden kann.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform grenzt der Bypassdiodenemitterbereich 13 direkt an den entgegengesetzt und relativ schwach dotierten Absorber des Halbleitersubstrats 1 an. An der Grenzfläche kann es zu einer hohen Ladungsträgerrekombination kommen, die einen Wirkungsgrad der Solarzelle negativ beeinflussen kann.
Um dies zu vermeiden, wurde bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ein Bypassdiodenumhüllungsbereich 25 vorgesehen, der den Bypassdiodenemitterbereich 13 möglichst vollständig gegen daran angrenzende Bereiche des Halbleitersubstrats 1 abkapselt. Dieser Bypassdiodenumhüllungsbereich 25 weist den gleichen Halbleitertyp auf wie das Halbleitersubstrat 1, hat jedoch im Vergleich zu diesem eine wesentliche höhere Dotierungskonzentration, beispielsweise im Bereich von 10¹⁸ bis 10¹⁹ cm^–3. Der Bypassdiodenumhüllungsbereich 25 wirkt daher wie ein BSF und kann auf diese Weise verhindern, dass im Halbleitersubstrat generierte Ladungsträger hin zur Grenzfläche mit dem Bypassdiodenemitterbereich 13 diffundieren und dort rekombinieren.
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

Rückkontaktsolarzelle, aufweisend: ein Halbleitersubstrat (1); Basisbereiche (7) entlang einer Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Basisbereiche (7) einen Basis-Halbleitertyp aufweisen; Emitterbereiche (5) entlang der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Emitterbereiche (5) einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp aufweisen; Bypassdiodenemitterbereiche (13) entlang der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Bypassdiodenemitterbereiche (13) den Emitter-Halbleitertyp aufweisen und von den Emitterbereichen (5) durch dazwischenliegende Bereiche (15) elektrisch getrennt sind; Bypassdiodenbasisbereiche (11) entlang der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Bypassdiodenbasisbereiche (11) den Basis-Halbleitertyp aufweisen und von den Basisbereichen (7) durch umgebende Bypassdiodenemitterbereiche (13) elektrisch getrennt sind; Emitterkontakte (21) zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche (5) und der Bypassdiodenbasisbereiche (11); Basiskontakte (19) zur elektrischen Kontaktierung der Basisbereiche (7) und der Bypassdiodenemitterbereiche (13).
Rückkontaktsolarzelle nach Anspruch 1, wobei die Bypassdiodenemitterbereiche (13) von den Emitterbereichen (5) durch dazwischenliegende Bereiche (15) vom Basis-Halbleitertyp getrennt sind.
Rückkontaktsolarzelle nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend Bypassdiodenumhüllungsbereiche (25) vom Basis-Halbleitertyp, die die Bypassdiodenemitterbereiche (13) zumindest teilweise umgeben und die eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen als daran angrenzende Bereiche des Halbleitersubstrates (1).
Rückkontaktsolarzelle nach Anspruch 3, wobei die Bypassdiodenumhüllungsbereiche (25) die Bypassdiodenemitterbereiche (13) vollständig gegen daran angrenzende Bereiche des Halbleitersubstrates (1) abkapseln.
Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bypassdiodenemitterbereiche (13) im Wesentlichen homogen über die Rückseitenoberfläche (3) verteilt sind.
Rückkontaktsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Emitterkontakte (21) und die Basiskontakte (19) jeweils als längliche, kammartig ineinander greifende Finger ausgebildet sind.
Verfahren zum Herstellen einer Rückkontaktsolarzelle, aufweisend: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (1); Ausbilden von Basisbereichen (7) entlang einer Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Basisbereiche (7) einen Basis-Halbleitertyp aufweisen; Ausbilden von Emitterbereichen (5) entlang der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Emitterbereiche (5) einen dem Basis-Halbleitertyp entgegengesetzten Emitter-Halbleitertyp aufweisen; Ausbilden von Bypassdiodenemitterbereichen (13) entlang der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Bypassdiodenemitterbereiche (13) den Emitter-Halbleitertyp aufweisen und von den Emitterbereichen (5) durch dazwischenliegende Bereiche (15) elektrisch getrennt sind; Ausbilden von Bypassdiodenbasisbereichen (11) entlang der Rückseitenoberfläche (3) des Halbleitersubstrates (1), wobei die Bypassdiodenbasisbereiche (11) den Basis-Halbleitertyp aufweisen und von den Basisbereichen (7) durch umgebende Bypassdiodenemitterbereiche (13) elektrisch getrennt sind; Ausbilden von Emitterkontakten (21) zur elektrischen Kontaktierung der Emitterbereiche (5) und der Bypassdiodenbasisbereiche (11); Ausbilden von Basiskontakten (19) zur elektrischen Kontaktierung der Basisbereiche (7) und der Bypassdiodenemitterbereiche (13).
Verfahren nach Anspruch 7, ferner aufweisend: Ausbilden von Bypassdiodenumhüllungsbereichen (25) vom Basis-Halbleitertyp, die die Bypassdiodenemitterbereiche (13) zumindest teilweise umgeben und die eine höhere Dotierungskonzentration aufweisen als daran angrenzende Bereiche des Halbleitersubstrates (1).
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei zuerst die Bypassdiodenemitterbereiche (5) mit einer ersten Tiefe und einer ersten Dotierungskonzentration und dann die Bypassdiodenbasisbereiche (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.