DE4143083A1 - Solarzelle - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit einem Halbleitermaterial für ein
Halbleitersubstrat, in welchem durch einfallende Strahlungsenergie Ladungsträger
erzeugt werden, die von auf einer Seite des Halbleitersubstrats angeordneten ersten und
zweiten Minoritäts- bzw. Majoritätsträger sammelnden Kontakten in Form von Ohm
schen Kontakten und MIS-Kontakten ableitbar sind, wobei gegebenenfalls die Ohm
schen Kontakte auf erhabenen Bereichen des Halbleitersubstrates angeordnet sind.
Bekannte Solarzellen bestehen gewöhnlich aus einem Halbleiterkörper eines Leitungs
typs (z. B. p-leitend) in den an der Oberfläche ein Gebiet des entgegengesetzten Lei
tungstyps (z. B. n-leitend) erzeugt wird und auf beiden Seiten elektrische Kontakte
angebracht sind. Durch das einfallende Licht werden im Halbleiter Elektron-Lochpaare
erzeugt, wobei aufgrund des am pn-Übergang herrschenden elektrischen Feldes die
Elektronen zum n-Gebiet und die Löcher zum p-Gebiet wandern und über die Metall
kontakte abfließen können. Die Metallkontakte auf der dem Licht zugewandten Seite
sind in Gitterform aufgebracht, um möglichst wenig Licht abzuschatten.
Um auch diese Lichtabschattung zu eliminieren, ist es bekannt, den "Vorderseitenkon
takt" rückseitig anzubringen und somit beide Ladungsträgerarten an der dem Licht
abgewandten Seite zu sammeln (US 43 15 097). Dabei befinden sich an der Rückseite
durch Diffusion oder Ionenimplantation erzeugte dicht nebeneinanderliegende und
ineinandergreifende stark n bzw. p (n⁺ bzw. p⁺) dotierte Gebiete. Die zum Substrat nun
bestehenden scharf begrenzten und damit streng voneinander getrennt n⁺p- bzw. p⁺p-
Übergänge sorgen aufgrund ihrer Potentialbarriere dafür, daß die Elektronen nur zum
n⁺-Kontaktgitter und die Löcher nur zum p⁺-Kontaktgitter gelangen können und damit
auch zwischen den n⁺- und p⁺-Gebieten ein hoher Widerstand existiert (hoher Shuntwi
derstand). Der Serienwiderstand dagegen ist sehr niedrig da nahezu die gesamte
Rückseite mit Metall belegt werden kann (breite Metallfinger) und die Minoritäts
ladungsträger (hier Elektronen) nicht wie bei der konventionellen Zelle, lateral durch
eine dünne diffundierte oder ionenimplantierte n⁺-Schicht zu den Kontakten fließen
müssen. Aus diesem Grunde sowie auch wegen der komplexen Technologie werden
diese sogenannten IBC (Interdigitated Back Contact) Solarzellen ausschließlich für
hochkonzentriertes Licht, also für sehr hohe Stromdichten, verwendet. Die Diffusions
länge der Minoritätsladungsträger muß stets größer sein als die Halbleiterdicke, damit
möglichst viele Ladungsträger die Halbleiterrückseite erreichen und ein hoher Wir
kungsgrad resultiert. Die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der beleuchte
ten Vorderseite muß sehr niedrig sein, was entweder durch die Erzeugung eines pp⁺-
Überganges (FSF = Font Suface Field Solarzelle), eines pn-Überganges (Tandem
Junction Solarzelle) oder einer sehr guten Oberflächenpassivierung durch SiO2 bewerk
stelligt wird (M.D. Lammert, R. J. Schwartz, "The Interdigited Back Contact Solar Cell:
A Silicon Solar Cell for Use in Concentrated Sunlight" IEEE Transactions on Electron
Devices, Vol. ED-24, No. 4, S. 337-342 (1977)).
Der IBC Zelle sehr ähnlich ist die Punktkontakt (PC) Solarzelle (R. M. Swanson, Solar
Cells, Vol. 17, No. 1, S. 85-118 (1986). Hier werden die beiden Kontaktgebiete (n⁺ und
p⁺) auf der Rückseite in Form von Punkten sehr klein gehalten, um den Sättigungs
sperrstrom zu erniedrigen und damit die Leerlaufspannung der Zelle zu erhöhen.
Extrem gute Oberflächenpassivierung z. B. durch thermisches Siliziumoxid spielt hier
eine entscheidende Rolle.
