DE102016118477A1 - SOLAR CELL - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle. Die Solarzelle weist ein Halbleitersubstrat mit einer p-leitenden ersten Dotierung, mit einer Vorderseite und einer Rückseite auf, wobei die Vorderseite eine Textur aufweist und die Rückseite eben ist. Auf der Rückseite des Halbleitersubstrats ist ein ebener erster Emitter angeordnet, der eine dem Halbleitersubstrat entgegengesetzte n-leitende zweite Dotierung aufweist. Angrenzend an den ersten Emitter ist auf der Rückseite eine Passivierungsschicht angeordnet, die erste Öffnungen für eine Rückseitenkontaktierung des Halbleitersubstrats aufweist. Eine Vorderseitenkontaktierung des Halbleitersubstrats, aufweisend Aluminium, ist auf der Vorderseite angeordnet. Das Halbleitersubstrat weist angrenzend an die Vorderseitenkontaktierung Aluminium-Atome auf, die ein Front-Surface-Field bilden. Eine Rückseitenkontaktierung des Halbleitersubstrats weist ein weiteres Metall auf. Das Halbleitersubstrat weist dabei eine Materialsättigungsstromdichte von weniger als 35 Femtoampere pro Quadratzentimeter, bevorzugt von weniger als 25 Femtoampere pro Quadratzentimeter und insbesondere bevorzugt von weniger als 15 Femtoampere pro Quadratzentimeter auf.The invention relates to a solar cell. The solar cell has a semiconductor substrate with a p-type first doping, with a front side and a rear side, the front side having a texture and the rear side being planar. On the rear side of the semiconductor substrate, a planar first emitter is arranged which has an n-type second doping opposite the semiconductor substrate. Adjacent to the first emitter, a passivation layer is arranged on the rear side, which has first openings for a back-side contact of the semiconductor substrate. Front side contacting of the semiconductor substrate comprising aluminum is disposed on the front side. The semiconductor substrate has aluminum atoms adjacent to the front-side contacting that form a front surface field. A rear-side contacting of the semiconductor substrate has a further metal. In this case, the semiconductor substrate has a material saturation current density of less than 35 femtoamps per square centimeter, preferably less than 25 femtoamps per square centimeter, and particularly preferably less than 15 femtoamps per square centimeter.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle und ein Herstellungsverfahren für eine Solarzelle.The present invention relates to a solar cell and a manufacturing method of a solar cell.
Solarzellen können elektrischen Strom erzeugen, indem durch ein einfallendes Photon in einem im Inneren der Solarzelle angeordneten dotierten Halbleitermaterial ein Elektron-Loch-Paar erzeugt wird und sich das Elektron beziehungsweise das Loch auf unterschiedliche Seiten eines innerhalb der Solarzelle angeordneten pn-Übergangs bewegen. Das dotierte Halbleitermaterial weist dabei aufgrund der Dotierung Majoritäts- und Minoritätsladungsträger auf, abhängig davon, ob das Halbleitermaterial p- oder n-dotiert ist. Das Elektron kann dann über einen Stromkreis außerhalb der Solarzelle auf einer ersten Seite der Solarzelle abgegriffen werden, eine elektrische Arbeit verrichten und anschließend auf einer zweiten Seite der Solarzelle das dort vorliegende Loch auffüllen, so dass durch die interne Trennung von Elektron und Loch ein Stromfluss außerhalb der Solarzelle möglich ist. Der pn-Übergang ist dabei nahe an einer im Betrieb einer Lichtquelle zugewandten Seite der Solarzelle angeordnet, damit die im Halbleitermaterial auftretenden Minoritätsladungsträger einen möglichst geringen Weg innerhalb der Solarzelle zurücklegen müssen, bis die Minoritätsladungsträger den pn-Übergang erreichen. Dadurch wird eine Rekombination von Elektronen und Löchern, die sich negativ auf die erzeugte Leistung der Solarzelle auswirken würde, möglichst verhindert oder zumindest reduziert. Um die erzeugte Leistung der Solarzelle weiter zu erhöhen, ist es möglich, eine Anti-Reflexionsbeschichtung auf der der Lichtquelle zugewandten Seite der Solarzelle anzubringen oder auszubilden, um möglichst viel einfallendes Licht in Strom umzusetzen. Zusätzlich zur Anti-Reflexionsbeschichtung kann eine Oberflächenstruktur (Textur) ausgebildet sein. In diesem Fall weist der pn-Übergang eine zur Anti-Reflexionsbeschichtung analoge Struktur auf, wodurch unerwünschte Rekombinationsverluste der Elektronen und Löcher am pn-Übergang