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Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Photovoltaische Solarzellen dienen zum Umwandeln der Energie einfallender Photonen in elektrische Energie. Hierzu weisen typische Solarzellen eine Halbleiterschicht, eine elektrisch isolierende Isolierungsschicht sowie eine metallische Kontaktierungsstruktur auf.
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Die in der Halbleiterschicht absorbierten Photonen erzeugen Ladungsträgerpaare, welche an einem pn-Übergang getrennt werden. Die metallische Kontaktierungsstruktur ist mit dem p- oder mit dem n-dotierten Bereich verbunden, so dass Ladungsträger abgeführt werden können. Über eine weitere metallische Kontaktierungsstruktur oder auch über eine ganzflächige, rückseitige Metallisierung werden entsprechend Ladungsträger des Bereiches der Halbleiterstruktur mit dem entgegengesetzten Dotierungstyp abgeführt.
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Die Isolierungsschicht ist zwischen Halbleiterschicht und Kontaktierungsstruktur angeordnet, um unter anderem Verluste aufgrund von Rekombination der Minoritätsladungsträger an der Metall/Halbleiter-Grenzfläche und hieraus resultierende Verluste zu verringern. Die Isolierungsschicht weist eine Mehrzahl von Kontaktierungsausnehmungen auf, an welchen die Kontaktierungsstruktur mit der Halbleiterschicht in einem Kontaktierungsbereich einen elektrischen Kontakt ausbildet.
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Eine solche photovoltaische Solarzelle ist aus
US 2015 / 0 068 592 A1 bekannt.
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Weiterhin ist es bekannt, zur Verringerung der Minoritätsladungsträgerrekombination an der verbleibenden Grenzfläche zwischen Metall und Halbleiter in der Halbleiterschicht an den Kontaktierungsbereichen jeweils einen Dotierbereich durch Dotieren der Halbleiterschicht mit einem Metall vorzusehen, welches Metall Bestandteil der Kontaktierungsstruktur ist.
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Hierdurch kann in einfacher Weise im Herstellungsprozess der Solarzelle das Metall der metallischen Kontaktierungsstruktur zum Ausbilden so genannter lokalen Hochdotierungsbereiche an den Kontaktierungsbereichen in der Halbleiterschicht verwendet werden und so in kostengünstiger Weise die vorgenannte Reduzierung der Minoritätsladungsträgerrekombination in diesen Bereichen erzielt werden.
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Trotz der Erfolge hinsichtlich der Verringerung der Herstellungskosten und/oder Erhöhung des Wirkungsgrades von photovoltaischen Solarzellen besteht auf dem Markt weiterhin ein hoher Kostendruck. Darüber hinaus finden photovoltaische Solarzellen inzwischen in breit gefächerten Anwendungen Verwendung, so dass nicht immer eine optimale Anordnung hinsichtlich der Strahlungsquelle, beispielsweise der Sonne, gewährleistet ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine photovoltaische Solarzelle mit einer Isolierungsschicht und Kontaktierungsstruktur wie zuvor beschrieben zu verbessern, indem der Wirkungsgrad aufgrund einer erzielten Verringerung von Verlusten erhöht wird.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle finden sich in den Ansprüchen 2 bis 15.
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Die vorliegende Erfindung ist in der Erkenntnis begründet, dass speziell bei Solarzellen mit einer Kontaktierungsstruktur wie eingangs beschrieben ein Verlust in der Kontaktierungsstruktur im Bereich der Kontaktierungsausnehmungen begründet ist:
- Wie zuvor beschrieben, wird das Metall der Kontaktierungsstruktur verwendet, um lokale Dotierbereiche an den Kontaktierungsausnehmungen in der Halbleiterschicht zu erzeugen. Hierdurch erfolgt jedoch nicht nur eine lokale Dotierung der Halbleiterschicht durch das Metall, ebenso wird typischerweise Halbleitermaterial in die metallische Kontaktierungsstruktur integriert. Hierdurch verringert sich die Leitfähigkeit der Kontaktierungsstruktur in diesem Bereich.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass insbesondere bei Ausbildung der Kontaktierungsstruktur unter Verwendung von an sich bekannten Kontaktfingern der Leitungswiderstand der Kontaktfinger bei vorbekannten Solarzellenstrukturen im Bereich der Kontaktierungsausnehmungen durch das im Kontaktfinger eingelagerte Halbleitermaterial derart ansteigt, dass aufgrund des erhöhten elektrischen Leitungswiderstandes und entsprechender ohmscher Leistungsverluste signifikante Verringerungen des Gesamtwirkungsgrades der photovoltaischen Solarzelle auftreten.
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Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle führt zu einer Vermeidung oder zumindest Verringerung dieser Verluste:
- Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle weist mindestens eine Halbleiterschicht, mindestens eine elektrisch isolierende Isolierungsschicht und mindestens eine metallische Kontaktierungsstruktur auf. Die Isolierungsschicht ist zwischen Halbleiterschicht und Kontaktierungsstruktur angeordnet.
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Um eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterschicht mittels der Kontaktierungsstruktur auszubilden weist die Isolierungsschicht eine Mehrzahl von Kontaktierungsausnehmungen auf, an welchen die Kontaktierungsstruktur mit der Halbleiterschicht in einem Kontaktierungsbereich einen elektrischen Kontakt ausbildet.
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Weiterhin ist - wie eingangs beschrieben - in der Halbleiterschicht zumindest an den Kontaktierungsbereichen jeweils ein Dotierbereich durch Dotieren der Halbleiterschicht mit einem Metall ausgebildet, welches Metall vollständiger oder teilweiser Bestandteil der metallischen Kontaktierungsstruktur ist. Hierdurch können wie eingangs beschrieben Verluste aufgrund von Oberflächenrekombination der Ladungsträger in der Halbleiterschicht an den Kontaktierungsbereichen verringert werden.