Für die bekannten Solarzellen sind äußerst aufwendige Hochtemperaturprozesse ein
schließlich feinster Strukturierung durch Photolack- und Ätzprozesse erforderlich, so daß
wegen des hohen Preises eine großflächige Anwendung ohne Konzentration des Lichtes
kaum infrage kommen dürfte.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine einfach zu realisierende Anordnung der
ersten und zweiten Kontakte auf einer Seite der Solarzelle aufzuzeigen, die insbesondere
für großflächige nichtkonzentrierende Systeme vorteilhaft eingesetzt werden kann. Dabei
soll eine Realisierung sowohl auf durch Diffusion erzeugten pn-Übergängen als auch auf
der Induzierung eines elektrischen Feldes durch ein Metall oder durch oberflächliche
Isolatorladungen basieren können. Es soll zusätzlich auch das durch eine rückseitige
Doppel-Kontaktgitterstruktur einfallende Licht ausgenützt und schließlich eine einfache
doppelseitig beleuchtbare und doppelseitig Minoritätsladungsträger sammelnde Solar
zelle zur Verfügung gestellt werden. Letztere dient sowohl zur bestmöglichen Aus
nützung des Umgebungsstreulichtes wie auch zur sehr effektiven Sammlung der licht
erzeugten Ladungsträger insbesondere bei Vorliegen eines billigeren Halbleitersub
strates mit reduzierter Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger.
Das Problem wird erfindungsgemäß einerseits dadurch gelöst, daß die ersten und
zweiten Kontakte auf einer Erhebungen aufweisenden Halbleitersubstratfläche angeord
net sind, daß die ersten und zweiten Kontakte zumindest bereichsweise auf zuvor mit
Passivierungsmaterial abgedeckten und sodann von diesem freigelegten Abschnitten der
Erhebungen unmittelbar oder auf einer Isolatorschicht angeordnet sind und daß sich
entlang der Halbleitersubstratfläche eine die Minoritätsladungsträger zu den MIS-
Kontakten leitende Inversionsschicht sowohl zwischen den Ohmschen Kontakten und
den MIS-Kontakten als auch zwischen den MIS-Kontakten erstreckt.
Andererseits erfolgt eine Problemlösung dadurch, daß sich elektrisch leitendes Material,
das Metall für die MIS-Kontakte, die punkt- oder linienförmig ausgebildet sein können,
bildet, ganzflächig oder im wesentlichen ganzflächig zwischen den Ohmschen Kontakten
erstreckt.
Jeweilige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich
nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich
und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines
den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Rückseite einer
Solarzelle,
Fig. 2 eine Detail der Solarzelle nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Rückseite einer
Solarzelle und
Fig. 4 eine Detail der Solarzelle nach Fig. 3.
Im folgenden sollen anhand von Beispielen einige Varianten einer Kontaktanordnung
(Minoritäts- und Majoritätsladungsträger sammelnde Kontakte) auf einer Seite einer
Solarzelle beschrieben werden. Vorzugsweise soll diese Konfiguration für die Rückseite
von Solarzellen angewendet werden, geringe Kontaktflächen besitzen und gut passiviert
sein. Die Vorderseite soll keine Kontakte aufweisen und nur mit einer sehr guten
Passivierschicht (Antireflexschicht) oder mit einem zusätzlichen Minoritätsladungsträger
sammelnden Kontaktsystem versehen sein.
Im Vordergrund steht eine Struktur mit ineinandergreifenden MIS- und Ohmschen
Kontakten in Verbindung mit einer Inversionsschicht im Halbleiter.
Eine in Fig. 1 und 2 dargestellte Solarzelle (10) umfaßt einen Halbleiterkörper (12)
(hier vorzugsweise p-leitendes Silizium), eine dünne Isolatorschicht (14), die von den
Elektronen durchtunnelt werden muß und zusammen mit Metallstreifen (16) einen MIS-
Kontakt (Metall (16) - Isolator (14) - Silizium (12)) zur Sammlung der Minoritäts
ladungsträger bildet.
Breitere Metallstreifen (18) bilden Ohmsche Kontakte zur Sammlung der Majoritäts
ladungsträger. Halbleiterkörper- oder -substratfläche ist strukturiert und weist im
Ausführungsbeispiel pyramidenförmige Erhebungen (20), (22) (24) auf. Eine andere
Geometrie wie Kegel oder Säulen ist gleichfalls möglich.
Die Erhebungen wie Pyramiden (20), (22), (24) sind mit einer durchsichtigen Isolator
schicht (26) überzogen, die an ihrer Grenzfläche zum Halbleiter positive Ladungen
enthält (für den Fall der Verwendung von p-Silizium). Nach Abtragung der Pyramiden
spitzen und damit der Passivierschicht und Halbleitermaterial kann eine Kontaktierung
mit dem Metall erfolgen.
