DE3903837C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Die Grundstruktur einer herkömmlichen Solarzelle ist die einer Diode mit einem p-n-Übergang. Bei der Verwendung zur Energieerzeugung wird eine Vielzahl von Solarzellen in Reihe geschaltet, so daß die Gesamtspannung durch Zusammensetzung der von den einzelnen Solarzellen erzeugten Spannungen auf einen geeigneten Wert steigt.
Wenn ein Teil der in Reihe geschalteten Solarzellen während der Energieerzeugung abgeschattet wird, verliert nur die abgeschattete Zelle ihre Funktion zur Energieerzeugung. In diesem Fall werden die von den anderen Solarzellen erzeugten Spannungen auf die abgeschattete Solarzelle übertragen, so daß deren Diode mit einer umgekehrten Spannung beaufschlagt wird. Wenn die (Rückwärts-)Durchbruchspannung der Solarzelle niedrig ist, so wird die abgeschattete Solarzelle zerstört, wodurch wiederum die Energieerzeugung der gesamten Einheit vermindert wird oder ganz verloren geht. Um nun die Zer­ störung einer abgeschatteten Solarzelle zu verhindern, muß entweder die (Rückwärts-)Durchbruchspannung der Solarzelle angehoben oder eine andere, antiparallel geschaltete Diode zu jeder Solarzelle hinzugefügt werden, deren Generator­ spannung insgesamt niedriger ist als die Durchbruchspannung einer einzelnen Solarzelle.
Das Anheben der Durchbruchspannung der Solarzelle kann durch Verminderung der Verunreinigungskonzentration in deren Basisschicht erreicht werden. Im allgemeinen sollte eine Solarzelle einen p-n-Übergang in einem flachen Bereich ihrer lichtaufnehmenden Fläche aufweisen, was insbesondere für Solarzellen gilt, die im Weltraum Verwendung finden. Der p-n- Übergang muß in einem flachen Bereich vorliegen, der von der lichtaufnehmenden Fläche in einem Abstand von 0,3 µm bis 0,5 µm oder weniger liegt. Wenn man einen solchen p-n-Über­ gang im Labormaßstab durch einen Diffusionsprozeß bezüglich einer Basisschicht mit niedriger Verunreinigungskonzentra­ tion durchführen kann, wie dies für eine Durchbruchspannung von mehreren 100 Volt gefordert wird, so ist dieser Herstel­ lungsprozeß bei der Massenproduktion von Solarzellen prak­ tisch nicht mehr durchführbar. Insbesondere in GaAs- Solar­ zellen ist es schwierig, eine niedrige Verunreinigungs­ konzentration beim Kristallzüchtungsprozeß sicherzustellen. Demzufolge kann eine Durchbruchspannung über einigen 10 Volt nicht erzielt werden. Das Anheben der Durchbruchspannung ist somit durch konventionelle Techniken schwierig, so daß die herkömmlichen Solarzellen in Anlagen zur Erzeugung höherer Spannungen nicht verwendet werden können.
Man kann zwar wie oben erwähnt eine zusätzliche Diode einfügen, um die Solarzelle zu schützen, jedoch bringt dies ein Anwachsen der Komponentenzahl mit sich, so daß die Fabrikationskosten der Solarzelle steigen und die Zuver­ lässigkeit des Systems vermindert wird. Insbesondere ist eine niedrige Zuverlässigkeit ein ganz ernsthaftes Problem bei der Verwendung einer Solarzelle in der Raumfahrt oder dergleichen, bei der höchste Zuverlässigkeit notwendig ist.