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Wesentlich ist, dass die Kontaktierungsstruktur eine Mehrzahl von Kontaktfingern aufweist, welche Kontaktfinger sich jeweils über mehrere Kontaktierungsbereiche und/oder entlang mehrerer Kontaktierungsbereiche erstrecken, wobei die Kontaktfinger an den Kontaktierungsbereichen eine lokale Querschnittsflächenerhöhung aufweisen und zwischen benachbarten lokalen Querschnittsflächenerhöhungen entlang eines Kontaktfingers keine Kontaktierungsbereiche ausgebildet sind.
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Diese Ausgestaltung ist in der Erkenntnis begründet, dass ein Bedarf an einer Kontaktierungsstruktur, welche die zuvor beschriebenen lokalen Dotierbereiche überdeckt, besteht, welche Kontaktierungsstruktur keine vollflächige Metallisierung, wie beispielsweise vorbekannte vollflächige Rückseitenmetallisierungen ist. Es besteht Bedarf an einer solchen Kontaktierungsstruktur, welche aufgrund der nicht ganzflächigen Bedeckung der Oberfläche durch eine Metallschicht zumindest teilweise transparent für einfallende Photonen ist. Mittels einer solchen Kontaktierungsstruktur mit einer Mehrzahl von Kontaktfingern ist somit die Verwendung solch einer Kontaktierungsstruktur an einer bei Verwendung der Solarzelle der Lichtquelle zugewandten Vorderseite der Solarzelle möglich. Ebenso ist die Verwendung an der Rückseite einer Solarzelle möglich, beispielsweise um eine bifaciale photovoltaische Solarzelle auszubilden, wie nachfolgend näher erläutert wird.
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Hier ergaben Untersuchungen, dass im Gegensatz zu einer ganzflächigen Metallisierung die Ausbildung der Kontaktierungsstruktur mit einer Mehrzahl von Kontaktfingern jedoch das Risiko der zuvor erwähnten ohmschen Leistungsverluste aufgrund der lokalen Erhöhung des Leitungswiderstandes in den Kontaktfingern birgt.
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Bei der erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle erstrecken sich die Kontaktfinger jeweils über mehrere Kontaktierungsbereiche und/oder entlang mehrerer Kontaktierungsbereiche, wobei die Kontaktfinger an den Kontaktierungsbereichen eine lokale Querschnittsflächenerhöhung aufweisen und zwischen benachbarten lokalen Querschnittsflächenerhöhungen entlang eines Kontaktfingers keine Kontaktierungsbereiche ausgebildet sind und/oder die Kontaktfinger an den Kontaktierungsbereichen elektrisch parallel geschaltete Leitungsstrukturen aufweisen, welche die Kontaktierungsbereiche nicht überdecken.
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Durch eine lokale Querschnittsflächenerhöhung kann somit die lokale Erhöhung des spezifischen Leitungswiderstandes der Kontaktfinger an den Kontaktierungsausnehmungen kompensiert oder zumindest verringert werden. Im Ergebnis erfolgt durch eine solche Ausbildung der Kontaktfinger mit lokalen Querschnittsflächenerhöhungen an den Kontaktierungsbereichen eine Vermeidung oder zumindest Verringerung der vorgenannten ohmschen Leistungsverluste.
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Vorzugsweise weisen die Kontaktfinger an den Kontaktierungsbereichen eine Verbreiterung parallel zu der Oberfläche der Isolierungsschicht und senkrecht zu einer Längserstreckung des Kontaktfingers auf.
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Hierdurch wird somit in einfacher und insbesondere technisch unaufwändig realisierbarer Weise eine lokale Querschnittsflächenerhöhung durch zumindest lokale Verbreiterung des Kontaktfingers an den Kontaktierungsbereichen erzielt.
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Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass die Kontaktfinger an den Kontaktierungsbereichen die Isolierungsschicht überlappend ausgebildet sind. Hierdurch wird ein zweifacher Effekt zur Verringerung der vorgenannten ohmschen Leistungsverluste erzielt:
- Einerseits erfolgt durch die Verbreiterung an den Kontaktierungsbereichen eine Querschnittflächenerhöhung, so dass aufgrund der Querschnittsflächenerhöhung der Durchleitungswiderstand im Kontaktfinger sinkt, verglichen mit einem Kontaktfinger ohne Querschnittsflächenerhöhung. Darüber hinaus wird in den Bereichen des Kontaktfingers, welche die Isolierungsschicht überlappen, kein oder nur geringfügig Halbleitermaterial eingelagert, da diese Bereiche nicht oder zumindest nicht unmittelbar im Herstellungsprozess in Kontakt mit der Halbleiterschicht stehen. Im Ergebnis ist somit der spezifische Leitungswiderstand in den Bereichen des Kontaktfingers, welche die Isolierungsschicht überlappen, geringer (aufgrund der geringeren Einlagerung von Halbleitermaterial) gegenüber den Bereichen unmittelbar an oder über den Kontaktierungsflächen (aufgrund der höheren Einlagerung von Halbleitermaterial). Im Ersatzschaltbild kann somit von einer Parallelschaltung eines Kontaktfingerbereiches mit höherem spezifischen Widerstand und geringerem spezifischen Widerstand ausgegangen werden, so dass insgesamt keine oder eine nur geringfügige Erhöhung des Leitungswiderstandes im Kontaktfinger aufgrund der Einlagerung von Halbleitermaterial erfolgt und somit diesbezügliche Wirkungsgradverluste vermieden oder zumindest verringert werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform überdecken hierbei die Kontaktfinger in einem den Kontaktierungsbereich umlaufenden Bereich die Isolierungsschicht. Hierdurch wird einerseits der vorbeschriebene Effekt der Parallelschaltung verstärkt. Darüber hinaus ist bei der Herstellung der Solarzelle eine geringere Prozessierungsgenauigkeit notwendig, da umlaufend um die Kontaktierungsfläche eine Überlappung der Isolierungsschicht durch den Metallisierungsfinger vorliegt und somit höhere Toleranzen hinsichtlich von Justierungenauigkeiten gegeben sind.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst, indem die Kontaktfinger an den Kontaktierungsbereichen elektrisch parallel geschaltete metallische Leitungsstrukturen aufweisen, welche die Kontaktierungsbereiche nicht überdecken. Diese elektrisch parallel geschalteten metallischen Leitungsstrukturen weisen somit keine oder nur geringfügige Einlagerungen von Halbleitermaterial auf, da sie die Kontaktierungsbereiche nicht überdecken. Aufgrund der Parallelschaltung des Bereiches des Kontaktfingers, welcher die Kontaktierungsbereiche überdeckt, mit den vorgenannten elektrischen metallischen Leitungsstrukturen werden Erhöhungen im Leitungswiderstand aufgrund von Einlagerungen von Halbleitermaterial durch die elektrisch parallel geschalteten metallischen Leitungsstrukturen somit kompensiert oder zumindest verringert. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, alternativ lokale Querschnittsflächenerhöhungen oder elektrisch parallel geschaltete metallische Leitungsstrukturen vorzusehen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, sowohl lokale Querschnittsflächenerhöhungen, als auch elektrisch parallel geschaltete metallische Leitungsstrukturen vorzusehen.