Die Anordnung besteht demnach aus zueinander beabstandeten Ohmschen Kontakten
(18) (zur Majoritätsträgersammlung, z. B. Aluminium auf Silizium), wobei in den
Zwischenräumen sich mehrere schmale MIS-Kontakte (30) (zur Minoritätsladungs
trägersammmlung, z. B. Aluminium-1,4 nm Siliziumoxid p-Silizium) mit geringeren
Abständen befinden. Die jeweiligen Kontakte können vorzugsweise punkt- oder linien
förmig ausgebildet sein, wobei mehrere Punkte insbesondere als ein Ohmscher Kontakt
ausgebildet sein können.
An der Halbleiteroberfläche wird aufgrund der positiven Isolatorladungen eine gut
leitende Inversionsschicht (28) induziert. Unter dem MIS-Kontakt (30) im Silizium (12)
befindet sich ebenfalls eine Inversionsschicht, hervorgerufen durch die Austrittsarbeits
differenz von Metall und Halbleiter.
Die Funktionsweise der Sammlung von Minoritätsladungsträgern durch diese Anordnung
ist wie folgt:
Die durch das vorne oder hinten einfallende Licht erzeugten Minoritätsladungsträger
(hier Elektronen) diffundieren aus dem Halbleiterinneren zur Inversionsschicht (28) und
gelangen entlang dieser in horizontaler Richtung zu den MIS Tunnelkontakten (30),
durch die sie den Halbleiter verlassen und in einen äußeren Stromkreis gelangen
(Minuspol (34)). Die Majoritätsladungsträger (hier Löcher) werden durch das an der
Oberfläche im Gebiet zwischen den Ohmschen Kontakten (18) herrschende elektrische
Feld von den MIS-Kontakten (30) abgestoßen, von den Ohmschen Kontakten (18)
gesammelt und in einen äußeren Stromkreis geleitet (Pluspol (32)). Somit findet eine
getrennte Sammlung von Minoritäts- und Majoritätsladungsträgem statt, wie es für die
Funktion einer Solarzelle erforderlich ist. Im vorliegenden Fall erfolgt diese Sammlung
beider Ladungsträgerarten allein auf einer Seite, vorzugsweise auf der Rückseite der
Solarzelle (10).
Die beiden Kontaktsysteme können beispielsweise in Form von ineinandergreifenden
Gittern, konzentrischen Ringsystemen oder punktförmigen Kontakten realisiert werden.
Von all den bekannten Anordnungen unterscheidet sich die neue Konfiguration neben
dem Vorhandensein abgeflachter passivierter Pyramiden (20), (22), (24) unter anderem
dadurch, daß die Minoritätsladungsträger entlang der dünnen Inversionsschicht in
horizontaler Richtung zu den MIS-Kontakten (30) fließen müssen. Daher ist diese
Anordnung besonders für großflächige terrestrische Anwendungen und weniger für die
bei starker Lichtkonzentration auftretenden hohen Ströme geeignet.
Erfindungsgemäß soll die Fläche der MIS-Kontakte (30) aus drei Gründen möglichst
klein sein:
- a) Erreichen eines niedrigen Sättigungssperrstroms und damit eine hohe Leerlauf spannung der Solarzelle (10) (Bedeckungsgrad möglichst kleiner als 20%);
- b) Ausnützen der von hinten auf die Zelle (10) auffallenden Strahlung zur Ladungs trägererzeugung;
- c) Ermöglichung, daß die langwellige Strahlung durch die Rückseite der Solarzelle (10) austreten kann, wodurch die Erwärmung der Solarzelle (10) vermindert und damit eine höhere Betriebsspannung erreicht wird.
Die durchsichtige Isolatorschicht (20), vorzugsweise thermisches Siliziumoxid, Plasmasili
ziumnitrid o.a., kann bei beliebigen Temperaturen hergestellt und/oder getempert
werden, um eine optimale Passivierung zu erhalten.
Es ist vorteilhaft, daß hohe Dichten positiver Ladungen in der Isolatorschicht (20)
vorhanden sind, was im Falle des Plasmasiliziumnitrids einfach durch den Einbau von
vorzugsweise Alkaliionen erreicht wird.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Solarzelle (10) können auch die Pyramidenspitzen der
gesamten Rückseite abgetragen werden (also nicht nur im Kontaktbereich). Dies
erfordert jedoch die Abscheidung einer zusätzlichen Passivierschicht über die gesamte
Zellenrückseite, um die nicht mit Metall bedeckten Pyramidenflächen zu passivieren.
