DE102010026289B4

DE102010026289B4 - Solarzelle und Verfahren

Info

Publication number: DE102010026289B4
Application number: DE102010026289.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schall Ingrid
Original assignee: SAMEDAY MEDIA GmbH
Current assignee: SAMEDAY MEDIA GmbH
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: DE102010026289A1

Abstract

Solarzelle (1) mit einer Solarzellenebene (E) entlang derer eine sonnenlichtzugewandte Seite (2) und eine sonnlichtabgewandte Seite (3) verlaufen und entlang der Solarzellenebene (E) in der Solarzellenebene (E) eine Vielzahl n-dotierter Bereiche (n) und p-dotierter Bereiche (p) abwechselnd angeordnet ist, wobei der n- und der p-dotierte Bereich (n, p) jeweils eine Dotierung von wenigstens 1019 Fremdatomen/cm3 aufweisen und aufeinanderfolgende p- und n-dotierte Bereiche (p, n) jeweils durch einen intrinsischen Bereich (i), der eine Dotierung von weniger als 1015 Fremdatome/cm3 aufweist, voneinander getrennt und voneinander beabstandet sind und sich die n-, p- und i-Bereiche (n, p, i) von der sonnenlichtabgewandten Seite (3) bis zur sonnenlichtzugewandten Seite (2) erstrecken und die n-, p- und i-Bereiche (n, p, i) aufeinander angeordnet sind mit der Sequenz: p-Bereich (p), i-Bereich (i), n-Bereich (n), leitender Kontaktbereich (21), n-Bereich (n), i-Bereich (i), p-Bereich (p), leitender Kontaktbereich (21), wobei die Breite jeder der i-Bereiche (i) zwischen 50 μm und 5000 μm beträgt und an den leitenden Kontaktbereichen (21) Kontakte (5) aufgebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle und Verfahren zur Herstellung der Zelle.
Halbleiter-Solarzellen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. In der US 2010/0052089 A1 sind beispielsweise Solarzellen auf Waferbasis offenbart, die auf der sonnenlichtzugewandten Seite eine sehr schmale Schicht mit einer Höhe von 0,1–1,0 μm aufweisen, die stark n-dotiert ist. Die starke n-Dotierung bedeutet 10¹⁹ bis 10²⁰ Fremdatome pro cm³. Auf der sonnenlichtabgewandten Seite ist eine p-dotierte Schicht mit einer Höhe von 100–300 μm vorgesehen. Die Schicht ist p-dotiert, d. h. sie umfasst 10¹⁵ bis 10¹⁶ Fremdatome pro cm³. Zusätzlich kann zur Erhöhung der Dotierung vor dem Kontakt der sonnenlichtabgewandten Seite eine Erhöhung der p-Dotierung vorgesehen sein, die als Barriere für Elektronen und als niederohmiger Kontakt gegenüber Löchern wirkt.
Aus der US 2010/0052089 A1 sind ebenfalls Solarzellen bekannt, die nebeneinander angeordnete PIN-Strukturen aufweisen, die quer zur Richtung des Sonneneinfalls angeordnet sind. Dabei werden in einen Wafer eingebrachte Gräben auf einer Seite mit einer n-Dotierung, auf einer anderen Seite davon elektrisch isoliert mit einer p-Dotierung versehen.
Solarzellen bestehen üblicherweise aus Halbleitermaterialien, bei denen der Energieabstand zwischen Valenzband und Leitungsband in der Größenordnung der Photonenenergie des Sonnenlichtes liegt. Durch Absorption von Photonen werden Elektronen-Lochpaare erzeugt, die nach einer Ladungsträgerlebensdauer wieder rekombinieren können. Das Prinzip einer Solarzelle beruht darauf, die generierten freien Ladungsträger vor der Rekombination durch eine Zusammensetzung geeignet dotierter Halbleitermaterialien dazu zu bringen, dass sich die Elektronen bevorzugt zum n-Kontakt bewegen und die Löcher zum p-Kontakt, und zwar ohne eine von außen angelegte Spannung. Die Ladungsträger können an den auf den dotierten Schichten aufgebrachten Kontakten abgegriffen werden, und es entsteht ein Stromfluss. Generell werden Elektronen-Lochpaare im gesamten Halbleitermaterial erzeugt, und die erzeugten Ladungsträger müssen die n- und p-Kontakte im Wesentlichen durch Diffusion erreichen. Jedoch findet eine räumlich gerichtete Trennung der Elektronen-Lochpaare nur im Übergangsbereich vom n-dotierten zum p-dotierten Halbleitermaterial, dem fotoaktiven Bereich, statt.
Nachteilig an den bekannten Solarzellen ist, dass sie aufwändig herzustellende kleinflächige Einzelsolarzellen aus einkristallinem Reinst-Silizium sind, die eher als Konzentratorzellen eingesetzt werden oder für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen kleine Abmessungen Vorrang vor Produktionskosten haben. Diese Zellen muss man darüber hinaus einzeln miteinander kontaktieren, um eine größere Solarzellenfläche zu erhalten. Auch gibt es bei dieser Salarzellenbauform immer noch dotierte Bereiche mit erhöhter Rekombination auf der der Sonne zugewandten Seite.
Aus der DE 698 27 319 T2 ist eine Solarzelle mit p-dotierten linsenförmigen Bereichen und n-dotierten linsenförmigen Bereichen bekannt, die voneinander beabstandet sind und ausschließlich auf der sonnenlichtabgewandten Seite angeordnet sind.
In der WO 96/35235 A1 ist eine Solarzelle mit Bereichen horizontaler Schichtfolge und Bereichen mit vertikaler Schichtfolge offenbart. Die Bereiche vertikaler Schichtfolge weisen n- und p-datierte Bereiche, die durch Metallkontakte voneinander getrennt sind, auf.
In der KR 100378343 B1 sind Solarzellen mit n- und p-dotierten Schichten beschrieben, die innerhalb von Rillen angeordnet sind. Sie erstrecken sich ausschließlich entlang der sonnenlichtabgewandten Seite.
In der DE 40 39 390 C2 sind Solarzellen mit kleinen n-Sammelelektroden und kleinen p-Sammelelektroden beschrieben.
Aus der US 4 305 776 A sind Verfahren zur Herstellung von bandartigen Siliziumkristallen offenbart.
In der US 3 422 527 A ist eine Solarzelle offenbart, die aus übereinandergeschichteten Wafern mit jeweils einer p⁺ n n⁺ Struktur gebildet wird. Die übereinadergeschichteten Wafer werden geschnitten. Die Wafer sind zur Ausbildung der Solarzelle in Reihe geschaltet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Solarzelle zur Verfügung zu stellen und ein Verfahren zur Herstellung der Solarzelle, die die oben genannten Nachteile überwinden.