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Die elektrisch parallel geschalteten metallischen Leitungsstrukturen sind vorzugsweise als lokale, parallele Nebenfinger ausgebildet. Diese Nebenfinger sind Bestandteil eines Fingers, verlaufen jedoch im Bereich der Kontaktierungsbereiche parallel zu einem Hauptast des Kontaktfingers und beabstandet zu diesen. Vor und/oder nach, bevorzugt vor und nach den Kontaktierungsbereichen sind die Nebenfinger elektrisch leitend und insbesondere bevorzugt stoffschlüssig mit dem Hauptast des Kontaktfingers verbunden.
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Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Hauptast die Kontaktierungsbereiche nicht überdeckt und somit lediglich die Nebenfinger die Kontaktierungsbereiche überdecken. Hierdurch ergibt sich einerseits der Vorteil, dass der Stromfluss im Hauptast nicht oder nur geringfügig durch Einlagerungen von Halbleitermaterial beeinträchtigt wird. Darüber hinaus sind die Nebenfinger im Bereich der Kontaktierungsbereiche von dem Hauptast beabstandet, so dass auch bei Herstellung eines solchen Kontaktfingers Halbleitermaterial, welches im Metall der Nebenfinger eingelagert ist, nicht oder nur geringfügig - aufgrund der räumlichen Beabstandung - in das Material des Hauptastes des Kontaktfingers gelangen kann.
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Vorzugsweise sind die Kontaktierungsausnehmungen paarweise angeordnet, wobei die einem Paar zugeordneten Kontaktierungsausnehmungen auf gegenüberliegenden Seiten des Kontaktfingers angeordnet sind.
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In dieser vorteilhaften Ausführungsform verläuft somit eine Hauptlinie oder ein Hauptast des Kontaktfingers zwischen dem Paar von Kontaktierungsausnehmungen hindurch, wobei im Bereich der Kontaktierungsausnehmungen der Kontaktfinger eine Verbreiterung aufweist, so dass er zumindest die Kontaktierungsausnehmungen überdeckt.
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Der Kontaktfinger weist somit einen Hauptast auf, welcher zwischen den beiden ein Paar bildenden Kontaktierungsausnehmungen hindurch verläuft. Der Hauptast des Kontaktfingers weist im Bereich der Kontaktierungsausnehmungen eine Verbreiterung in Form von Seitenästen oder seitlich angefügten Erweiterungen auf, welche zumindest die Kontaktierungsausnehmungen überdecken.
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Der Hauptast des Kontaktfingers ist somit zwischen den Kontaktierungsausnehmungen auf der Isolierungsschicht geführt und weist somit in diesem Bereich keine oder nur vergleichsweise geringfügige Einlagerungen von Halbleitermaterial und entsprechend keine oder nur eine vergleichsweise geringe Erhöhung des spezifischen elektrischen Leitungswiderstandes auf. Aufgrund der Überdeckung der Kontaktierungsausnehmungen werden somit Ladungsträger seitlich an den Hauptast des Kontaktfingers herangeführt. Die Gesamtstromdichte bei dieser seitlichen Heranführung ist jedoch vergleichsweise gering, da lediglich die Ladungsträger aus den jeweils zugeordneten Kontaktierungsausnehmungen innerhalb dieser Bereiche dem Hauptast des Kontaktfingers zugeführt werden müssen. Die Ladungsträger von benachbarten Paaren von Kontaktierungsausnehmungen fließen hingegen durch den Hauptast des Kontaktfingers, welcher wie zuvor beschrieben nicht oder nur geringfügig durch Einlagerungen von Halbleitermaterial beeinträchtigt ist.
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Alternativ und/oder zusätzlich zur Ausbildung einer lokalen Querschnittsflächenerhöhung durch lokale Verbreiterung des Kontaktfingers weist der Kontaktfinger an den Kontaktierungsbereichen eine lokale Dickenerhöhung auf. Hierbei kann bei konstanter Breite ausschließlich durch eine Dickenerhöhung eine lokale Querschnittsflächenerhöhung erzielt werden, um die ohmschen Leistungsverluste wie zuvor beschrieben zu verringern.
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Ebenso kann durch eine Kombination von Verbreiterung und Dickenerhöhung eine vergleichsweise stärkere Querschnittsflächenerhöhung und entsprechend stärkere Verringerung des Durchleitungswiderstandes erzielt werden.
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Vorzugsweise umfasst die Kontaktierungsstruktur eine Mehrzahl von Kontaktfingern und mindestens einen Busbar, wobei die Kontaktfinger bevorzugt stoffschlüssig und elektrisch leitend mit dem Busbar verbunden sind.