Nach der bisherigen Kenntnis müßte jedoch bei der in Fig. 1 gezeigten Solarzelle (10)
im Gegensatz zur eingangs beschriebenen IBC-Solarzelle ein grundsätzliches Problem
auftreten, was zu einer drastischen Erniedrigung des Solarzellenwirkungsgrades führen
sollte: Die beiden Pole (32), (34), MIS-Kontakte (30) und Ohmsche Kontakte (18),
zwischen denen sich die Photospannung aufbauen soll, sind intern über die gut leitfähige
Inversionsschicht (28) miteinander verbunden, was einem niedrigen Parallelwiderstand
(Shunt), also quasi einem Kurzschluß entspricht. Ein Großteil der Ladungsträger müßte
demnach nicht über den äußeren Stromkreis, sondern über die sehr gut leitende Inver
sionsschicht (28) an der Halbleiteroberfläche vom einen Pol zum anderen abfließen,
woraus neben einer reduzierten Leerlaufspannung insbesondere ein stark reduzierter
Füllfaktor der Solarzelle (10) resultiert (niedriger Parallelwiderstand). Als Abhilfe
könnte man nun an die Anwendung verschiedener, mehr oder weniger komplizierter
Verfahren denken wie lokale Unterbrechung der Inversionsschicht, Einbau einer
Akkumulationsschicht, lokale Erhöhung des Widerstandes der Inversionsschicht und
andere.
Überraschenderweise sind solche Maßnahmen jedoch bei einer Solarzelle mit der
erfindungsgemäßen Rückseitenstruktur mit ineinandergreifenden oder auf andere Weise
nebeneinander angeordneten Ohmschen und MIS-Kontakten (18) bzw. (30) überhaupt
nicht erforderlich. Vielmehr ist nachstehende Anordnung allein ausreichend:
- 1. Der Abstand zwischen MIS-Kontakt (30) und Ohmschen Kontakt (18) ist mög lichst klein (etwa die Hälfte des Abstandes der MIS-Kontakte (30) unterein ander).
- 2. Die verbleibende Halbleiterfläche, vorzugsweise p-Silizium, zwischen MIS-Kon takt (30) und Ohmschen Kontakt (18) ist, wie auch die Gebiete zwischen den MIS-Kontakten (30), mit der durchsichtigen Isolatorschicht (26), vorzugsweise Plamasiliziumnitrid, überzogen, die an der Grenzfläche zum Halbleitersubstrat (12) eine möglichst hohe positive Ladungsdichte (beispielsweise durch Einbau von Cäsium) enthält, um eine gut leitfähige Inversionsschicht (28) im Halbleiter substrat (12) zu erzeugen.
Entgegen der bisherigen Auffassung werden mit dieser Anordnung möglichst viele
Minoritätsladungsträger vom Ohmschen Kontakt (18) weg entlang der Inversionsschicht
(28) zu den MIS-Kontakten (30) geleitet. Eine Ableitung von Elektronen aus dem
Inversionskanal (28) zu den Ohmschen Kontakten (18) und damit eine Erniedrigung des
Parallelwiderstandes erfolgt wider Erwarten auch ohne zusätzliche Maßnahmen nicht.
Je näher der MIS-Kontakt (30) an dem Ohmschen Kontakt (18) zu liegen kommt, desto
höher werden Kurzschlußstrom und Füllfaktor und damit der Wirkungsgrad der Solar
zelle.
Sofern die Kontakte streifenförmig ausgebildet sind, sollten die Abstände der MIS-
Kontaktfinger untereinander etwa 10-30 mal größer als die Breite der Kontakte selbst
sein. Bei den Ohmschen Kontakten, die breiter als die MIS-Kontakte sind, sollte ein
ähnliches Verhältnis bestehen. Die Abschattung durch die Ohmschen und MIS-Kontakte
(18) bzw. (30) beträgt jeweils etwa 5%-10%.
Um die geringen Abstände zwischen den Ohmschen Kontakten (18) und den MIS-
Kontakten (30) zu erreichen, ist eine exakte Justierung der beiden Metallgitterstrukturen
zueinander erforderlich. Dies kann auf herkömmliche Weise beispielsweise durch
Photolithographie und Ätzen der Metallschichten oder durch Aufbringen des Metalls
durch mechanische Masken, die mit Justiermarken versehen sind, erfolgen. Dabei ist
auch die gezielte Aufbringung des Metalls durch Siebdruck möglich.
Die in Fig. 1 gezeigte Solarzellenrückseite (10) kann in Analogie zur IBC oder PC
Solarzelle natürlich auch vorteilhafterweise für dotierte Punktkontakte ausgelegt werden,
wobei sich die Passivierschicht auf den Pyramidenstümpfen als ideale selbstjustierende
Dotiermaske eignet. Im Falle von p-Silizium liegen dann n⁺ Punktkontakte (Minoritäts
träger sammelnd) neben p⁺ Punktkontakten (Majoritätsträger sammelnd) auf den
Pyramidenstümpfen vor, wobei das Zwischengebiet mit einer Passivierschicht bedeckt ist.