In ihrem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, dass eine Anordnung p-dotierter Bereiche und n-dotierter Bereiche in einem Wafer quer, vorzugsweise senkrecht zur sonnenlichtzugewandten Seite den Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht. Vorteilhafterweise trifft das auf die dem Sonnenlicht zugewandte Seite einfallende Sonnenlicht nicht mehr wie bei herkömmlichen Solarzellen auf eine n-dotierte Schicht, de erst durchdrungen werden muss, bis es auf den fotosensitiven Bereich gelangt. Erfindungsgemäß sind die n-dotierten Bereiche und p-dotierten Bereiche abwechselnd vorgesehen und jeweils voneinander durch einen intrinsischen Bereich vollständig getrennt.
Das elektrische Feld zwischen den Raumladungen erstreckt sich vorteilhafterweise über den gesamten intrinsischen Bereich vom p-dotierten Bereich ausgehend bis zum n-dotierten Bereich und ermöglicht eine zielgerichtete Driftbewegung der durch das Sonnenlicht generierten Ladungsträger bis zu den vorzugsweise stark n- und p-dotierten Bereichen. Ein weiterer Vorteil ist die im intrinsischen Halbleitermaterial erhöhte Ladungsträgerlebensdauer, da weniger Rekombinationsmöglichkeiten durch die Dotierungen vorhanden sind.
Die Erfindung geht von einer als PIN-Fotodiode, einem elektronischen Bauelement zur Lichtdetektion, oder als Teilchendetektor bei Beschleuniger-Experimenten bekannten Halbleiterstruktur aus. Typischerweise verwendet man diesen Dotierungs-Aufbau auch für amorphe Silizium-Solarzellen. Bei ausreichender Dicke der amorphen Solarzelle wäre für einen einfachen pn-Übergang die Ladungsträgerlebensdauer zu kurz, um die durch Sonnenlicht generierten Ladungsträger an den p- und n-Kontakten ausreichend sammeln zu können. Der erfindungsgemäße Vorteil beruht darauf, dass der intrinsische Bereich eine größere Strecke für die zielgerichtete Driftbewegung zur Verfügung stellt. Der Gradient der Fermi-Energie erstreckt sich über den gesamten intrinsischen Bereich.
Die in dieser Erfindung vorliegenden Bauformen müssen je nach Eigenschaften des Halbleitermaterials so dimensioniert werden, dass die Vorteile des intrinsischen Bereichs genutzt werden können, d. h. die Driftlänge der Ladungsträger sollte groß genug sein, um die jeweiligen n- und p-Kontakte zu erreichen.
Vorteilhafterweise trifft das auf die Solarzelle einfallende Licht nunmehr direkt auf den intrinsischen Bereich, der hier der fotoaktive Bereich ist und bewirkt in dem fotoaktiven Bereich eine Elektronenlochpaarbildung. Aufgrund der Beabstandung der n-dotierten und der p-dotierten Bereiche bildet sich im n-dotierten Bereich zum intrinsischen Bereich hin eine positive Raumladungszone aus. Umgekehrt bildet sich in dem p-dotierten Bereich zum intrinsischen Bereich hin eine negative Raumladungszone aus. Aufgrund der sich ausbildenden Raumladungszonen entsteht ein elektrisches Feld im intrinsischen Bereich und durch den intrinsischen Bereich hindurch, das zu einer gerichteten Driftbewegung der frei beweglichen Ladungsträger führt. Die durch das Sonnenlicht generierten freien Ladungsträger werden somit zusätzlich zur Diffusionsbewegung gerichtet in den jeweilig dotierten Bereich geführt und können dort über einen mit dem dotierten Bereich in Kontakt stehenden elektrischen Leiter außen am Leiter abgegriffen werden.
Günstigerweise ist quer zur Solarzellenebene jeder n-dotierte Bereich von zwei p-dotierten Bereichen benachbart und jeder p-dotierte Bereich von zwei n-dotierten Bereichen benachbart Es bildet sich damit in der Solarzellenebene eine abwechselnde Abfolge n- und p-dotierter Bereiche aus, die jeweils voneinander durch einen intrinsischen Bereich getrennt sind. Damit entsteht eine Dotierungsfolge in der Solarzellenebene: intrinsischer Bereich, n-dotierter Bereich, intrinsischer Bereich, p-dotierter Bereich, intrinsischer Bereich, n-dotierter Bereich usw. Es können durchaus mehrere hundert oder tausend derartiger Bereiche aufeinander folgen.
Der intrinsische Bereich zeichnet sich durch möglichst gleiche Ladungsträgerkonzentration von Elektronen im Leitungsband und Löchern im Valenzband aus. Eine gleiche Ladungsträgerkonzentration kann z. B. durch kompensierende Dotierung hergestellt werden. Vorzugsweise weist der intrinsische Bereich eine Dotierung von höchstens 10¹⁵ Fremdatomen/cm³ auf. Die p- und n-dotierten Bereiche sind stark dotiert und weisen damit 10¹⁹ oder mehr Fremdatome/cm³ auf. Aufgrund der geringen Dotierung, vorzugsweise keiner Dotierung des intrinsischen Bereiches, ist der intrinsische Bereich für freie Ladungsträger besonders gut durchlässig, und es kann sich durch den intrinsischen Bereich hindurch ein relativ starkes, die Driftbewegung förderndes elektrisches Feld ausbilden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich der intrinsische Bereich entlang der gesamten sonnenlichtzugewandten Seite der Solarzelle. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die p-dotierten und n-dotierten Bereiche nicht bis zur sonnenlichtzugewandten Seite der Solarzelle. Sie enden jeweils ein Stück weit im Inneren der Solarzelle, beabstandet von der sonnenlichtzugewandten Seite. Dadurch ist der dem Sonnenlicht ausgesetzte fotosensitive Bereich besonders groß.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind entlang eines Querschnitts benachbarte n-dotierte und p-dotierte Bereiche vollständig von dem intrinsischen Bereich umgeben. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung reichen die n- und p-dotierten Bereiche bis an die sonnenlichtabgewandte Seite der Solarzelle. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann das Sonnenlicht über eine Spiegelanordnung oder Ähnliches auch auf die sonnenlichtabgewandte Seite umgelenkt und somit die Solarzelle beidseitig dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Es wird so ein besonders hoher Wirkungsgrad erzeugt.
Damit zwischen n- und p-dotiertem Bereich ein möglichst homogenes elektrisches Feld ausgebildet wird, das die Driftbewegung der Elektronen fördert, verlaufen Außenflächen benachbarter n- und p-dotierter Bereiche vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander, wodurch sich durch die beiden benachbarten dotierten Bereiche eine Art Plattenkondensator bildet und sich ein homogenes Feld zwischen den Außenflächen der n- und p-dotierten Bereiche ausbildet.
Die erfindungsgemäßen Solarzellen können in unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden.