Aus der JP 57-91 566 A ist eine Solarzelle der eingangs genannten Art bekannt, die mit weiteren, gleichartigen Solarzellen in Reihe geschaltet werden kann und zum Schutz gegen einen Durchbruch bei Abschattung eine Schutzdiode aufweist. Diese Schutzdiode weist aber selbst eine photoelektrische Wirkung an ihrem p-n-Übergang auf. Bei Belichtung wird somit eine Rückwärtsspannung induziert, so daß der eigentliche Nutzstrom vermindert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß durch Licht induzierte Rückwärtsspannungen in der Schutzdiode vermieden und somit der Wirkungsgrad der Solarzelle verbessert werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 vorrichtungsmäßig gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle ist in den Ansprüchen 8-13 angegeben.
Dadurch, daß der den Wirkungsgrad ungünstig beeinflussende p-n-Übergang in einer bestimmten Richtung, und in einer bestimmten Entfernung vom Substratrand vorgesehen ist, wird einfallendes Licht soweit gedämpft, daß keine merkliche Verschlechterung des Wirkungsgrades der gesamten Solarzelle mehr feststellbar ist. Andererseits bleibt ein maximal möglicher Substratbereich für die eigentliche Energieerzeugung übrig.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigt
Fig. 1(a) bis Fig. 1(f) Schnittansichten einer Ausfüh­ rungsform des Herstellungsverfahrens einer Solarzelle,
Fig. 2(a) und Fig. 2(b) Ansichten von oben und bzw. unten auf die Solarzelle nach Fig. 1 und
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie I-I aus Fig. 2(a).
Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten gleichen Teile weisen jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
Wie in Fig. 1(a) gezeigt, wird auf beiden Oberflächen eines n-Typ GaAs-Substrates (10) ein Siliciumnitrid (Si3N4) Film 21 mittels CVD Verfahren hergestellt, der als Maske für eine selektive Diffusion dient.
Wie in Fig. 1(b) gezeigt, wird ein vorbestimmter Flächenab­ schnitt des Siliciumnitridfilms 21 durch photolithogra­ phische Technik entfernt, so daß Fenster 24a und 24b mit rechteckigem Querschnitt an beiden Flächen des n-Typ GaAs- Substrates 10 entstehen.
Zn-Atome werden von beiden Flächen her in das n-Typ GaAs- Substrat 10 durch die Fenster 24a und 24b eindiffundiert, um eine p-Typ GaAs-Schicht 12 zu bilden, wie dies in Fig. 1(c) gezeigt ist. Die p-Typ GaAs-Schicht 12 erstreckt sich durch das (gesamte) n-Typ GaAs-Substrat 10 und teilt dadurch dieses n-Typ GaAs-Substrat 10 in einen n-Typ GaAs-Bereich 11 und einen n-Typ GaAs-Bereich 13. Nach Entfernen des Silicium­ nitridfilms 21 wird auf der gesamten Fläche an einer Licht­ empfangsseite eine p-Typ GaAs-Schicht 15 mit einer Dicke von etwa 0,5 µm durch Kristallzüchtungstechnik, so z. B. LPE Technik und MOCVD Technik, ausgebildet, um einen p-n-Übergang mit Solarzellenfunktion zu bilden. Eine p-Typ AlGaAs-Schicht 16 von etwa 0,05 bis 0,1 µm Dicke wird dann auf der p-Typ GaAs-Schicht 15 ausgebildet. Die p-Typ GaAs-Schicht 15 und die p-Typ AlGaAs-Schicht 16 werden auf photolithographischem Weg selektiv entfernt, wie dies in Fig. (d) gezeigt ist, um die p-Typ GaAs-Schicht 15 und die p-Typ AlGaAs-Schicht 16 von den p-Typ GaAs-Schichten 12 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 zu isolieren.