Ein eigenerfinderischer Vorschlag sieht vor, unter Einbeziehung der abgeflachten
Pyramiden durch einen einfachen selbstjustierenden Prozeß die obigen für einen Mas
senfabrikationsprozeß weniger geeigneten Justiervorgänge zu eliminieren und dabei noch
wesentliche Vorteile bezüglich der bei diesen rückseitig die Minoritätsladungsträger
sammelnden Solarzellen erforderlichen sehr geringen Dicken der Halbleiterscheibe zu
erreichen.
Ähnlich wie in der Europäischen Patentanmeldung EP 8 81 05 201.3 A1 beschrieben, kann
eine Halbleiter- wie Siliziumrückseite durch verschiedene Methoden derart strukturiert
abgetragen werden, daß in bestimmten Abständen (bis in den Millimeterbereich)
erhabene Bereiche stehen bleiben, auf denen Ohmsche Kontakte zur Sammlung von
Majoritätsladungsträgern angeordnet sind. Im Bereich zwischen diesen als Kontaktstege
zu bezeichnenden Ohmschen Kontakten sind Minoritätsträger sammelnde Kontakte
angeordnet, entweder in Form einer MIS-Fingerstruktur (analog zu Fig. 1) auf den
abgeflachten und passivierten Pyramiden oder als ganzflächiger Metall-Isolator-Silizium
bereich wie in Fig. 3 dargestellt ist.
In den Fig. 3 und 4 sind Ausschnitte einer Rückseite einer Solarzelle (36) dargestellt,
die ein Halbleiter- wie Siliziumsubstrat (38) mit pyramidenförmigen Erhebungen (40),
(42) aufweist. Vor Ausbildung der Erhebung (40), (42) wurden aus dem Halbleitersub
strat stegförmige Vorsprünge (44), (45) gebildet. Auf die Vorsprünge (44), (45) wurde
sodann Metall (48) zur Bildung der Ohmschen Kontakte (57) abgeschieden. Anschlie
ßend wird die gesamte Halbleitersubstratfläche mit einer Passivierschicht (46) abge
deckt. Schließlich werden die Spitzen der Pyramiden o. ä. Erhebungen (40), (42) also die
Passivierschicht und bereichsweise das Halbleitermaterial abgetragen, um eine dünne
Isolatorschicht (50) auf dem freigelegten Halbleitersubstrat anzuordnen. Der Bereich
zwischen den Ohmschen Kontakten (57) wird sodann mit Metall (52) abgedeckt, das
entsprechend der flächigen Erstreckung der Isolatorschicht (50), dem darunter befindli
chen und freigelegten Halbleiter das Metall von MIS-Kontakten (54) bildet und an der
Halbleiteroberfläche wird eine Inversionsschicht (53) induziert.
Mit anderen Worten ist bereichsweise Metall (52), Isolatorschicht (50) und Halbleiter
substrat ein MIS-Kontakt (54).
Der erhabene Ohmsche Kontakt (57) selbst kann auf seiner Oberfläche eben sein oder
ebenso wie das Zwischengebiet aus abgeflachten Pyramiden oder anderen Erhebungen
bestehen. Die Aufbringung des Metalls für die erhabenen Kontakte (57) kann, vor der
Erzeugung der erhabenen Halbleiterbereiche, also der Erhebungen (44), (45) ganz
flächig erfolgen oder nachträglich vorzugsweise selbstjustierend durch Schrägaufdampfen
im Vakuum. Im letzteren Fall wird unter einem sehr flachen Winkel aufgedampft,
wodurch jeweils die eine Flanke des erhabenen Halbleiterbereiches mit viel Metall, der
Oberflächenbereich mit wesentlich weniger Metall bedeckt wird. Auch mit Hilfe einer
mechanischen Maske kann das Metall auf die erhabenen Bereiche aufgebracht werden.
Die Metallisierung (48) der erhabenen Bereiche (44), (45) kann auch erst nach Auf
bringen der Passivierschicht (46) nach lokalem Entfernen derselben auf der Oberseite
der Bereiche (44) und (45) erfolgen. In diesem Fall bedeckt das Metall zumindest
bereichsweise die Passivierungsschicht (46).