Ein mögliches Herstellungsverfahren zur Lösung der hinsichtlich des Verfahrens gestellten Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst. Dabei wird eine Schichtung mit der sich wiederholenden Sequenzreihenfolge: p-Bereich, i-Bereich, n-Bereich, leitender Kontaktbereich, n-Bereich, i Bereich, p-Bereich, leitender Kontaktbereich erzeugt, wobei der leitende Kontaktbereich auf verschiedene Weisen eingebracht werden kann. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Wafern jeweils an einer Außenseite p-dotiert und an einer ihr gegenüberliegenden Außenseite n-dotiert. Die dotierten Wafer werden mit gleichdotierten Außenseiten zu einem Block leitend aufeinander geschichtet, d. h. jeder zweite Wafer wird um 180 Grad gedreht. Die Waferoberflächen können vorab mit einer Metallschicht versehen werden, und die aufeinander geschichteten, sich berührenden Metallschichten können mit einem Metallkontaktkleber verklebt werden. Dann wird der Block quer zur Schichtung in solarzellenhohe Scheiben geschnitten und als wesentlicher Baustein der Solarzellen weiterverwendet.
Ein weiteres Herstellungsverfahren ergibt sich durch die Merkmale des Anspruchs 8, indem in eine sonnenlichtabgewandte Seite eines Wafer nebeneinander Gräben mittels eines Lasers eingebrannt werden und dann Grabenwandungen eines Grabens vollständig entweder p-dotiert oder vollständig n-dotiert werden. Dabei werden in der Solarzellenebene Gräben mit p-dotierter Wandung nur von Gräben mit n-dotierter Wandung benachbart ausgebildet, und folgerichtig sind Gräben mit n-dotierter Wandung jeweils von Gräben mit p-dotierter Wandung beabstandet benachbart und kontaktiert.
Dieses Herstellungsverfahren ist in anderer Anwendung unter dem Begriff „Laser grooved buried contacts” bekannt und damit erprobt und somit ausführbar.
In anderen Herstellungsverfahren werden zunächst p-Leitungen und n-Leitungen zur Verfügung gestellt. P-Leitungen sind elektrische Leiter, die dotierende Elemente beinhalten oder von dotierenden Elementen ummantelt sind oder Leiter, die von p-dotiertem Halbleitermaterial umgeben sind. N-Leitungen sind elektrische Leiter, die dotierende Elemente beinhalten oder von dotierenden Elementen ummantelt sind oder Leiter, die von n-dotiertem Halbleitermaterial umgeben sind. Um die n- und p-Leitungen herum wird in unterschiedlichen Verfahren vorzugsweise intrinsisches Halbleitermaterial aufgebracht.
Zunächst wird eine Vielzahl n- und p-Leitungen nebeneinander abwechselnd angeordnet, die jeweils vorzugsweise vollständig entweder als p-Leitung oder als n-Leitung ausgebildet sind. Die p-Leitung umfasst wenigstens ein p-dotierendes Element aus der dritten Hauptgruppe, vorzugsweise Aluminium oder Bor, aber auch Indium oder Gallium. Jede der n-Leitungen umfasst ein n-dotierendes Element, das ein Element aus der fünften Hauptgruppe sein kann, vorzugsweise Phosphor oder auch Arsen oder Antimon. Es kann auch Stickstoff zur Dotierung von beispielsweise Siliziumcarbid verwendet werden. Die p- und n-Leitungen werden dann von einem Halbleitermaterial umgeben, und durch Erhitzen diffundieren die Dotieratome in das umliegende Material oder es bildet sich eine Legierung, ggf. wird dann formiert. Unter Formieren wird verstanden, dass die Leitungen gegebenenfalls einem kurzen Stromstoß ausgesetzt werden, der eine Einbindung der dotierenden Atome in das umliegende Halbleitermaterial und damit eine entsprechende Dotierung in dem die Leitung umgebenden Bereich des Halbleitermaterials bewirkt.
Das Halbleitermaterial wächst vorzugsweise epitaktisch auf den n- und p-Leitungen auf. Bei epitaktischen Verfahren wird Halbleitermaterial, insbesondere Silizum in Form eines Prozessgases Silan, insbesondere Dichlorsilan und Siliziumtetrachlorid gasfömig an die n- und p-Leitungen gebracht. Die Temperatur des gasförmigen Halbleitermaterials beträgt etwa 600°C–1.200°C. Das ermöglicht es, p- und n-Leitungen mit geringerer Hitzebeständigkeit, d. h. ab einem Schmelzpunkt von 600°C zu verwenden. In einem sogenannten CVP-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) werden die Prozessgase über die aufgeheizten Substrate geleitet, und es wachsen Kristallschichten auf den Leitungen auf. Es ist auch denkbar, Prozessflüssigkeiten zu verwenden, von der aus sich das Halbleitermaterial um die p- und n-Leitungen legt.
In einem weiteren Herstellungsverfahren werden hochtemperaturbeständige n- und p-Leitungen ausgewählt. Das Halbleitermaterial wird um die n- und p-Leitungen entweder als Pulver angeordnet, und das Pulver wird dann geschmolzen, oder es wird gleich als flüssiges Halbleitermaterial um die Leitungen gegossen und dann jeweils abgekühlt. Das Halbleitermaterial wird derart abgekühlt, dass es beim Abkühlen kristallisiert. Man spricht dabei auch von Legieren. Bekannte und anwendbare Verfahren sind dabei SSP (Silicon Sheeds from Powder), LLC (Layered Laser Crystallization) sowie Kristallisation bzw. Rekristallisation mit Hilfe eines Elektronenstrahls.
Die p-Leitung sollte dabei stromleitend und hochtemperaturbeständig sein. Hochtemperaturbeständig meint hier, die p-Leitung sollte Temperaturen deutlich über dem Schmelzpunkt des verwendeten Halbleitermaterials vertragen. Bei Silizium beträgt die Schmelztemperatur 1.410°C. Es können borummantelte Wolframdrähte verwendet werden, die auch als Borfasern bekannt sind.
Auch die n-Leitung sollte hochtemperaturbeständig und stromleitend sein. Es kann sich bei den n-Leitungen um hochdotierte Siliziumcarbidfasern jeweils mit Grafitkern, z. B. Grafitfasergarne mit 10 μm Durchmesser, die mit stickstoffdotierten SiC-Schichten von 0,5 μm umhüllt sind, handeln. Auch sind zur Herstellung von SiC-Faserbündeln Spinnverfahren von Polycarbosilanen mit anschließender Pyrolyse zum SiC-Garn möglich. Es kann sich auch um phosphorhaltige Grafitfasern oder um eine mit Stickstoff hochdotierte Siliziumcarbidfaser handeln.
Nach dem Legieren werden, falls das nicht bereits durch den vorhergehenden Verfahrensschritt geschehen ist, die Dotierungsatome mittels eines Stromstoßes in den Leitungen in die umliegende Kristallstruktur eingebunden. Das wird als Formieren bezeichnet.
Die n- und p-Leitungen können verschiedene Gestalt annehmen.
Eine Weiterbildung des Verfahrens macht von im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung rechteckförmigen Leitern Gebrauch. Dabei werden benachbarte Leiter mit ihren größeren Außenflächen einander zugewandt, nebeneinander in der Form angeordnet, und dann wird mit den rechteckförmigen Leitern legiert und formiert.