Als nächstes wird ein Siliciumnitridfilm (Si3N4), der als Antireflexionsfilm und als Isolierfilm dient, auf der oberen Fläche der Halbleiterscheibe ausgebildet. Ein weiterer Siliciumnitridfilm wird als Isolierfilm auf der Rückfläche ausgebildet. Die vorbestimmten Abschnitte der Silicium­ nitridfilme auf beiden Seiten werden dann durch photolitho­ graphische Technik entfernt, um einen Antireflexionsfilm 22 und einen Isolierfilm 23 auf der oberen Fläche der Halblei­ terscheibe und einen Isolierfilm 24 auf deren Rückseite zu bilden, wie dies in Fig. 1(e) gezeigt ist. Die Isolierfilme 23 und 24 sind in den Fig. 2(a) und 2(b) als schraffierte Flächen gezeigt. Wie in Fig. 2(a) gezeigt, ist der Anti­ reflexionsfilm 22 als Kammstruktur auf der p-Typ AlGaAs- Schicht 16 ausgebildet. Der Isolierfilm 23 überdeckt die p-Typ GaAs-Schicht 12. Wie in Fig. 2(b) gezeigt, bedeckt der Isolierfilm 24 den peripheren Abschnitt der Rückfläche der Halbleiterscheibe und den Zwischenbereich von p-Typ GaAs-Schicht 12 und n-Typ GaAs-Bereich 13.
Wie in Fig. 1(f) gezeigt wird dann eine erste Anodenelektrode 31, bestehend aus einer Gitterelektrode und eine externe Verbin­ dungselektrode, auf der oberen Fläche ausgebildet. Eine zweite Anodenelektrode 32 und eine Kathodenelektrode 33 dienen als erste und zweite Verbindungselektroden und sind auf der Rückfläche ausgebildet.
In anderen Worten, die Anodenelektrode 31 ist auf einem Abschnitt auf der Oberfläche der p-Typ AlGaAs-Schicht 16 ausgebildet, der nicht mit einem Antireflexionsfilm 22 versehen ist. Weiterhin geht die Anodenelektrode 31 über die Oberfläche des Isolierfilms 23 und die Oberfläche des n-Typ GaAs-Bereichs 13, der vom Isolierfilm 23 umgeben ist. Die Anodenelektrode 32 ist auf der Oberfläche des Isolierfilms 24 und der Oberfläche des n-Typ GaAs-Bereichs 13 ausgebil­ det, der vom Isolierfilm 24 umgeben ist. Die Kathodenelek­ trode 33 wird auf einem Abschnitt auf der Rückfläche des n-Typ GaAs-Bereichs 11 vorgesehen, der keinen Isolierfilm 24 aufweist, sowie auf einem Abschnitt der Rückfläche der p-Typ GaAs-Schicht 12. Auf diese Weise sind die Anodenelektroden 31 und 32 isoliert von der p-Typ GaAs-Schicht 12.
In der so hergestellten Solarzelle ist ein Solarzellenab­ schnitt aus der p-Typ GaAs-Schicht 15 und dem n-Typ GaAs- Bereich 11 gebildet, wobei ein Diodenabschnitt mit dem Solarzellenabschnitt in antiparalleler Schaltung verbunden ist, der aus dem p-Typ GaAs-Bereich 12 und dem n-Typ GaAs- Bereich 13 besteht.
Wenn Licht auf die obere Fläche der Solarzelle mit der soeben beschriebenen Struktur fällt, entsteht eine Photo­ spannung zwischen der p-Typ GaAs-Schicht 15 und dem n-Typ GaAs-Bereich 11, so daß diese Struktur als Solarzelle arbeitet, bei der ein positives bzw. ein negatives Potential an der Anodenelektrode 31 oder 32 bzw. der Kathodenelektrode 33 entstehen.
Während der Energieerzeugung beeinflußt eine Photospannung, die zwischen der p-Typ GaAs-Schicht 12 und dem n-Typ GaAs- Bereich 11 entsteht, die Spannungserzeugung zur Abführung von elektrischer Energie der Solarzelle nicht, da die p-Typ GaAs-Schicht 12 und der n-Typ GaAs-Bereich 11 elektrisch kurzgeschlossen sind.