Um auf einfache Weise einen definierten, minimalen Abstand von Ohmschen Kontakt
(57) und MIS-Kontakt (54) ohne die Gefahr eines lokalen Kurzschlusses zu erhalten,
wird erfindungsgemäß nach Fertigstellung der Ohmschen Kontakte (57) das Metall für
die MIS-Kontakte (54) in einer Vakuumaufdampfanlage weitgehend senkrecht aufge
dampft. Dabei erfolgt eine gleichmäßige Beschichtung sowohl im tieferliegenden MIS-
Kontaktbereich als auch auf den erhabenen Ohmschen Kontakten (48), während auf den
senkrechten oder leicht geneigten Flanken sich kein oder nur wenig Metall abscheidet.
Eine kurze Metallätzung stellt sicher, daß die Flanken der erhöhten Kontaktbereiche
(44) frei von Metall sind und damit ohne besondere Justierung eine exakte Trennung
von Ohmschen Kontakten (57) und MIS-Kontakten (54) erfolgt ist.
Der zwischen den Ohmschen Kontakten (57) vorhandene und mit dem Bezugszeichen
(54) versehene MIS-Kontakt ist im eigentlichen Sinne ein MIS-Kontaktbereich, der sich
aus einzelnen MIS-Kontakten (49) zusammensetzt, die jedoch über die Metallisierung
(52) leitend untereinander verbunden sind und den Minus-Pol (56) bilden.
Aus Gründen der Einfachheit wird der sich zwischen Ohmschen Kontakten (57) er
streckende MIS-Kontaktbereich als MIS-Kontakt (54) bezeichnet.
Der räumliche Abstand der Kontakte (57) und (54) ist durch die Höhe und Form der
erhabenen Bereiche festgelegt. Durch naßchemisches Ätzen, Plasmaätzen, mechanisches
Abtragen oder andere Methoden können Höhe und Form beliebig eingestellt werden.
Die Bereiche können durch schräge Flanken begrenzt sein, wie es beispielsweise durch
naßchemisches anisotropes Ätzen erreicht wird, oder durch senkrechte, abgerundete
oder andersartig geformte Seitenwände. Abgesehen von der mechanischen Stützfunktion,
durch die der Halbleiter unproblematisch sehr dünn gemacht werden kann (wichtig für
rückseitig sammelnde Solarsellen!), unterscheidet sich die Aufgabe der erhabenen
Bereiche in Fig. 3 erheblich von der Anordnung wie sie in der EP 8 81 05 201.3 A1
aufgeführt ist. Dort war die Forderung gestellt, daß Höhe der Bereiche plus Dicke des
Halbleitersubstrats in der Größenordnung der Diffusionslänge der Minoritätsladungs
träger liegen müssen, damit diese Ladungsträger den Ohmschen Kontakt nicht mehr
erreichen können. Im vorliegenden Fall jedoch ist diese Bedingung von untergeordneter
Bedeutung, da infolge der unmittelbar angrenzenden Inversionsschicht (53) und der
MIS-Kontakte (54) die Minoritätsträger praktisch schon vor dem Eintreten in den
erhabenen Kontaktbereich (57) seitlich abgesaugt und über den MIS-Kontakt (54) einer
Nutzung zugeführt werden. Diejenigen Minoritätsträger die doch in den erhabenen
Bereich (44), (45) gelangen, werden dann durch die Inversionsschicht (53) entlang der
Flanken zu den MIS-Kontakten (54) abgeführt. Durch diese beidseitig erfolgende
seitliche Absaugung der Minoritätsträger ist bei einer entsprechenden Geometrie der
erhöhten Bereiche (44), (45) (vorteilhaft: Breite < als die zweifache Diffusionslänge)
der Majoritätsträger sammelnde Kontakt (57) völlig vom Erreichen durch Minoritäts
träger abgeschirmt.
Diese auf einfache Weise erzeugte Rückseitenanordnung übertrifft somit das herkömm
liche Rückseitenfeld (BSF = Back Surface Field) in seiner Wirkung zur Abstoßung der
Minoritätsträger. Zur Reduzierung des Ohmschen Kontaktwiderstandes kann zusätzlich
auf dem erhabenen Bereich vor bzw. in Verbindung mit der Metallaufbringung ein
Legier- oder Diffusionsprozeß angewandt werden (z. B. pp⁺), wodurch auch noch ein
Getterprozeß zur Verbesserung der Lebensdauer der Minoritätsträger erfolgt.
Auch in der EP 8 81 05 201.3 A1 erhobene Forderung bezüglich der Abstände der Ohm
schen Kontakte untereinander (< 2 Diffusionslängen) trifft bei der hier erfindungs
gemäßen Anordnung nicht mehr zu. Die Ohmschen Kontaktbereiche können beliebig
dicht aneinandergereiht werden, da die Minoritätsträger infolge des Absaugens durch
die Inversionsschicht (53) nebst Raumladungszone auch bei sehr kleinen Abständen
überhaupt nicht mehr zu dem eigentlichen Ohmschen Metall-Halbleiterkontakt (57)
gelangen können.