Es ist aber auch denkbar, dass die die n- und p-Leitungen jeweils nadelförmig ausgebildet werden. Die Leiternadeln sind untereinander in wenigstens zwei Gruppen miteinander leitend verbunden. Die beiden Gruppen sind voneinander elektrisch isoliert. Anschließend werden die Leiternadeln, die eine Art Nadelkissen ausbilden, auf eine Außenseite eines Wafers gedrückt und in den Wafer eingedrückt. Anschließend werden die Leiternadeln einem Stromstoß ausgesetzt, wodurch die n-dotierenden und p-dotierenden Schichten ein Stück weit in den intrinsischen Bereich des Wafers hineingelangen und den Bereich um die Nadeln herum jeweils entweder n- oder p-dotieren.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden eine Vielzahl nebeneinander angeordneter n- und p-Leitungen durch flüssiges Halbleitermaterial hindurchgezogen. Dabei bilden sich zwischen den n- und p-Leitungen Halbleiterbereiche aus. Da dem geschmolzenen Silizium eine Vielzahl an Fasern zur Verfügung steht, an die es sich durch Adhäsionskräfte anlegen kann, sind die intrinsischen Bereiche zwischen den n- und p-Leitungen leichter realisierbar als bei dem industriell etablierten EFG oder Ribbon-String Verfahren, bei dem mehrere um einige Zentimeter voneinander beabstandete Fasern verwendet werden, zwischen denen sich Siliziumbereiche im Ziehen ausbilden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Fasern in Abhängigkeit vom Material sehr viel weniger voneinander beabstandet, vorzugsweise beträgt ihr Abstand zwischen 50 μm und 5000 μm. Aufgrund des geringen Abstandes der p- und n-Leitungen voneinander wird ein stabiler Faserverbund ausgebildet, der, im Vergleich zu durch EFG Verfahren hergestellten Solarzellen eine wesentlich höhere Stabilität ergibt. Darüber hinaus kann die Schichtdicke der Siliziumbereiche dünn gezogen werden, weil n- und p-Leitungen mit einem Durchmesser von nur 10 μm–100 μm verwendet werden können. Die Schichtdicke der Siliziumbereiche liegt darunter, vorzugweise wird eine Schichtdicke von 50–100 μm gewählt.
Es ist auch denkbar, dass die gespannten n- und p Leitungen in geschmolzenes Halbleitermaterial eingetaucht und freischwebend wieder herausgezogen werden. Das Halbleitermaterial bildet zwischen den n- und p-Leitungen Bereiche aus, in denen es kristallisiert.
Alternativ werden die n- und p-Leitungen von einem Prozessgas oder einer Prozessflüssigkeit umspült bzw. gespannt eingehängt. Die Leitungen bilden ein Gerüst, und das Halbleitermaterial bildet sich, von den p- und n-Leitungen ausgehend, bis die Zwischenräume der Leitungen zugewachsen sind.
Es ist auch denkbar, die n- und p Leitungen versetzt zueinander anzuordnen, so dass sie eine Zick-Zack Struktur ausbilden oder sich bei mehrlagigen p- und n-Leitungen eine wabenförmige Struktur herausbildet. Vorteilhafterweise bleiben die Wabeninnenräume frei vom Halbleitermaterial. Dadurch ist die Struktur materialsparend und dennoch stabil. Es wird kein Trägermaterial benötigt. Reflektiertes oder absorbiertes Sonnenlicht verfängt sich leichter in der Struktur.
Vorzugsweise verlaufen die n- und p-Leitungen vollständig in dem intrinsischen Bereich. Diese Solarzelle kann dann beidseitig besonders gut verwendet werden.
Die Außenflächen der Solarzelle können einer, den gängigen Wirkungsgrad steigernden Oberflächenbehandlung unterworfen werden, wie der Passivierung oder einem anti reflection coating.
Die Erfindung wird anhand von fünf Ausführungsbeispielen in 15 Figuren beschrieben. Dabei zeigen
1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle,
2a eine schematische, perspektivische Ansicht eines geschichteten Blocks,
2b eine Schnittansicht und schematische Darstellung des Blocks in 2a,
2c eine Solarzelle, die aus einer vom Block in 2a abgesägten Scheibe besteht,
3 einen Wafer mit durch ein Diffusionsverfahren eingebrachten halblinsenförmigen Dotierungsbereichen,
4 einen Wafer mit durch das „Laser Grooved Buried Contact” Verfahren eingebrachte Dotierungsbereiche,
5 einen Wafer mit durch Dotiermaterial überzogene Nadeln eingebrachte Dotierungsbereiche,
6a eine Ansicht auf die sonnenlichtabseitige Waferseite mit p- und n-Dotierungsbereichen 3 und 5,
6b eine Draufsicht der sonnlichtabgewandten Seite mit Gräben gemäß 4,
6c eine Draufsicht der sonnlichtabgewandten Seite mit schneckenförmig ineinander gewickelten Gräben gemäß 4,
6d eine Draufsicht der sonnlichtabgewandten Seite mit kammförmig ineinander verschränkten Gräben in 4,
7a eine Schnittansicht von vollständig von der intrinsischen Schicht umschlossenen p- und n-dotierten Bereichen,
7b eine perspektivische Ansicht eines p- und n-dotierten Wafers in 7a,
8a eine Schnittansicht eines p- und n-dotierten Wafers mit vollständig ihn umgebende intrinsischer Schicht mit im Querschnitt länglichen p- und n-Dotierungsbereichen,
8b eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform in 8a,
9a eine schematische Ansicht eines Ziehverfahrens mit nebeneinander angeordneten Leitungen zur Herstellung einer Solarzelle,
9b eine Schnittansicht entlang der Linie IX-IX in 9a,
9c eine Schnittansicht zickzackförmig angeordneter Leitungen in 9a,
10a eine schematische Ansicht von in einem Rahmen gespannten n- und p-Leitungen,
10b eine Schnittansicht entlang der Linie X_b-X_b in 10a.
Die nachfolgenden Zeichnungen sind nicht maßgetreu und nicht maßstabsgetreu.
Die in 1a dargestellte Schnittansicht senkrecht zur Solarzellenebene E zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle 1. Die Solarzelle 1 ist flach und eben ausgeformt und weist äußere Umfangsabmessungen von etwa 10 × 10 cm und eine Dicke zwischen 100 μm und 300 μm auf. Die Solarzelle 1 weist eine sonnenlichtzugewandte Seite 2 und eine zu ihr parallel angeordnete sonnenlichtabgewandte Seite 3 auf. Die einfallenden Lichtstrahlen 4 treffen auf die sonnenlichtzugewandte Seite 2.
Entlang der Solarzelleneben E sind eine Vielzahl n-dotierter Bereiche und eine Vielzahl p-dotierter Bereiche vorgesehen, die n-dotierten Bereich n weisen eine Dotierung von 10¹⁹ fünfwertigen Fremdatomen/cm³ oder mehr auf, und die p-dotierten Bereiche p von 10¹⁹ dreiwertigen Fremdatomen/cm³ oder mehr auf. Zwischen benachbarten n- und p-dotierten Bereichen sind i-Bereiche, intrinsische Bereiche i vorgesehen. Hier werden unter intrinsischen Bereichen i Bereiche mit Dotierungen von weniger als 10¹⁵ Fremdatomen/cm³ verstanden.