auftreten.Solar cells can generate electrical current by an electron-hole pair is generated by an incident photon in a doped semiconductor material disposed in the interior of the solar cell and move the electron or the hole on different sides of a pn junction disposed within the solar cell. Due to the doping, the doped semiconductor material has majority and minority charge carriers, depending on whether the semiconductor material is p-doped or n-doped. The electron can then be tapped via a circuit outside the solar cell on a first side of the solar cell, perform an electrical work and then fill the existing hole on a second side of the solar cell, so that by the internal separation of electron and hole, a current flow outside the solar cell is possible. The pn junction is arranged close to a side of the solar cell facing the operation of a light source, so that the minority charge carriers occurring in the semiconductor material have to travel as far as possible within the solar cell until the minority charge carriers reach the pn junction. As a result, a recombination of electrons and holes, which would have a negative effect on the generated power of the solar cell, as possible prevented or at least reduced. In order to further increase the generated power of the solar cell, it is possible to mount or form an anti-reflection coating on the side of the solar cell facing the light source in order to convert as much incident light into electricity. In addition to the anti-reflection coating, a surface structure (texture) may be formed. In this case, the pn junction has an analogous structure to the anti-reflection coating, causing unwanted recombination losses of the electrons and holes at the pn junction.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Solarzelle mit reduzierten Rekombinationsverlusten am Emitter bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine solche Solarzelle anzugeben.An object of the invention is to provide an improved solar cell with reduced recombination losses at the emitter. Another object of the invention is to provide a manufacturing method for such a solar cell.
Eine Solarzelle weist ein Halbleitersubstrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite auf. Das Halbleitersubstrat weist eine p-leitende erste Dotierung auf. Die Vorderseite des Halbleitersubstrats weist eine Textur auf, während die Rückseite des Halbleitersubstrats eben ist. Auf der Rückseite des Halbleitersubstrats ist ein ebener erster Emitter angeordnet, der eine dem Halbleitersubstrat entgegengesetzte n-leitende zweite Dotierung aufweist, wodurch zwischen dem Halbleitersubstrat und dem ersten Emitter ein pn-Übergang vorliegt. Angrenzend an den ersten Emitter auf der Rückseite des Halbleitersubstrats ist eine Passivierungsschicht angeordnet, die erste Öffnungen für eine Rückseitenkontaktierung des Halbleitersubstrats aufweist. Eine Vorderseitenkontaktierung ist auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet und weist Aluminium auf und ist im Bereich der ersten Öffnungen angeordnet. Das Halbleitersubstrat weist angrenzend an die Vorderseitenkontaktierung Aluminium-Atome auf, die innerhalb des Halbleitersubstrats ein Front-Surface-Field bilden. Eine Rückseitenkontaktierung weist ein weiteres Metall auf und ist im Bereich der ersten Öffnungen angeordnet.A solar cell has a semiconductor substrate having a front side and a back side. The semiconductor substrate has a p-type first doping. The front side of the semiconductor substrate has a texture while the back side of the semiconductor substrate is planar. On the back side of the semiconductor substrate, a planar first emitter is arranged which has an n-type second doping opposite to the semiconductor substrate, whereby a pn junction is present between the semiconductor substrate and the first emitter. Adjacent to the first emitter on the rear side of the semiconductor substrate, a passivation layer is arranged, which has first openings for a back-side contact of the semiconductor substrate. A front side contact is arranged on the front side of the semiconductor substrate and has aluminum and is arranged in the region of the first openings. The semiconductor substrate has aluminum atoms adjacent to the front-side contact, forming a front surface field within the semiconductor substrate. A rear side contact has a further metal and is arranged in the region of the first openings.