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Ein Busbar stellt hierbei einen Teilbereich der Kontaktierungsstruktur dar, welcher Ladungsträger von der Mehrzahl von Kontaktfingern einsammelt und zu einem Anschluss wie beispielsweise einem Zellverbinder oder einem Lötpad zum Verbinden mit einem externen Stromkreis bzw. Zellverbinder weiterleitet.
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Vorzugsweise überdeckt der Busbar keine Kontaktierungsbereiche, d. h. der Busbar ist ausschließlich über die Kontaktfinger und die von diesen überdeckten Kontaktflächen elektrisch leitend mit der Halbleiterstruktur verbunden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass keine Verringerung der Leitfähigkeit im Busbar aufgrund der Einlagerung von Halbleitermaterial erfolgt.
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Kontaktfinger und Busbar können die Struktur an sich bekannter Kontaktierungsgitter aufweisen, insbesondere kammartiger oder doppelkammartiger Kontaktgitter. Vorzugsweise erstrecken sich die Kontaktfinger parallel und der Busbar erstreckt sich senkrecht zu den Kontaktfingern. Hierdurch kann somit hinsichtlich Busbar und Kontaktfinger (bzw. hinsichtlich Busbar und Hauptast der Kontaktfinger bei einer bevorzugten Ausgestaltung wie zuvor beschrieben) auf an sich bekannte Geometrien und Herstellungsmethoden im Wesentlichen zurückgegriffen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kontaktierungsstruktur eine Mehrzahl von Kontaktfingern, wobei die Kontaktfinger untereinander keine metallisch elektrisch leitende Verbindung aufweisen. Eine elektrisch leitende Verbindung der Kontaktfinger besteht somit allenfalls über die Halbleiterschicht oder über nachträglich durch einen externen Stromkreis oder beispielsweise bei Fertigstellung des Solarzellenmoduls und Verschaltung der Solarzelle mit mehreren benachbarten Solarzellen über zusätzliche Komponenten.
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Hierdurch ergibt sich eine kostengünstige Herstellung, da keine Busbars als Bestandteil der Solarzelle, welche Kontaktfinger verbinden, ausgebildet werden.
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Bevorzugt weist zumindest eine Teilmenge der Kontaktierungsflächen, insbesondere bevorzugt alle Kontaktierungsflächen eine längliche Streckung auf, wobei die Kontaktierungsflächen senkrecht zu einer Längserstreckung des Kontaktfingers angeordnet sind. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kontaktfinger somit als aus einem Hauptast bestehend angesehen werden, an welchem Hauptast seitlich die Kontaktierungsflächen angeordnet sind, welche sich bevorzugt in etwa senkrecht zu dem Hauptast des Kontaktfingers erstrecken. Auch hier überdeckt der Kontaktfinger zumindest die Kontaktierungsflächen, vorzugsweise zusätzlich einen die Kontaktierungsflächen umgebenden Bereich der Isolierungsschicht. Hinsichtlich der elektrischen Leitungswege können die Kontaktierungsflächen aufgrund ihrer länglichen Erstreckung und die diese Kontaktierungsflächen bedeckenden Bereiche des Kontaktfingers somit als „Mikro-Finger“ angesehen werden, welche Ladungsträger dem Hauptast des Kontaktfingers zuführen.
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Hierdurch ergibt sich der bereits zuvor ausgeführte Vorteil, dass in dem Hauptast des Kontaktfingers kein oder nur eine geringfügige Erhöhung des Leitungswiderstandes aufgrund einer Einlagerung von Halbleitermaterial erfolgt. Darüber hinaus bietet die längliche Erstreckung der Kontaktierungsflächen die Möglichkeit einer guten Abdeckung der Halbleiterschicht durch Kontaktierungsflächen, womit zusätzlich Verluste aufgrund des Leitungswiderstandes in der Halbleiterschicht, so genannte Serienwiderstandsverluste innerhalb der Halbleiterschicht aufgrund kürzerer Flusswege der Majoritätsladungsträger in der Halbleiterschicht verringert werden.
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Eine weitere Verringerung von ohmschen Leistungsverlusten in der Kontaktierungsstruktur wird hierbei in einer weiter bevorzugten Ausführungsform erzielt, bei welcher der Kontaktfinger an den Kontaktierungsflächen mit länglicher Erstreckung eine entlang der länglichen Erstreckung in Richtung des Kontaktfingers zunehmende Querschnittsfläche, insbesondere bevorzugt eine zunehmende Breite aufweist. Die vorgenannten Mikro-Finger sind somit in der an sich bekannten Form eines „tapered finger“ ausgebildet. Hierbei wird berücksichtigt, dass über die gesamte Kontaktierungsfläche Ladungsträger in die die Kontaktierungsfläche bedeckende Metallisierung eintreten und somit entlang einer Stromhauptflussrichtung in der Kontaktierungsstruktur entlang der Kontaktierungsfläche der Gesamtstrom ansteigt. Eine kontinuierliche oder stufenartig quasi kontinuierliche zunehmende Querschnittsfläche entlang dieser Hauptstromrichtung, vorliegend somit in Richtung des Hauptastes des Kontaktfingers, führt somit insofern zu einer Optimierung, dass einerseits die Stromdichte aufgrund der zunehmenden Querschnittsfläche nicht oder nur geringfügig ansteigt und andererseits dennoch die Abschattung der Oberfläche der Solarzelle aufgrund der Kontaktierungsstruktur möglichst gering gehalten werden kann.
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Wie zuvor ausgeführt führen die Herstellungsverfahren, welche bei solchen Kontaktierungsstrukturen eine lokale Dotierung im Bereich der Kontaktierungsflächen mit einem Metall, welches einziger oder teilweiser Bestandteil der Metallisierungsstruktur ist, ebenso zu einer Einlagerung von Halbleitermaterial in der Metallisierungsstruktur im Bereich der Kontaktierungsflächen. Die Kontaktfinger können somit im Kontaktierungsbereich Halbleitermaterials der Halbleiterschicht enthalten.