Die i-Bereiche i, die n-Bereiche n und die p-Bereiche p erstrecken sich alle jeweils über die gesamte Hohe H der Solarzelle 1. Jeder der Bereiche i, n, p erstreckt sich von der sonnenlichtabgewandten Seite 3 bis zur sonnenlichtzugewandten Seite 2. Die Höhe der unterschiedlich dotierten Bereiche H_i, H_p, H_n erstreckt sich jeweils für jeden aus der Vielzahl der einzelnen Bereiche i, n, p über die gesamte Höhe H der Solarzelle 1. Dabei ist die Ausdehnung jeder der Bereiche p, i, n in der Solarzellenebene E entlang der gesamten Höhe H gleichbleibend. Eine Breite B_i jeder der Intrinsischen Schichten i beträgt zwischen B_i = 50 μm bis 5000 μm, günstigenfalls bis etwa 1 cm, je nach Driftlänge der Ladungsträger im intrinsischen Halbleitermaterial, eine Breite B_p der p-Bereiche beträgt etwa B_p = 1–3 μm, eine Breite B der n-Bereiche beträgt ebenfalls etwa B_n = 1–3 μm. Die Längen der einzelnen Bereiche L_i, L_p, L_n erstrecken sich über die gesamte Längsausdehnung L der Solarzelle 1. Die Breiten B_i, B_p, B_n bleiben entlang der gesamten in 1 senkrecht zur Zeichenebene angeordneten Längsausdehnung L_i, L_p, L_n im Wesentlichen konstant. Die n- und p-dotierten Bereiche n, p verlaufen in Längsrichtung L parallel zueinander. Die n- und p-dotierten Bereiche sind voneinander jeweils durch einen der intrinsischen Bereiche i beabstandet.
Die n- und p-dotierten Bereiche n, p sind entlang ihrer Längsrichtung L_n, L_p mit Stromkontakten an einer Außenseite 2, 3 versehen. In der in 1 dargestellten Schnittansicht sind entlang der gesamten Breite B der Solarzelle 1 mehrere hundert der Sequenzen des Aufbaus: n-Bereich n, i-Bereich i, p-Bereich p, i-Bereich i, also die Sequenz n-i-p-i unmittelbar nebeneinander angeordnet. Die Bereiche i, n, p sind entlang der Breite B schichtartig ausgebildet. Die Schichtfolge ist quer zur Richtung der Sonnenstrahlen 4 angeordnet.
Die fotoaktiven Bereiche der Solarzelle 1 sind die intrinsischen Bereiche i. Vorteilhafterweise sind die intrinsischen Bereiche i unmittelbar den Sonnenstrahlen 4 ausgesetzt, und sie müssen nicht wie bei herkömmlichen Solarzellen durch eine n-dotierte Schicht hindurch. Somit trifft das Sonnenlicht 4 besonders wirkungsvoll und mit nur geringen Absorptionsverlusten auf die intrinsischen Bereiche i, um in den intrinsischen Bereichen i durch Absorption von Lichtenergie Ladungsträgerpaare, Löcher + und Elektronen –, zu erzeugen. Die vom einfallenden Licht in den intrinsischen Bereichen i erzeugten Ladungsträgerpaare +, – trennen sich räumlich durch ein in der intrinsischen Schicht i vorhandenes elektrische Feld E_el. Das elektrische Feld E_el kommt vermutlich dadurch zustande, dass sich an den Grenzschichten zwischen den i-Bereichen i und benachbarten n-Bereichen n im n-Bereich n eine positive Raumladungszone ausbildet, da freie Elektronen der Donatoratome in die intrinsische Schicht diffundieren und ortsfeste, positiv geladene Donatoratome in der n-Schicht zurückbleiben und sich an der Grenzschicht zwischen p-Bereich p und intrinsischem Bereich i im p-Bereich p eine negative Raumladungszone ausbildet, weil die beweglichen Löcher im Valenzband in den intrinsischen Bereich i diffundieren. Durch den Überschuss an gebundenen Elektronen im p-Bereich p bildet sich im p-Bereich p eine negative Raumladungszone aus. Die aus dem n-Bereich n stammenden freien Elektronen – und die aus dem p-Bereich p stammenden Löcher + rekombinieren im intrinsischen Bereich i. Eine negative Raumladungszone bildet sich daher im Randbereich des p-Bereichs p zum intrinsischen Bereich i aus, und eine positive Raumladungszone bildet sich im Randbereich des n-Bereichs n aus. Betrachtet man den gesamten Halbleiter, bleibt die Ladungsneutralität erhalten. Das sich zwischen diesen beiden Raumladungazonen ausbildende elektrisches Feld E_el durchzieht jeden der intrinsischen Bereiche i entlang seiner gesamten Breite Bi. Das elektrische Feld E_el ist homogen und weist im Wesentlichen äquidistante Feldlinien in der Solarzellenebene E auf. Die Elektronen – driften zum benachbarten n-Bereich n und die Löcher + driften zum benachbarten p-Bereich p. Der n-Bereich n ist vorteilhaft semipermeabel, d. h. hier, er hat für Elektronen – eine große Leitfähigkeit und für Löcher + eine kleine Leitfähigkeit. Durch das sich im intrinsischen Bereich i ausbildende homogene elektrische Feld E_el driften die Ladungsträger +, – gerichtet in die jeweilige Raumladungszone und letztlich zu den Kontakten. Hierbei ist insbesondere die hohe Dotierung sehr hilfreich, um sowohl auf der n-Seite (Tunneleffekt) als auch auf der p-Seite (ohmscher Kontakt) eine für den elektrischen Strom widerstandsarme Metall-Halbleiter Kontaktierung zu erreichen.
Die Solarzelle 1 in 1 kann durch ein in 2a bis 2c schematisch dargestelltes Verfahren hergestellt werden. Zunächst werden herkömmliche Wafer aus intrinsischem Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium oder Germanium, an ihrer einen in einer Waferebene liegenden Außenseite n-dotiert und an einer ihr gegenüberliegenden Außenseite p-dotiert. Es werden zunächst übliche PIN-Strukturen 20 ausgebildet. Zur Dotierung der Wafer werden dabei herkömmliche Dotierungsverfahren angewendet. Die PIN-Strukturen 20 werden an der dotierten Außenfläche mit einer Metallschicht 21 versehen, und dann werden Metallschichten 21 über gleich dotierten Außenflächen mit Hilfe von Metallkontaktkleber aufeinander geklebt. Insbesondere bei rauen Waferoberflächen, wie sie insbesondere bei Ziehverfahren entstehen, wird vorteilhafterweise zwischen den dotierten Wafer eine Metallschicht, z. B. Aluminium und/oder Silber eingebracht, und die Schichtung wird dann erhitzt, so dass nur die Metallschicht schmilzt und so die Rauigkeit ausgleicht und eine feste Kontaktierung entsteht. Da Aluminium selbst p-dotierend ist, bräuchte das Wafermaterial nur n-dotiert werden.