Die Funktion der einseitig kontaktierten Solarzelle (36) beruht erfindungsgemäß darauf,
daß durch die die beiden Pole (MIS-Kontakte (54) und Ohmscher Kontakt (57) in Fig.
3 verbindende Inversionsschicht (53) kein Elektronenübergang, d. h. kein interner
Kurzschluß (shunt)) erfolgt. Im Sinne eines geringen Serienwiderstandes und einer
geringen Rekombination sollten die Ohmschen Kontaktbereiche nicht zu breit sein (∼
100 µm Breite) und ihr Abstand nicht zu groß gemacht werden. Beispielsweise dürfte
bei einer Diffusionslänge von 150 µm-200 µm, einer Kontaktbreite von 100 µm und einer
Kontakthöhe von 80 µm der Ohmsche Kontakt völlig von Minoritätsträgern abgeschirmt
sein.
Was die Gestaltung der Solarzellenvorderseite für die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten
Rückseitenstrukturen betrifft, so gibt es mehrere Möglichkeiten, je nachdem welchen
Solarzellentyp man erhalten möchte:
- 1) Solarzelle mit rückseitiger Sammlung der Ladungsträger und der Möglichkeit der beidseitigen Lichtausnützung:
Bei dieser Anordnung kann für die Rückseite die Struktur nach Fig. 1 mit unter
brochenen MIS-Kontakten verwendet werden, wenn beidseitige Lichtausnützung
erwünscht ist.
Mit der in Fig. 3 gezeigten Struktur ist wegen des optischen Reflektors an der
Rückseite eine effiziente einseitige Solarzelle gegeben. Die Vorderseite enthält
keine Kontakte und damit auch keine Lichtabschattung, da sowohl Löcher als
auch Elektronen an der Rückseite gesammelt werden.
Von äußerster Wichtigkeit ist aber, daß diese Vorderseite eine sehr niedrige
Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit besitzt, d. h. die in ihrer Nähe durch
das Licht erzeugten Ladungsträger dürfen nicht an dieser Oberflächen rekom
binieren. Hierzu kann analog zur schon erwähnten Front Surface Field (FSF)
Solarzelle unter der Antireflexionsschicht ein pp⁺-Übergang an der Vorderseite
erzeugt werden, der durch seine Potentialbarriere die Minoritätsladungsträger am
Erreichen der Oberfläche hindert oder, wie im Falle der Tandem Junction
Solarzelle, ein majoritätsladungsträgerabstoßender oberflächlicher pn-Übergang.
Da es sich aber sowohl bei der Erzeugung eines pn-Überganges als auch eines
pp⁺-Überganges um aufwendige Hochtemperaturprozesse handelt und außerdem
zusätzlich eine Antireflexionsschicht aufgebracht werden muß, sollen, da bei der
vorliegenden Erfindung der Niedertemperaturaspekt sowie die Einfachheit und
Kostengünstigkeit der Herstellprozesse im Vordergrund stehen, Oberflächenpassi
vierung und Antireflexionsschicht in einem Prozeßschritt erreicht werden. Dazu
wird einfach auf der Vorderseite eine Wasserstoff enthaltende Isolatorschicht
entsprechender Dicke auf dem natürlichen oder absichtlich thermisch erzeugten
Oxyd abgeschieden, wodurch sowohl die Oberflächenzustände abgesättigt werden
als auch die Reflexion an der Halbleiteroberfläche vermindert wird. Isolatorla
dungen sind dabei von Vorteil, so daß sich die Siliziumoberfläche entweder in
Anreichung oder in Inversion befindet. Sehr gut geeignet hierfür ist wiederum
Siliziumnitrid, vorzugsweise in der Glimmentladung bei Temperaturen zwischen
350°C und 600°C (Herstell- oder Nachbehandlungstemperatur) beispielsweise
durch Reaktion der wasserstoffhaltigen Komponenten Silan (SiH4) und Ammo
niak (NH3) abgeschieden.
Mit seinem in weiten Grenzen veränderbaren Brechungsindex (zwischen 1,8 und
2,6) kann für jede Anordnung minimale Reflexion erzielt werden, wobei gleich
zeitig ein perfekter Schutz der Oberfläche gegen das Eindringen von Verunreini
gungen gegeben ist.