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Die vorbeschriebene Kontaktierungsstruktur ist insbesondere zur Anordnung an der Rückseite der Solarzelle geeignet. Hierdurch kann die an sich bekannte und favorisierte Struktur einer lokalen Kontaktierung (durch die lokalen Ausnehmungen in der Isolierungsschicht zur Ausbildung der Kontaktierungsflächen) und die lokale Hochdotierung in der Halbleiterschicht im Bereich der Kontaktierungsflächen aufrechterhalten werden und gleichzeitig eine bifaciale Solarzelle ausgebildet werden:
- Aufgrund der Ausbildung der Kontaktierungsstruktur mit einer Mehrzahl von Kontaktfingern ist es nicht notwendig, eine ganzflächige Metallisierung der Rückseite vorzusehen. An den nicht durch die Kontaktierungsstruktur bedeckten Bereichen der Rückseite können somit Photonen in die Halbleiterschicht eindringen und zur Ladungsträgergeneration beitragen. Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle somit als bifaciale Solarzelle ausgebildet, so dass sowohl von der Vorderseite, als auch von der Rückseite auf die Solarzelle auftreffende Photonen zur Stromerzeugung beitragen können.
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Die Kontaktierungsstruktur wird vorteilhafterweise zur Kontaktierung eines p-dotierten Bereiches verwendet: Ein typisches Metall zur Ausbildung der Kontaktierungsstruktur ist beispielsweise Aluminium. Mittels dieser Metalle kann wie zuvor beschrieben die lokale Hochdotierung in p-dotierten Bereichen der Solarzelle erfolgen, nicht jedoch in den hierzu entgegengesetzt dotierten Bereichen, den n-dotierten Bereichen.
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Die Mehrzahl der aktuell produzierten Solarzellen weisen n-dotierte Emitter und entsprechend eine p-dotierte Basis auf. Vorteilhafterweise wird daher die Kontaktierungsstruktur zur Kontaktierung der Basis der Solarzelle verwendet.
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Zunehmend sind jedoch aufgrund verbesserter Materialeigenschaften Solarzellen von Interesse, welche eine n-dotierte Basis aufweisen. Bei solchen Solarzellen wird entsprechend vorteilhafterweise die Kontaktierungsstruktur zur Kontaktierung des p-dotierten Emitters verwendet, beispielsweise bei Verwendung eines mittels Aluminium p-dotierten Emitters.
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Besonders vorteilhaft ist die photovoltaische Solarzelle als PERC-Solarzelle ausgebildet. Die Grundstruktur einer solchen Solarzelle ist in Blakers, et al. (1989): 22.8% efficient silicon solar cell. In: Appl. Phys. Lett. 55 (13), S. 1363. DOI: 10.1063/1.101596, beschrieben.
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Die lokale Querschnittsflächenerhöhung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Querschnittsfläche im Bereich der Kontaktierungsbereiche mit mindestens einen Faktor 1,2, vorzugsweise mit mindestens einem Faktor 1,5, insbesondere mit mindestens einem Faktor 2 erhöht ist, verglichen mit der Querschnittsfläche derjenigen Bereiche der Kontaktfinger, welche von den Kontaktierungsbereichen in Hauptstromflussrichtung beabstandet sind.
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Die lokale Querschnittsflächenerhöhung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Querschnittsfläche im Bereich der Kontaktierungsbereiche mit maximal einen Faktor 10, vorzugsweise mit maximal einem Faktor 7, insbesondere mit maximal einem Faktor 5 erhöht ist, verglichen mit der Querschnittsfläche derjenigen Bereiche der Kontaktfinger, welche von den Kontaktierungsbereichen in Hauptstromflussrichtung beabstandet sind.
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In Hauptstromflussrichtung des Kontaktfingers bzw. eines Hauptastes des Kontaktfingers erstreckt sich die lokale Querschnittsflächenerhöhung vorzugsweise maximal um die doppelte Länge der Kontaktfläche in Hauptstromflussrichtung, vorzugsweise maximal um die einfache Länge der Kontaktfläche, insbesondere bevorzugt maximal um die Hälfte der Länge der Kontaktfläche.
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Typischerweise weist der Kontaktfinger bzw. zumindest ein Hauptast des Kontaktfingers eine längliche Erstreckung auf. In diesem Fall verläuft die Hauptstromflussrichtung typischerweise entlang dieser länglichen Erstreckung.
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Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle, welche als PERC-Solarzelle ausgebildet ist in perspektivischer Darstellung;
- 2 die Kontaktierungsstruktur der Solarzelle gemäß 1;
- 3 eine alternative Kontaktierungsstruktur gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels, welche Mikro-Finger umfasst;
- 4 eine weitere alternative Ausführung einer Kontaktierungsstruktur gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels, welche keine Busbars aufweist;
- 5 ein viertes Ausführungsbeispiel in Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene durch einen Kontaktfinger verläuft und
- 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei welchem die Kontaktfinger an den Kontaktierungsbereichen elektrisch parallel geschaltete Leitungsstrukturen aufweisen, welche die Kontaktierungsbereiche nicht überdecken.
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Sämtliche Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. Gleiche Bezugszeichen in den 1 bis 5 bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle, welche eine PERC-Struktur aufweist:
- Die Solarzelle weist eine Halbleiterschicht 1 auf, welche als p-dotierter Siliziumwafer ausgebildet ist. In der Darstellung gemäß 1 ist die Rückseite der Solarzelle obenliegend und entsprechend die Vorderseite der Solarzelle untenliegend dargestellt.
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An der Vorderseite der Solarzelle ist ein n-dotierter Emitter 2 ausgebildet. Zur Passivierung und Verbesserung der optischen Eigenschaften (Verringerung der Reflektion) ist an der Vorderseite zusätzlich eine Antireflexschicht 3 angeordnet, welche als dielektrische Schicht ausgebildet ist und somit zusätzlich elektrisch isolierend ist. Auf der Antireflexschicht 3 ist (nicht dargestellt) ein an sich bekanntes metallisches Vorderseitenkontaktierungsgitter angeordnet, welches bereichsweise die Antireflexschicht 3 durchgreift, um eine elektrisch leitende Verbindung mit dem Emitter 2 in an sich bekannter Weise auszubilden.