Damit entsteht die in 2b dargestellte Schichtung p-, i-, n-, Metallschicht 21, n-, i-, p-, Metallschicht 21, p-dotierter Bereiche entlang der Höhe des in 2a dargestellten Blocks 22. Zwischen den n-Bereichen ist eine Silberschicht und zwischen den p-Bereichen eine Aluminiumschicht angeordnet. Der in 2a dargestellte Block 22 wird dann vertikal entlang seiner Höhenausdehnung in schmale Scheiben zersägt, die als Grundbaustein eine Solarzelle 1 ausbilden. Eine Dicke der vom Block 22 abgesägten Scheiben entspricht der Höhe H der Solarzelle 1, die Scheiben sind der Grundbaustein der Solarzelle 1. Der Grundbaustein der Solarzelle 1 ist in 2c dargestellt. An ihm werden dann noch Kontakte an der Metallisierung 21 aufgebracht. Die Außenflächen der Solarzelle 1 können durch Passivierung und/oder einem „anti reflection coating” weiterbehandelt werden. Die ganze Solarzelle 1 wird in einen Rahmen 100 eingefasst oder auf einem Trägermaterial fixiert. Die p-, i-, n-, Metallschicht 21, n-, i-, p-, Metallschicht 21, p-Bereich Sequenzabschnitte erstrecken sich unmittelbar aufeinander folgend entlang der Breite B der Solarzelle 1. Die Solarzelle 1 ist mit ihrer Bereichsschichtung quer zur Einfallsrichtung des Sonnenlichtes 4 angeordnet, so dass das Licht direkt auf die intrinsischen Bereiche i fällt. Durch entsprechende Spiegelanordnung kann sowohl die sonnenlichtzugewandte Seite 2 der Solarzelle 1 als auch die sonnenlichtabgewandte Seite 3 der Solarzelle 1 dem Sonnenlichteinfall 4 ausgesetzt sein und damit besonders effektiv die Ladungsträgersammlung der Elektronen-Lochpaarbildung bewirken.
3 zeigt eine zweite, nicht zur Erfindung gehörige Ausführungsform einer Solarzelle 1. Die p-dotierten Bereiche p und die n-dotierten Bereiche n sind jeweils halblinsenförmig ausgeformt und an der sonnenlichtabgewandten Seite 3 der Solarzelle 1 angeordnet. Auch bei dieser Ausführungsform weisen die Dotierungen die zur ersten Ausführungsform genannten Größenordnungen auf.
Zunächst werden Wafer mit einer Höhe von etwa 200 μm zur Verfügung gestellt. Die dem Sonnenlicht zugewandte Seite 2 des Wafers wird nicht behandelt, die dem Sonnenlicht abgewandte Seite 3 des Wafers wird bereichsweise p- und n-dotiert. Die p- und n-dotierten Bereiche p, n sind voneinander durch einen intrinsischen Bereich i beabstandet. Das Material des intrinsischen Bereiches i entspricht dem unbehandelten Wafermaterial. Der Abstand zwischen den p- und n-dotierten Bereichen p, n liegt etwa bei 300 μm.
P- und n-Dotierungen in dem Wafer können durch herkömmliche fotolithographische Verfahren in die sonnenlichtabgewandte Seite 3 des Wafers eingebracht werden.
Als p-dotierendes Element werden Bor, Indium, Aluminium oder Gallium oder Kombinationen derartiger Elemente gewählt. Bei den n-dotierenden Elementen kann es sich um Stickstoff, Phosphor, Arsen oder Antimon handeln. Je nach Zeitdauer des Dotierungsvorganges und Konzentration des Dotierungsgases entsteht ein unterschiedlich stark datierter und ausgedehnter halblinsenförmiger Bereich in der behandelten Waferseite 3. Anschließend wird zentral auf jeden der n- und p-dotierten Bereiche an der sonnenlichtabgewandten Seite 3 ein stromleitender Kontakt 5 aufgebracht. Die n-dotierten und die p-dotierten Bereiche können kreisförmig auf der sonnenlichtabgewandten Seite 3 angeordnet sein, wie 6s zeigt. Sie können aber auch in Form von länglichen, parallel zueinander verlaufenden Bereichen (6b) ausgeformt werden. Sie können auch andere Anordnungen annehmen, beispielsweise schneckenförmige (6c) oder kammförmige Anordnungen (6d).
In einer weiteren Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens einer Solarzelle 1 gemäß 3 werden die p-Dotierungen und n-Dotierungen mittels einer Ionen-Kanone in die sonnenlichtabgewandte Seite 3 des Wafers eingeschossen.
4 zeigt eine dritte, nicht zur Erfindung gehörige Ausführungsform einer Solarzelle 1. Die n- und p-Bereiche n, p zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich jeweils bis zu drei Viertel entlang der Höhe H der Solarzelle 1, ausgehend von der sonnenlichtabgewandten Seite 3, in die Solarzelle 1 hinein erstrecken. Dadurch bilden sich im intrinsischen Material i ebenfalls, zumindest über größere Bereiche, zwischen den n- und p-Bereichen n, p homogene elektrische Felder E_el aus.
Ein mögliches Verfahren zum Einbringen von Gräben 40 in die sonnenlichtabgewandte Seite 3 des Wafers erfolgt im bekannten „Laser Grooved Buried Contact” Verfahren. Zunächst wird wiederum ein aus intrinsischem Material gebildeter Wafer zur Verfügung gestellt. Dann werden in die sonnlichtabgewandte Seite 3 Gräben 40 mittels eines Lasers geschmolzen. Die Grabenstruktur kann die in den 6b bis 6d dargestellte Form annehmen. Bei den Ausführungsformen der 6c und 6d sind nur zwei Außenanschlüsse nötig.
Es wird zunächst ein Graben 40 bzw. Grabensystem in die sonnenlichtabgewandte Seite 3 eingebracht. Danach werden die Wandungen 41 der Gräben 40 p-dotiert bzw. n-dotiert. Die Dotierung kann ebenfalls mittels fotolithographischer Verfahren erfolgen. Die gesamte Wandung 41 eines Grabens 40 wird entweder vollständig p-dotiert oder vollständig n-dotiert. Anschließend werden die Gräben 40 mit Metall 42 aufgefüllt und jeweils mit einem seitlich vom Wafer abstehenden Anschluss 5 versehen.
5 zeigt eine vierte, nicht zur Erfindung gehörige Ausführungsform einer Solarzelle 1. Die n- und p-Bereiche n, p erstrecken sich nicht über die gesamte Höhe H der Solarzelle 1, sondern etwa entlang drei Viertel der Höhe H ausgehend von der sonnenlichtabgewandten Seite 3. Die p- und die n-dotierten Bereiche p, n weisen in der Solarzellenebene E einen etwa kreisförmigen Durchmesser auf, der geringer ist als die Grabenbreite der Gräben 40 der 4.