Andererseits weist der p-n-Übergang bestehend aus dem n-Typ GaAs-Bereich 13 und dem p-Typ GaAs-Bereich 12 eine Funktion zur Erzeugung einer Photospannung in einer Richtung auf, die derjenigen der Energieerzeugungsrichtung der Solarzelle ent­ gegengesetzt ist. Der p-n-Übergang zwischen den Bereichen 13 und 12 beeinflußt aber die Solarzellenfunktion durch eine umgekehrte Spannungserzeugung nur unwesentlich aus folgenden Gründen:
  • a) Licht, das von der oberen oder unteren Fläche auf diesen p-n-Übergang fällt, wird von den metallischen Elektro­ denschichten (also von den Anodenelektroden 31 und 32), die diesen p-n-Übergang auf der oberen und der unteren Fläche bedecken, gedämpft, und
  • b) Licht, das von der Seitenfläche (Randabschnitt) ein­ fällt, erreicht nur sehr schwer diesen p-n-Übergang, wenn dieser in einem Abstand von über 20 µm vom Rand ausgebildet wird.
Wenn man ein Solarzellenmodul durch Verbindung derartiger Solarzellen in Serie über abwechselnde äußere Verbindungen der entsprechenden Anodenelektroden 31 oder 32 und Kathoden­ elektroden 33 herstellt, so ergibt sich eine rückwärts gerichtete Spannung bei Beschattung eines Teils der Solar­ zellen, die auf die beschattete Solarzelle wirkt, so daß deren Anodenelektroden 31 und 32 und ihre Kathodenelektrode 33 auf negative bzw. positive Potentiale angehoben werden. Nachdem der Abschnitt zur Bildung der antiparallel geschal­ teten Diode, bestehend aus dem p-Typ GaAs-Bereich 12 und dem n-Typ GaAs-Bereich 13 bei der beschatteten Solarzelle in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, fließt ein Strom von der Kathodenelektrode 33 zu den Anodenelektroden 31 und 32 durch die beschattete Solarzelle und unterdrückt so das Auftreten einer Spannung zwischen den Elektroden 31 und 32 einerseits und 33 andererseits. Daraus ergibt sich, daß keine wesentliche Rückwärtsspannung auf den Solarzellenabschnitt zur Energieerzeugung entsteht, wie dies für eine Solarzelle gefordert wird.
Bei der vorangegangenen Beschreibung wurde von einer GaAs-Solarzelle gesprochen. Die vorliegende Erfindung läßt sich aber auch auf eine Silicium-Solarzelle oder andere Typen von Solarzellen anwenden. Die Kathodenelektrode 33 schließt bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform den n-Typ GaAs-Bereich 11 und die p-Typ GaAs-Schicht 12 kurz. Es können aber auch unabhängige Elektroden für den n-Typ GaAs- Bereich 11 und den p-Typ GaAs-Bereich 12 ausgebildet und miteinander über eine Leitungsverbindung verbunden werden, die beim Zusammenbau aufgebracht wird, so daß derselbe Effekt wir bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform gewährleistet ist.
Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wurde die p-Typ GaAs-Schicht 15 auf der gesamten lichtempfindlichen Fläche gezüchtet und dann selektiv entfernt, um einen gewünschten Abschnitt von ihr übrig zu lassen. Die p-Typ GaAs-Schicht 15 kann aber auch selektiv auf den gewünschten Abschnitten der lichtempfindlichen Fläche gezüchtet werden. Weiterhin waren bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel zwei Anoden­ elektroden 31 und 32 auf der lichtempfindlichen Fläche bzw. der Rückfläche vorgesehen. Es ist auch möglich, nun eine der Elektroden aus Gründen des einfacheren Modul-Zusammenbaus vorzusehen.