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An der Rückseite der Solarzelle ist eine elektrisch isolierende Isolierungsschicht 4 angeordnet, welche vorliegend als Siliziumnitridschicht ausgebildet ist.
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Auf der Isolierungsschicht 4 ist eine Kontaktierungsstruktur 5 angeordnet, welche somit eine metallische Rückseitenkontaktierungsstruktur der Solarzelle gemäß 1 darstellt. Die Isolierungsschicht 3 weist eine Mehrzahl von Kontaktierungsausnehmungen (beispielsweise Kontaktierungsausnehmung 6) auf. Diese Mehrzahl von Kontaktierungsausnehmungen wird beispielsweise mittels lokaler Laserablation der Isolierungsschicht erzeugt. An diesen Kontaktierungsausnehmungen 6 durchdringt die Kontaktierungsstruktur 5 die Isolierungsschicht 4 und bildet mit der Halbleiterschicht 1 einen elektrisch leitenden Kontakt zur Kontaktierung der p-dotierten Basis der photovoltaischen Solarzelle aus.
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Während der Herstellung wird in einem so genannten „Kontaktfeuern“ Halbleitermaterial der Halbleiterschicht 1 im Bereich der Kontaktierungsausnehmungen 6 in aufgeschmolzenes Metall ausgelöst. Im Abkühlvorgang des Kontaktfeuerns rekristallisiert das ausgelöste Halbleitermaterial an der Halbleiterschicht 1 und ist somit mittels dem Metall, vorliegend Aluminium, dotiert, so dass einerseits Metall der Kontaktierungsstruktur 5 als Dotierstoff in der Halbleiterschicht 1 vorliegt und somit lokale Dotierbereiche 7 ausgebildet werden. Andererseits wird hierbei aber auch Halbeitermaterial in der Kontaktierungsstruktur im Bereich der Kontaktierungsausnehmungen eingelagert.
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Die Kontaktierungsstruktur ist vorliegend aus Aluminium ausgebildet, so dass entsprechend die Dotierbereiche 7 aluminiumdotierte und somit p-dotierte Dotierbereiche darstellen. Die Dotierung dieser Bereiche ist höher als die Grunddotierung der Basis der Halbleiterschicht 1, so dass die Dotierbereiche 7 lokale p-hochdotierte Bereiche (auch als p++ bezeichnet) darstellen.
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Die Ausgestaltung der Kontaktierungsstruktur 5 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert:
- Die 2 bis 4 und 6 zeigen jeweils Teilausschnitte von verschiedenen Kontaktierungsstrukturen jeweils in Draufsicht. 2 zeigt hierbei die Kontaktierungsstruktur 5 der Solarzelle gemäß 1.
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Zusätzlich sind in den 2 bis 4 und 6 jeweils Ausschnittvergrößerungen von lokalen Querschnittsflächenerhöhungen der Kontaktierungsstrukturen dargestellt.
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Die in 2 dargestellte Kontaktierungsstruktur 5 weist einen Busbar 8 und eine Mehrzahl von Kontaktfingern auf, wobei vorliegend drei Kontaktfinger 9 dargestellt sind.
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Die Kontaktfinger erstrecken sich jeweils über mehrere Kontaktierungsbereiche 10:
- Wie in der Ausschnittvergrößerung ersichtlich, durchgreift in einer Kontaktierungsausnehmung 6 der Isolierungsschicht 4 der Kontaktfinger 9 die Isolierungsschicht 4 und bildet somit in diesem Bereich einen elektrischen Kontakt zur Halbleiterschicht 1 aus. Es besteht somit eine Kontaktierungsfläche 11 im Kontaktierungsbereich 10, an welcher Kontaktierungsfläche 11 die Kontaktierungsstruktur 5 und die Halbleiterschicht 1 unmittelbar aneinander angrenzen und einen elektrischen Kontakt ausbilden.
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Wesentlich ist, dass die Kontaktfinger 9 an den Kontaktierungsbereichen 10 jeweils eine lokale Querschnittsflächenerhöhung aufweisen:
- Wie in der Draufsicht gemäß 2 ersichtlich, weisen die Kontaktfinger 9 an den Kontaktierungsbereichen 10 jeweils eine lokale Verbreiterung parallel zu der Oberfläche der Isolierungsschicht 4 auf. Die lokale Querschnittsflächenerhöhung ist somit eine Querschnittsflächenerhöhung des Kontaktfingers 9 im Bereich der Kontaktierungsfläche 11 gegenüber der Querschnittsfläche des Kontaktfingers im Verlauf vor und nach der Kontaktierungsfläche 11. Die Querschnittsfläche ist vorliegend im Bereich der Kontaktierungsfläche (Bereich „A1“) mit einem Faktor von etwa 1,7 erhöht, verglichen mit der Querschnittsfläche vor und hinter der Kontaktierungsfläche (Positionen „A2“ und „A3“). Vorzugsweise liegt eine Querschnittsflächenerhöhung mit einem Faktor im Bereich 1,10 bis 3, insbesondere im Bereich 1,2 bis 2 vor. Die Finger haben vorliegend im Bereich außerhalb der Kontaktflächen (außerhalb der Querschnittsflächenerhöhung) eine Breite von etwa 300 µm, vorzugsweise liegt diese Breite etwa im Bereich (100 µm bis 500 µm). Im Bereich der Kontaktierungsflächen (im Bereich der Querschnittsflächenerhöhung) haben die Finger vorliegend einer Breite von etwa 500 µm. Vorzugsweise ist die Querschnittsflächenerhöhung in etwa auf den Bereich der Kontaktierungsfläche beschränkt. Ebenso kann die Querschnittsflächenerhöhung sich geringfügig vor und hinter der Kontaktierungsfläche weiter erstrecken, vorzugsweise jedoch weniger als die Hälfte der Länge der Kontaktierungsfläche. Die Bezeichnung „Länge“ bezieht sich auf die Erstreckung der Kontaktierungsfläche in Hauptstromflussrichtung.