Das Halbleitersubstrat weist dabei eine Materialsättigungsstromdichte von weniger als 35 Femtoampere pro Quadratzentimeter, bevorzugt von weniger als 25 Femtoampere pro Quadratzentimeter und insbesondere bevorzugt von weniger als 15 Femtoampere pro Quadratzentimeter auf. Durch eine Materialsättigungsstromdichte unterhalb dieser Werte werden die Rekombinationsverluste in der Basis reduziert und dadurch eine verbesserte Solarzelle möglich.In this case, the semiconductor substrate has a material saturation current density of less than 35 femtoamps per square centimeter, preferably less than 25 femtoamps per square centimeter, and particularly preferably less than 15 femtoamps per square centimeter. By a material saturation current density below these values, the recombination losses are reduced in the base and thus an improved solar cell possible.
Die Materialsättigungsstromdichte ist dabei mittels folgender Formel definiert:
j ist dabei die Materialsättigungsstromdichte, q die Elementarladung, W_A die Dicke der Basis der Solarzelle, n_i,eff (N_A) die effektive intrinsische Ladungsträgerkonzentration in Abhängigkeit von der Akzeptorkonzentration N_A, Tau die Überschussladungsträgerlebensdauer der Basis und Delta n die Überschussladungsträgerinjektionsdichte.j is the material saturation current density, q the elementary charge, W_A the thickness of the base of the solar cell, n_i, eff (N_A) the effective intrinsic carrier concentration as a function of the acceptor concentration N_A, Tau the excess carrier lifetime of the base and Delta n the excess charge carrier injection density.
Die Materialsättigungsstromdichte kann wie im Folgenden beschrieben bestimmt werden. Zunächst wird das Halbleitersubstrat der Solarzelle freigelegt, indem alle weiteren Bestandteile der Solarzelle (Vorderseiten- und Rückseitenkontaktierung, Passivierungs- und Anti-Reflexionsbeschichtung, Front-Surface-Field sowie Emitter) mittels Ätzprozess entfernt werden. Anschließend werden die Oberflächen gereinigt und erneut passiviert, beispielsweise mit einer Aluminiumoxid-Beschichtung. Die Passivierung erfolgt derart, dass keine Oberflächenrekombination auftritt. Nun kann die Überschussladungsträgerlebensdauer Tau bei einer Überschussladungsträgerinjektionsdichte von 10^30cm^(–6)/N_A gemessen werden, beispielsweise mittels einer Photoleitfähigkeitsmessung, die nun ausschließlich die Basisrekombinationseigenschaften beschreibt. Die Messung der Dicke der Basis kann durch eine Messung der Dicke des Substrats erfolgen, da sowohl der Emitter als auch das Front-Surface-Field dünn gegenüber der Basis sind. Mit den so ermittelten Werten kann die Materialsättigungsstromdichte berechnet werden.The material saturation current density can be determined as described below. First, the semiconductor substrate of the solar cell is exposed by all other components of the solar cell (front and back contact, passivation and anti-reflection coating, front-surface field and emitter) are removed by means of etching. Subsequently, the surfaces are cleaned and passivated again, for example with an aluminum oxide coating. The passivation takes place in such a way that no surface recombination occurs. Now, the excess charge carrier lifetime Tau can be measured at an excess charge carrier injection density of 10 ^ 30cm ^ (- 6) / N_A, for example, by a photoconductivity measurement now describing only the base recombination properties. The measurement the thickness of the base can be made by measuring the thickness of the substrate since both the emitter and the front surface field are thin relative to the base. With the values thus determined, the material saturation current density can be calculated.