Claims (14)

1. Solarzelle mit integrierter Schutzdiode, mit einem Halbleitersubstrat (10), das durch Dotierung unterteilt ist in einen
  • - ersten, großflächigen Halbleiterbereich (11) eines ersten Leitfähigkeitstyps, auf dessen einer ersten Elektrodenfläche (33) gegenüberliegenden Lichteintrittsfläche eine Halbleiterschicht (15) des zweiten Leitfähigkeitstyps zur Bildung eines p-n-Übergangs ausgebildet ist,
  • - einen zweiten, relativ kleinflächigen Halbleiterbereich (13) vom ersten Leitfähigkeitstyp neben dem ersten Halbleiterbereich (11) und in
  • - einen dritten Halbleiterbereich (12) vom zweiten Leitfähigkeitstyp zwischen dem ersten (11) und dem zweiten Halbleiterbereich (13), wobei der dritte Halbleiterbereich (12) mindestens teilweise von der ersten Elektrodenfläche (33) überdeckt ist, wobei die Halbleiterschicht (15) abschnittsweise über eine zweite Elektrodenfläche (31) mit dem zweiten Halbleiterbereich (13) in elektrisch leitender Verbindung steht und die zweite Elektrodenfläche (31) vom ersten Halbleiterbereich (11) und vom dritten Halbleiterbereich (12) durch einen Isolierfilm (23) getrennt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der zweite Halbleiterbereich (13) und der dritte Halbleiterbereich (12) derart von der ersten zur zweiten Hauptfläche des Substrats hindurcherstrecken, daß sich der p-n-Übergang der Schutzdiode zwischen diesen Halbleiterbereichen (12, 13) ebenfalls durch das Substrat hindurcherstreckt.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrodenfläche (31) den p-n-Übergang überdeckt, der durch den zweiten Halbleiterbereich (13) und den dritten Halbleiterbereich (12) definiert ist.
3. Solarzellen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche (11, 12, 13) und die Halbleiterschicht (15) im wesentlichen aus GaAs mit Dotierungen bestehen.
4. Solarzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der p-n-Übergang der Schutzdiode in einem Abstand von mindestens 20 µm vom Rand des Halbleitersubstrats (10) ausgebildet ist.
5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp ein p-Typ sind.
6. Solarzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Typ durch Dotierung eines GaAs Kristalls mit Zn-Atomen erzielt ist.
7. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierfilm (23) aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) besteht.
8. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend die Schritte:
  • (a) es wird ein Halbleitersubstrat (10) von einem ersten Leitfähigkeitstyp mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche hergestellt,
  • (b) es werden Verunreinigungen in das Substrat (10) eindiffundiert, um den dritten Halbleiterbereich (12) auszubilden, der sich von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche durch das Substrat hindurch erstreckt und das Substrat in den ersten, relativ großflächigen Halbleiterbereich (11) und den zweiten, relativ kleinflächigen Halbleiterbereich (13) trennt,
  • (c) es wird eine die Halbleiterschicht (15) vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf dem ersten Halbleiterbereich (11) ausgebildet, die vom zweiten und dritten Halbleiterbereich (12, 13) getrennt ist,
  • (d) nach Aufbringen des Isolierfilms (23) auf den dritten Halbleiterbereich (12) wird die Halbleiterschicht (15) mit dem zweiten Halbleiterbereich (13) durch die zweite Elektrodenfläche (31) verbunden und
  • (e) es wird der erste Halbleiterbereich (11) mit dem dritten Halbleiterbereich (12) durch die erste Elektrodenfläche (33) verbunden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrodenfläche (31) so ausgebildet wird, daß sie den p-n-Übergang der Schutzdiode überdeckt..
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche (11-13) und die Halbleiterschicht (15) im wesentlichen aus GaAs mit Dotierungen gebildet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Halbleiterbereich (12) so ausgebildet wird, daß der p-n-Übergang der Schutzdiode in einem Abstand von mehr als etwa 20 µm vom Rand des Halbleitersubstrats entsteht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp ein p-Typ sind.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Typ durch Einbringen von Zn-Atomen als Verunreinigungen in GaAs hergestellt wird.
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