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Da die Verbreiterung größer als die Breite der Kontaktierungsfläche 11 ausgebildet ist, ist der Kontaktfinger 9 somit an den Kontaktierungsbereichen 10 die Isolierungsschicht 4 überlappend ausgebildet. Insbesondere überlappt der Kontaktfinger jeweils die Isolierungsschicht 4 in einem die Kontaktierungsfläche 11 umlaufenden Bereich, d. h. vorliegend in der Draufsicht von oben ist die Kontaktierungsfläche 11 umlaufend von einem die Isolierungsschicht 4 überlappenden Bereich des Kontaktfingers 9 umschlossen. Die Kontaktfinger 9 überdecken somit die Kontaktierungsbereiche 10 und somit auch die Kontaktflächen 11.
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Bei Verwendung der Solarzelle erfolgt der Stromfluss in der Kontaktierungsstruktur 5 in Richtung des Busbars 8, welcher beispielsweise bei Ausbildung eines Solarzellenmoduls über Zellverbinder mit einer benachbarten Solarzelle elektrisch leitend verbunden ist.
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In den Kontaktfingern 9 erfolgt der Stromfluss gemäß 2 somit von rechts nach links. In einem Kontaktierungsbereich ist der spezifische elektrische Leitungswiderstand des Kontaktfingers 9 erhöht, da in diesem Bereich Halbleitermaterial der Halbleiterschicht 1 in den Kontaktfinger eingelagert ist. Aufgrund der Querschnittsflächenerhöhung, vorliegend in der Verbreiterung des Kontaktfingers im Kontaktierungsbereich begründet, wird diese Erhöhung des spezifischen Leitungswiderstandes jedoch kompensiert. Darüber hinaus weisen die Randbereiche des Kontaktfingers 9, welche den Kontaktierungsbereich 10 umschließen, kein oder nur eine geringfügige Konzentration des Halbleitermaterials auf, so dass entsprechend auch keine oder nur eine geringfügige Erhöhung des Leitungswiderstandes vorliegt.
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Im Ergebnis werden Wirkungsgradverluste begründet in einer lokalen Erhöhung des Leitungswiderstandes der Kontaktierungsstruktur 5 aufgrund von eingelagertem Halbleitermaterial vermieden oder zumindest erheblich verringert.
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3 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Kontaktierungsstruktur 5' mit entsprechend einer alternativen Ausgestaltung und Anordnung von Kontaktierungsausnehmungen und Kontaktierungsflächen 11' gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Kontaktierungsstruktur 5' gemäß 3 kann bei entsprechend angepassten Kontaktierungsausnehmungen 6 die Kontaktierungsstruktur 5 in 1 ersetzen, d. h. auch die Kontaktierungsstruktur 5' ist vorteilhaft als Rückseitenkontaktierungsstruktur einer bifacial ausgebildeten PERC-Solarzelle verwendbar.
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Die Kontaktfinger 9' der Kontaktierungsstruktur 5' gemäß 3 weisen einen Hauptast 12 auf, von welchem sich Mikro-Finger 13 erstrecken, wie in der Ausschnittvergrößerung gekennzeichnet. Die Mikrofinger 13 erstrecken sich senkrecht zur länglichen Haupterstreckungsrichtung des Hauptastes 12 des Kontaktfingers 9'.
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Entsprechend weisen auch die Kontaktierungsflächen 11' eine längliche Erstreckung auf und sind senkrecht zu der Längserstreckung des Hauptastes 12 des Kontaktfingers 9' angeordnet. Die Mikrofinger 13 überdecken die Kontaktierungsflächen 11' vollständig und überlappen darüber hinaus umlaufend um die Kontaktierungsflächen 11' die Isolierungsschicht.
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Auch bei der Kontaktierungsstruktur 5' gemäß 3 fließt bei Benutzung der Solarzelle in den Kontaktfingern 9' der Strom im Wesentlichen in Richtung des Busbars 5', d. h. im Hauptast 12 der Kontaktfinger 9' jeweils von rechts nach links gemäß der Darstellung in 3.
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In den Mikrofingern erfolgt der Stromfluss senkrecht zum Hauptast 12 und in Richtung zu dem Hauptast 12.
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Die Kontaktfinger 9' weisen somit an den Kontaktierungsflächen 11' jeweils lokale Querschnittsflächenerhöhungen auf, welche vorliegend durch die Mikro-Finger 13 und somit durch lokale Verbreiterungen (in Richtung des Hauptastes 12) ausgebildet sind. Die Querschnittsfläche erhöht sich vorliegend durch ein Paar von Mikrofingern mit etwa einem Faktor 3. Vorzugsweise erfolgt bei dieser Ausgestaltung die Erhöhung der Querschnittsfläche mit einem Faktor im Bereich 2 bis 5.
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Darüber hinaus überdeckt der Hauptast 12 keine Kontaktierungsfläche 11', so dass kein oder nur eine geringfügige Konzentration von Halbleitermaterial in dem Hauptast 12 eingelagert ist und somit der Stromfluss im Hauptast 12 in Richtung des Busbars 5' nicht oder nur geringfügig durch eine Erhöhung des Leitungswiderstandes aufgrund von Einlagerung von Halbleitermaterial beeinträchtigt ist.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Kontaktierungsstruktur 5'', welche ebenfalls zur Rückseitenkontaktierung einer Solarzelle analog der Darstellung in 1 verwendet werden kann. Die Dimensionierung der lokalen Querschnittserhöhung kann hier analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 erfolgen.