In einer Ausführungsform weist das Halbleitersubstrat mit Gallium dotiertes Silizium als erste Dotierung auf, wobei die Dotierungskonzentration der ersten Dotierung zwischen 10^15 und 10^17 Atomen pro Kubikzentimeter liegt. Damit wird eine Materialsättigungsstromdichte des Halbleitersubstrats von weniger als 35 Femtoampere pro Quadratzentimeter erreicht.In one embodiment, the semiconductor substrate comprises gallium doped silicon as the first dopant, wherein the doping concentration of the first dopant is between 10 ^ 15 and 10 ^ 17 atoms per cubic centimeter. Thus, a material saturation current density of the semiconductor substrate of less than 35 femtoamps per square centimeter is achieved.
In einer Ausführungsform des Verfahrens weist der erste Emitter mit Phosphor dotiertes Silizium auf, wobei eine Dotierungskonzentration der zweiten Dotierung zwischen 10^18 und 10^21 Atomen pro Kubikzentimeter ist. Mit dieser Dotierungskonzentration ist es möglich, den ersten Emitter dadurch zu erzeugen, dass Phosphor-Atome in das mit Gallium dotierte Silizium eingebracht werden. Dies ermöglicht ein einfaches Herstellungsverfahren für die Solarzelle.In one embodiment of the method, the first emitter includes phosphorus doped silicon, wherein a doping concentration of the second dopant is between 10 ^ 18 and 10 ^ 21 atoms per cubic centimeter. With this doping concentration, it is possible to generate the first emitter by introducing phosphorus atoms into the gallium-doped silicon. This allows a simple manufacturing process for the solar cell.
In einer Ausführungsform weist das Halbleitersubstrat mit Bor dotiertes Silizium als erste Dotierung auf. Damit wird ebenfalls eine Materialsättigungsstromdichte des Halbleitersubstrats von weniger als 35 Femtoampere pro Quadratzentimeter erreicht.In one embodiment, the semiconductor substrate comprises boron-doped silicon as the first dopant. This also achieves a material saturation current density of the semiconductor substrate of less than 35 femtoamps per square centimeter.
In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration der Aluminium-Atome im Halbleitersubstrat angrenzend an die Vorderseitenkontaktierung 10^18 bis 5·10^19 Atome pro Kubikzentimeter. Durch eine solche Konzentration der Aluminium-Atome im Halbleitersubstrat bildet sich ein effektives Front-Surface-Field aus, durch die Minoritätsladungsträger vom Front-Surface-Field weg zurück in das Halbleitersubstrat hinein gestreut werden.In one embodiment, the concentration of aluminum atoms in the semiconductor substrate adjacent to the front-side contact is 10 ^ 18 to 5 x 10 ^ 19 atoms per cubic centimeter. Such a concentration of the aluminum atoms in the semiconductor substrate forms an effective front surface field, by which minority charge carriers are scattered away from the front surface field back into the semiconductor substrate.
In einer Ausführungsform ist eine Anti-Reflexionsbeschichtung auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet. Die Anti-Reflexionsbeschichtung weist zweite Öffnungen für die Vorderseitenkontaktierung auf.In one embodiment, an anti-reflection coating is disposed on the front side of the semiconductor substrate. The anti-reflective coating has second openings for front-side contacting.
In einer Ausführungsform weist die Anti-Reflexionsbeschichtung ein erstes Dielektrikum, insbesondere Aluminiumoxid und/oder Siliziumnitrid auf. Aluminiumoxid und Siliziumnitrid können dabei als abwechselnd aufgebrachte Schichten ausgeführt sein.In one embodiment, the anti-reflection coating comprises a first dielectric, in particular aluminum oxide and / or silicon nitride. Aluminum oxide and silicon nitride can be designed as layers applied alternately.