Es werden Nadeln 50 voneinander beabstandet mit einem positiv dotierenden bzw. negativ dotierenden Überzug versehen. Bei den negativ dotierenden Nadeln 50 kann Wolframdraht mit Bor ummantelt sein.
Die überzogenen Nadeln 50 können beispielsweise in einen Wafer eingedrückt werden. Die in den Wafer eingebrachten Nadeln 50 werden dann kurz unter Strom gesetzt, wodurch ein Teil der Beschichtung in das intrinsische Material i wandert und dort in einem Bereich um die Nadel 50 herum den Wafer dotiert. Es bilden sich im Querschnitt in der Solarzellenebene E etwa kreisförmig n- bzw. p-dotierte Bereiche n, p aus. Dieser Verfahrensschritt ist in anderem Zusammenhang als ,Formieren’ bekannt.
Neben dem Formieren und Legieren ist in einem anderen Verfahren zur Herstellung der Solarzelle 1 gemäß 5 ein Schmelzverfahren anwendbar, bei dem ein Nadelkissen mit p- und n-dotierenden Beschichtungen mit Siliziumpulver überschüttet wird. Die p-dotierenden Nadeln 50 und die n-dotierenden Nadeln 50 sind jeweils unter sich leitend verbunden und die beiden Nadelgruppen gegeneinander isoliert. Das Siliziumpulver wird dann geschmolzen und abgekühlt, und so kann eine polykristalline Siliziumstruktur auf dem zweigeteilten Nadelkissen aufgebracht werden.
Eine fünfte Ausführungsform einer Solarzelle 1 ist in den 7a und 7b im Querschnitt senkrecht zur Solarzellenebene E gezeigt. Die Solarzelle 1 besteht im Wesentlichen aus einem intrinsischen Bereich i, der die n- und p-dotierten Bereiche n, p vollständig umfasst, in die entlang der Höhe H etwa mittig in Längsrichtung L verlaufende, langgezogene p-dotierte und n-dotierte Bereiche p, n in den Halbleiter eingebracht sind. Die n- und p dotierten Bereiche n, p umgeben einen draht- oder faserförmigen Leiter 70. Die Solarzelle 1 der 7a ist zweiseitig mit Sonnenlicht 4 anwendbar. Das elektrische Feld E_el durchzieht mit bogenförmigen Feldlinien weite Bereiche des intrinsischen Bereichs i.
Die Solarzelle 1 der 7a kann beispielsweise in der Weise hergestellt werden, dass Borfasern mit jeweils einem Wolframkern und n-dotierte Siliziumcarbidfasern mit jeweils einem Graftitkern alternierend angeordnet werden und in einer Herstellungsform horizontal eingespannt werden und mit Halbleitermaterial übergossen werden. Nach dem Aushärten werden die Leiter nötigenfalls einem Stromstoß ausgesetzt, wodurch die Dotierung in den jeweils benachbarten intrinsischen Bereich wandert. 7b zeigt die Solarzelle der 7a in einer perspektivischen Ansicht mit mehreren Kontakten 5. Die Weglänge durch die dotierten Bereiche bis zum Draht 70 ist für die Ladungsträger –, + vergleichsweise kurz. Damit ist die Rekombinationsrate gering, und die Solarzelle 1 hat insgesamt einen hohen Wirkungsgrad.
Es ist jedoch auch denkbar, das Halbleitermaterial zwischen den Leitungen mittels Epitaxieverfahren aufwachsen zu lassen.
8a, 8b zeigen eine Ausführungsform gemäß den 7a, 7b, jedoch mit in der Höhe H der Solarzelle 1 höher ausgebildeten p- und n-dotierten Bereichen p, n. Die p-, und n-Bereiche p, n erstrecken sich jeweils über wenigstens die Hälfte der Höhenausdehnung H der Solarzelle 1, ohne jedoch bis zur sonnenabgewandten und zur sonnenzugewandten Seite 3, 2 zu reichen. Die n- und p-Bereiche n, p sind im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgebildet und parallel zueinander angeordnet. Dadurch bilden sich zwischen den dotierten Bereichen n, p elektrische Felder E_el mit zumindest in weiten Bereichen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Feldlinien aus, die in besonders günstiger Weise eine Trift der Ladungsträger –, + erzeugen. Ein Herstellungsverfahren entspricht dem der Ausführungsform in den 7a, 7b, jedoch werden nicht im Querschnitt runde Drähte, sondern im Querschnitt längliche, rechteckige Leitungsbänder verwendet.
9a zeigt ein Ziehverfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Solarzelle 1. Dabei werden gleichmäßig voneinander beabstandete n- und p-Leitungen n, p durch ein Silizium-Bad 90 gezogen. Aufgrund der hohen Oberflächenspannung des geschmolzenen Siliziums bilden sich zwischen den n- und p-Leitungen n, p intrinsische Silizium-Bereiche i aus, die abkühlen und aushärten. Es wird eine Lamelle 91 aus dem Siliziumbad 90 gezogen. Als n- und p-Leitungen n, p werden leitende und hochtemperaturbeständige Materialien verwendet. Der Schmelzpunkt der p- und n-Leitungen p, n sollte über dem Schmelzpunkt des Siliziums sein. Intrinsisches Silizium i weist einen Schmelzpunkt von etwa 1.410 Grad Celsius auf. Als p-Leitung p kann Borfaser mit einem drahtförmigern Grafit- oder Woframkern verwendet werden, als n-Leitung n kann eine mit Stickstoff hochdotierte Siliziumcarbidfaser verwendet werden. Die hohe Dotierung birgt elektrischen Strom leitenden Charakter, so dass gar kein extra leitender Kern benötigt wird. Die Materialen sind hochtemperaturbeständig und stromleitend. Bei dem in 9 dargestellten Ziehverfahren werden die n- und p-Leitungen n, p beim Durchziehen quer zur Längsrichtung L umlaufend vollständig vom intrinsischen Silizium benetzt. Die n- und p-Leitungen n, p verlaufen somit vollständig im intrinsischen Bereich i der später daraus hergestellten Solarzelle.
9b zeigt in einer Schnittansicht die gezogene Lamelle 91, p- und n-Leitungen n, p sind im Querschnitt alternierend angeordnet. Die n- und p-Leitungen p, n sind im Querschnitt kreisförmig und jeweils 180 μm im Durchmesser ausgebildet. Der Abstand zwischen benachbarten Leitungen n, p beträgt etwa 500 μm.