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Diese Kontaktierungsstruktur 5'' weist die Besonderheit auf, dass die Solarzelle keine elektrischen Leitungen zur Verbindung der einzelnen Kontaktfinger 9'' untereinander aufweist:
- Die Kontaktierungsstruktur 5'' weist eine Mehrzahl von Kontaktfingern 9'' auf, welche sich mit einem Hauptast des Fingers jeweils entlang einer Mehrzahl von Kontaktierungsflächen 11'' erstrecken. Die Kontaktierungsflächen 11'' sind, wie auch in 3, paarweise angeordnet, wobei die einem Paar zugeordneten Kontaktierungsflächen (und entsprechend auch die zugeordneten Kontaktierungsausnehmungen in der Isolierungsschicht) auf gegenüberliegenden Seiten des Hauptastes des jeweiligen Kontaktfingers 9'' ausgebildet sind. Die Ausschnittvergrößerung zeigt einen Kontaktfinger 9'' mit einem Paar von Kontaktierungsflächen 11'', welche gegenüberliegend dem Hauptast 12'' des Kontaktfingers 9'' angeordnet sind. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, ein Paar von Kontaktierungsflächen jeweils durchgängig als eine Kontaktierungsfläche auszubilden, welche sich in diesem Fall somit auch unter den Hauptast des Kontaktierungsfingers erstreckt.
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Auch die Kontaktierungsstruktur 5'' weist Mikrofinger 13' auf:
- Wie ebenfalls in der Ausschnittvergrößerung ersichtlich, sind seitlich an dem Hauptast 12'' des Kontaktfingers 9'' jeweils Mikrofinger 13'' angeordnet, welche die Kontaktierungsflächen 11'' vollständig überdecken. Darüber hinaus sind die Mikrofinger 13' als „tapered fingers“ ausgebildet, indem die Breite der Mikro-Finger 13' sich in Richtung des Hauptastes 12'' erhöht.
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Der Stromfluss in den Mikro-Fingern 13' steigt bei Verwendung der Solarzelle in Richtung des Hauptastes 12'' an, da kontinuierlich über die Kontaktierungsfläche 11'' Strom zugeführt wird. Um einen Leistungsverlust aufgrund der Zunahme des Stromflusses zu vermeiden oder zumindest zu verringern, nimmt die Breite der Mikro-Finger 13' in Richtung des Hauptastes 12'' jeweils zu.
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Die Kontaktfinger 9'' werden bei der Verschaltung der Solarzelle in einem Solarzellenmodul über externe Komponenten miteinander und/oder mit Kontaktfingern 9'' von benachbarten Solarzelle elektrisch leitend verbunden. Daher (und aufgrund des Fehlens einer Busbarstruktur) werden die Kontaktfinger 9'' gemäß 4 in der Literatur teilweise auch als Busbars bezeichnet.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die lokale Querschnittsflächenerhöhung durch eine lokale Dickenerhöhung erzielt wird:
- Grundsätzlich kann das Ausführungsbeispiel gemäß 5 auf einer Solarzellenstruktur gemäß 1 und auch auf einer Kontaktierungsstruktur in Draufsicht gemäß 2 beruhend ausgebildet werden. Die Darstellung gemäß 5 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Isolierungsschicht 4 und entlang und in etwa mittig in einem Kontaktfinger 9''' verlaufend. Die lokale Querschnittsflächenerhöhung des Kontaktfingers 9''' wird vorliegend somit nicht nur durch eine lokale Verbreiterung gemäß 2 erzielt, sondern zusätzlich durch eine lokale Dickenerhöhung gemäß 5. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die lokale Querschnittsflächenerhöhung ausschließlich durch eine lokale Dickenerhöhung gemäß 5 erzielt. Die Dicke erhöht sich vorliegend lokal etwa mit einem Faktor 2. Vorzugsweise erfolgt eine lokale Dickenerhöhung mit einem Faktor im Bereich 1, 2 bis 4.
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6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei welchem Kontaktfinger mit elektrisch parallel geschalteten metallischen Leitungsstrukturen ausgebildet sind:
- Auch die in Teildarstellung in 6 dargestellte Kontaktierungsstruktur kann zur Kontaktierung einer PERC-Solarzelle gemäß 1 verwendet werden.
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Auch hier gehen von einem Busbar 8''' mehrere Kontaktfinger 9'''' aus. Im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen weisen diese Kontaktfinger 9'''' so genannte „Nebenfinger“ auf: Wie in der rechts dargestellten Ausschnittsvergrößerung ersichtlich, ist mittig ein Hauptast 12''' des Kontaktfingers angeordnet, welcher keine Kontaktierungsbereiche überdeckt. Seitlich neben dem Hauptast 12''' sind parallel zu dem Hauptast Nebenfinger 14a und 14b angeordnet, welche im Bereich der Kontaktierungsbereiche 10 von dem Hauptast 12''' beabstandet sind, d. h. in diesen Bereichen besteht keine elektrisch leitende Verbindung. Lediglich zwischen den Kontaktierungsbereichen sind durch metallische Stege die Nebenfinger 14a und 14b mit dem Hauptast 12''' elektrisch leitend verbunden. Exemplarisch sind in der Ausschnittsvergrößerung zwei solche Stege mit den Bezugszeichen 15 gekennzeichnet.
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Hierdurch ergeben sich die Vorteile, dass bei Herstellung solch einer Kontaktierungsstruktur zwar Halbleitermaterial an den Kontaktierungsbereichen 10 in das Metall im Bereich der Kontaktierungsbereiche 10 eindiffundiert, aufgrund der räumlichen Beabstandung zu dem Hauptast 12''' jedoch nicht bis zu dem Hauptast gelangt. Der Stromfluss entlang des Hauptastes 12''' zu dem Busbar 8''' ist somit nicht oder nur geringfügig durch Einlagerung von Halbleitermaterial beeinträchtigt.
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Die Breite der Nebenfinger beträgt vorliegend etwa 75% der Breite des Haupastes. Vorliegend weist der Hauptast eine Breite von etwa 200 µm auf.