In einer Ausführungsform weist das Halbleitersubstrat im Bereich der zweiten Öffnungen einen zweiten Emitter mit einer n-leitenden dritten Dotierung auf. Eine Dotierungskonzentration der dritten Dotierung ist größer als eine Dotierungskonzentration der zweiten Dotierung.In one embodiment, the semiconductor substrate has a second emitter with an n-type third doping in the region of the second openings. A doping concentration of the third doping is greater than a doping concentration of the second doping.
In einer Ausführungsform weist das erste Metall Aluminium auf. In einer Ausführungsform weist das zweite Metall Silber auf. In einer Ausführungsform weist die Passivierungsschicht ein zweites Dielektrikum, insbesondere Siliziumnitrid, auf.In an embodiment, the first metal comprises aluminum. In an embodiment, the second metal comprises silver. In one embodiment, the passivation layer has a second dielectric, in particular silicon nitride.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle beginnt mit einem Bereitstellen eines p-leitenden Halbleitersubstrats mit einer ersten Dotierung. Daran anschließend wird das Halbleitersubstrat geätzt, um etwaige Sägeschäden zu entfernen. Nun werden Dotierungs-Atome auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats eingebracht, um eine n-leitende zweite Dotierung zu erzeugen. Nach dem Einbringen der zweiten Dotierung wird eine Passivierungsschicht auf der Rückseite aufgebracht. Die Passivierungsschicht dient dem Schutz der zweiten Dotierung auf der Rückseite bei den folgenden Verfahrensschritten. Nun folgt eine Nasschemische Strukturierung einer der Rückseite gegenüberliegenden Vorderseite. Die Passivierungsschicht wird stellenweise entfernt, wobei dadurch in der Passivierungsschicht erste Öffnungen erzeugt werden. Es wird eine Vorderseitenkontaktierung, die Aluminium aufweist, auf der Vorderseite und eine Rückseitenkontaktierung, die ein weiteres Metall aufweist, auf der Rückseite aufgebracht, jeweils mittels Siebdruckverfahren. Ein Front-Surface-Field wird an der Vorderseitenkontaktierung zugewandten Bereichen des Halbleitersubstrats erzeugt, indem die Solarzelle in einen auf 500 bis 850 Grad Celsius erhitzten Ofen eingebracht wird und die Temperatur der Solarzelle dabei für weniger als 20 Sekunden 500 Grad Celsius übersteigt.A method of manufacturing a solar cell begins by providing a p-type semiconductor substrate having a first doping. Subsequently, the semiconductor substrate is etched to remove any Sägeschäden. Now doping atoms are introduced on a back side of the semiconductor substrate to produce an n-type second doping. After introducing the second doping, a passivation layer is applied to the backside. The passivation layer serves to protect the second doping on the back in the following process steps. This is followed by a wet-chemical structuring of a front side opposite the back. The passivation layer is removed in places, whereby first openings are produced in the passivation layer. There is a front side contact, which has aluminum, on the front side and a rear side contact, which has another metal, applied on the back, each using screen printing. A front-surface-field is generated at the front-side facing areas of the semiconductor substrate by the solar cell is placed in an oven heated to 500 to 850 degrees Celsius and the temperature of the solar cell thereby exceeds 500 degrees Celsius for less than 20 seconds.
In einer Ausführungsform ist das Halbleitersubstrat ein mit Gallium dotiertes Siliziumsubstrat. Das Einbringen der Dotierungs-Atome der zweiten Dotierung erfolgt durch Diffusion von Phosphor-Atomen in das Halbleitersubstrat. Als zusätzlicher Schritt wird ein Ätzen einer durch die Diffusion entstandenen Phosphorglasschicht durchgeführt.In one embodiment, the semiconductor substrate is a gallium doped silicon substrate. The introduction of the doping atoms of the second doping takes place by diffusion of phosphorus atoms into the semiconductor substrate. As an additional step, an etching of a phosphorus glass layer formed by the diffusion is carried out.