9c zeigt eine alternierende Anordnung von n- und p-dotierten Leitungen n, p in einem Querschnitt senkrecht zur Leitungsrichtung. Im Gegensatz zur Anordnung der Leitungen n, p in 9b sind die n- und p-Leitungen n, p jedoch zickzackförmig gegeneinander versetzt. Durch die zickzackförmige Anordnung der n- und p-Leitungen n, p ergibt sich eine hohe mechanische Stabilität des Wafers, so dass die intrinischen Bereiche i zwischen den p- und n-Leitungen p, n besonders dünn gezogen werden können. Darüber hinaus bietet sich der Vorteil, dass aufgrund der Zickzackform Mehrfach-Reflexionen möglich sind, wodurch weniger Lichtverluste durch Reflexion von der sonnenlichtzugewandten Seite 2 auftreten. Die Zickzackform bietet eine besonders geeignete Form der Texturierung der sonnenzugewandten Seite 2.
Sowohl die Zickzackstruktur der 9c als auch die planare Struktur der 9a können im Ziehverfahren durch ein Siliziumbad 90 hindurchgezogen werden und so einen Wafer ausbilden oder in ein Siliziumbad 90 eingetaucht und freischwebend herausgezogen werden, so dass sich die Räume zwischen den n- und p-Leitungen n, p aufgrund der hohen Oberflächenspannung des flüssigen Siliziums benetzen und die intrinsischen Bereiche i ausbilden.
Die 10a und 10b zeigen eine weitere Ausführungsform eines im Tauchverfahren oder auch Ziehverfahren herstellbaren Wafers mittels einer n- und p-Leitungsstruktur n, p. Dazu sind in einem Rahmen 100 n- und p-Leitungen n, p parallel verlaufend eingespannt. Die 10b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie X_b-X_b der 10a. In 10b ist erkennbar, dass abwechselnd Ebenen E von n-Leitungen n und p-Leitungen p versetzt gegeneinander vorgesehen sind, so dass sich im Querschnitt eine sechseckige Wabenstruktur ausbildet. Wenn die Leitungen n, p durch ein Siliziumbad 90 hindurchgezogen werden, bildet sich zwischen den nächstbenachbarten n- bzw. p-Leitungen n, p ein intrinsischer Siliziumfilm i aus, während die Innenräume der Wabenstruktur frei bleiben. Die Wabenstruktur ermöglicht die Herstellung besonders stabiler Wafer, und darüber hinaus wird sehr wenig Silizium benötigt, da die Wabenstruktur im Wesentlichen hohl ist. Dennoch ist die Absorptionsrate aufgrund der Zickzackform der sonnenzugewandten Seite 2 als auch des mehrschichtigen Aufbaus hoch. Der Durchmesser der Leitungen n, p beträgt etwa 10 μm. Dadurch bildet sich eine Dicke des Siliziumfilms von vorzugsweise unter 10 μm aus. Aufgrund der sehr kleinen Abstände zwischen den n- und p-Leitungen n, p entsteht besonders hochwertiges, monokristallines Silizium.
Es ist jedoch denkbar, auf den Leitungsstrukturen n, p der 10a, 9a und 9c Silizium im Epitaxie-Verfahren aufwachsen zu lassen. Möglicherweise wird nach dem epitaktischen Aufwachsen noch einmal formiert. Günstigerweise werden im Epitaxieverfahren Graphitfasern zuerst durch stark dotiertes geschmolzenes Silizium umgeben, so dass ein stark dotiertes Silizium-Carbid-Kristall mit einer bevorzugten Schichtdicke in der Größenordnung von 1 μm entsteht, auf dem im Epitaxieverfahren Halbleitermaterial aufwachsen kann.
Bezugszeichenliste

1: Solarzelle
2: sonnenlichtzugewandte Seite
3: sonnenlichtabgewandte Seite
4: einfallende Licht-/Sonnenstrahlen
5: Anschluss
7: Drähte
20: PIN-Strukturen
21: Metallschicht
22: Block
40: Gräben
41: Wandungen
42: Meter
50: Nadeln
70: Leiter
90: Siliziumbad
91: Lamelle
100: Rahmen
B: Breite
B_i, B_n, B_p: Breiten der einzelnen Bereiche
E: Solarzellenebene
E_el: elektrisches Feld
H: Höhe
H_i, H_n, H_p: Höhen der einzelnen Bereiche
L: Längsausdehnung
L_i, L_n, L_p: Längen der einzelnen Bereiche
n: n-dotierte Bereiche
p: p-dotierte Bereiche
i: intrinsische Bereiche
+: Löcher
–: Elektronen

Claims

Solarzelle (1) mit einer Solarzellenebene (E) entlang derer eine sonnenlichtzugewandte Seite (2) und eine sonnlichtabgewandte Seite (3) verlaufen und entlang der Solarzellenebene (E) in der Solarzellenebene (E) eine Vielzahl n-dotierter Bereiche (n) und p-dotierter Bereiche (p) abwechselnd angeordnet ist, wobei der n- und der p-dotierte Bereich (n, p) jeweils eine Dotierung von wenigstens 10¹⁹ Fremdatomen/cm³ aufweisen und aufeinanderfolgende p- und n-dotierte Bereiche (p, n) jeweils durch einen intrinsischen Bereich (i), der eine Dotierung von weniger als 10¹⁵ Fremdatome/cm³ aufweist, voneinander getrennt und voneinander beabstandet sind und sich die n-, p- und i-Bereiche (n, p, i) von der sonnenlichtabgewandten Seite (3) bis zur sonnenlichtzugewandten Seite (2) erstrecken und die n-, p- und i-Bereiche (n, p, i) aufeinander angeordnet sind mit der Sequenz: p-Bereich (p), i-Bereich (i), n-Bereich (n), leitender Kontaktbereich (21), n-Bereich (n), i-Bereich (i), p-Bereich (p), leitender Kontaktbereich (21), wobei die Breite jeder der i-Bereiche (i) zwischen 50 μm und 5000 μm beträgt und an den leitenden Kontaktbereichen (21) Kontakte (5) aufgebracht sind.
Solarzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines Querschnitts quer zur Solarzellenebene (E) jeder n-dotierte Bereich (n) von zwei p-dotierten Bereichen (p) benachbart ist.
Solarzelle (1) nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zueinander weisende Außenflächen benachbarter n- und p-dotierter Bereiche (n, p) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und somit zwischen sich ein homogenes elektrische Feld (E_el) ausbilden.
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1) nach den Ansprüchen 1 bis 3, indem Bereiche aufeinander angeordnet werden mit der Sequenz: p-Bereich (p), i-Bereich (i), n-Bereich (n), leitender Kontaktbereich (21), n-Bereich (n), i Bereich (i), p-Bereich (p), leitender Kontaktbereich (21), indem die intrinsischen Bereiche (i) mit höchstens 10¹⁶ Fremdatomen/cm³ datiert werden und die p- und n-Bereiche (p, n) mit jeweils mindestens 10¹⁹ Fremdatomen/cm³ dotiert werden und eine Vielzahl an Wafern jeweils an einer Außenseite (2, 3) p-dotiert wird und an einer gegenüberliegenden Außenseite (2, 3) n-dotiert wird und die dotierten Wafer mit gleichdotierten Außenseiten (2, 3) zueinander weisend zu einem Block (22) leitend aufeinandergeschichtet werden und quer zur Schichtung in solarzellenhohe Scheiben geschnitten werden.