In einer Ausführungsform werden nach dem Ätzen der Phosphorglasschicht und vor dem Aufbringen der Passivierungsschicht weitere Phosphor-Atome in für die ersten Öffnungen vorgesehenen Bereichen des Halbleitersubstrats anisotrop in das Halbleitersubstrat eingebracht.In one embodiment, after the etching of the phosphor glass layer and before the application of the passivation layer, further phosphorus atoms are anisotropically introduced into the semiconductor substrate in regions of the semiconductor substrate provided for the first openings.
In einer Ausführungsform wird die Rückseitenkontaktierung auf die Passivierungsschicht aufgebracht werden und das stellenweise Entfernen der Passivierungsschicht zur Erzeugung der ersten Öffnungen erfolgt während des Einbringens der Solarzelle in den auf 500 bis 850 Grad Celsius erhitzten Ofen.In one embodiment, the backside contact will be applied to the passivation layer, and the partial removal of the passivation layer to create the first openings will occur during the introduction of the solar cell into the oven heated to 500 to 850 degrees Celsius.
In einer Ausführungsform wird eine Anti-Reflexionsbeschichtung auf der Vorderseite aufgebracht und anschließend stellenweise entfernt, wobei dadurch zweite Öffnungen entstehen. Die Vorderseitenkontaktierung ist im Bereich der zweiten Öffnungen angeordnet. In one embodiment, an anti-reflection coating is applied to the front and then removed in places, thereby creating second openings. The front side contacting is arranged in the region of the second openings.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In schematischer Darstellung zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Shown schematically
An den Emitter
An die Vorderseite
Das Halbleitersubstrats
Alternativ zu dem in
Die Materialsättigungsstromdichte kann durch die erste Dotierung des Halbleitersubstrats
In einem Ausführungsbeispiel weist das Halbleitersubstrat
In einem Ausführungsbeispiel weist der erste Emitter
In einem Ausführungsbeispiel weist das Halbleitersubstrat
In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Konzentration der Aluminium-Atome pro Kubikzentimeter im Bereich
In einem Ausführungsbeispiel weist die Anti-Reflexionsbeschichtung
In einem Ausführungsbeispiel weist das zweite Metall, das Bestandteil der Rückseitenkontaktierung
Alternativ zur in
In den
Nun werden Dotierungs-Atome auf der Rückseite
Anschließend wird auf dem Emitter
Nun erfolgt eine nasschemische Strukturierung einer der Rückseite
Anschließend wird eine Anti-Reflexionsbeschichtung
In einem nächsten Verfahrensschritt wird die Anti-Reflexionsbeschichtung
Nun wird eine Vorderseitenkontaktierung
In einem abschließenden Verfahrensschritt wird ein Front-Surface-Field
In einem Ausführungsbeispiel ist das Halbleitersubstrat
Im Bereich der Rückseite
Nun kann eine Vorderseite
Die in
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt nach dem Ätzen der Phosphorglasschicht
Die in den
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples. Other variations can be deduced therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
Claims (14)
Priority Applications (1)
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| DE102016118477.2A DE102016118477A1 (en) | 2016-09-29 | 2016-09-29 | SOLAR CELL |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE102016118477A1 true DE102016118477A1 (en) | 2018-03-29 |
Family
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Family Applications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112701190A (en) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 苏州腾晖光伏技术有限公司 | Method for testing metallized contact composite current of solar cell |
-
2016
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112701190A (en) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 苏州腾晖光伏技术有限公司 | Method for testing metallized contact composite current of solar cell |
| CN112701190B (en) * | 2020-12-28 | 2022-02-15 | 苏州腾晖光伏技术有限公司 | Method for testing metallized contact composite current of solar cell |
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