Eine derartige Schicht wurde schon in der DE 35 36 299 A1 zur Verminderung
der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit verwendet. Andere dünne Isola
torschichten, die sowohl zur Passivierung als auch zur Reflexionsminderung
geeignet sind und vorteilhafterweise positive oder negative Ladungen enthalten
sowie thermisches Siliziumoxid kommen ebenfalls in Frage. Vorzugsweise sollte
die Oberfläche texturiert sein.
Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle fällt das Licht ohne jegliche Abschattung
durch die Oberfläche in den Halbleiter ein und erzeugt im Inneren, jedoch
relativ nahe der Oberfläche, Elektron-Lochpaare. Beide Ladungsträgerarten
müssen nun zur Rückseite diffundieren, wobei die Minoritätsladungsträger von
den MIS-Kontakten (54), die Majoritätsladungsträger von den Ohmschen Kon
takten (48) gesammelt und über einen äußeren Stromkreis (+Pol 55, -Pol 56) zur
Arbeitsleistung verwendet werden (Fig. 1).
Die Dicke des Halbleitersubstrates (38) soll dabei kleiner als die Diffusionslänge
der Minoritätsladungsträger sein, damit möglichst viele dieser Ladungsträger
ohne Rekombination zur Rückseite gelangen können. Die Minoritätsladungs
träger gelangen sowohl direkt als auch über die Inversionsschicht (53) an der
Rückseite hin zu den MIS-Kontakten (54). Es kann auch das von hinten auf
fallende Licht sehr gut ausgenützt werden, da die nahe der Rückseite durch das
von hinten einfallende Licht erzeugten Ladungsträger optimal gesammelt werden.
- 2) Solarzelle mit beidseitiger Sammlung von Minoritätsladungsträgern:
Bringt man zusätzlich zu den beiden Kontaktanordnungen auf der Rückseite (Fig.
1 bis 4) auch an der Vorderseite der gezeigten Solarzelle Kontaktstege an, die in
der Lage sind, Minoritätsladungsträger zu sammeln, so ändert sich das Verhalten
der Zelle drastisch. Es ergeben sich entscheidende Vorteile, sowohl bei nur
vorderseitiger als auch bei beidseitiger Beleuchtung.
Fällt Licht nur von vorne auf die Zelle, so resultiert infolge der Sammlung
der Minoritätsladungsträger auf beiden Seiten bei gleicher Dicke und
Qualität (Diffusionslänge) des Halbleitermaterials ein höherer Samm
lungswirkungsgrad als bei der normalen BSF (Back Surface Field) Solar
zelle. Der Grad der Verbesserung ist abhängig vom Verhältnis aus Zel
lendicke/Diffusionslänge. Es können daher auch billigere Halbleitermate
rialien (geringere Diffusionslänge) verwendet und dennoch hohe Wir
kungsgrade erreicht werden. Die hier beschriebene Konfiguration ist
besonders für den Fall von Vorteil, wenn man aus Kostengründen sowohl
die Dicke des Halbleitermaterials als auch dessen Diffusionslänge redu
ziert.
Wenn die Zelle von beiden Seiten mit gleicher Intensität beleuchtet wird, so
erhält man unabhängig von der Diffusionslänge nahezu die doppelte Ausgangs
leistung, da der Wirkungsgrad für Front- und Rückseitenbeleuchtung, abgesehen
von der höheren Abschattung auf der Rückseite, gleichgroß ist. Hier unterschei
det sich diese Zelle wesentlich von der unter 1) beschriebenen einseitig Minori
tätsträger sammelnden Zelle, bei der das Verhältnis aus Frontseitenwirkungsgrad
zu Rückseitenwirkungsgrad sehr stark von der Diffusionslänge des Halbleiterma
terials abhängt. Bei Diffusionslängen, die kleiner als die Dicke des Substrates
sind, ergibt sich dort ein sehr schlechter Frontseitenwirkungsgrad.
Die erfindungsgemäßen Rückseitenanordnungen ermöglichen es nun, vorzugs
weise zusammen mit der bei der MIS-Inversionsschicht-Solarzelle angewendeten
Vorderseitenstruktur mit Hilfe einfacher Niedertemperaturprozesse die doppel
seitige Solarzelle zu realisieren.
Die Funktionsweise dieser beidseitig Minoritätsträger sammelnden Solarzelle ist
nun wie folgt:
Durch das von der Vorderseite wie auch von der Rückseite in den p-Halbleiter
körper einfallende Licht werden Elektron-Lochpaare erzeugt. Die Löcher wan
dern zu den Ohmschen Kontakten auf der Rückseite und werden von ihnen
gesammelt. Die Elektronen als Minoritätsladungsträger diffundieren nun, je nach
dem Ort ihrer Entstehung, entweder zur Vorderseite oder zur Rückseite und
gelangen zu den MIS-Kontakten. Vorzugsweise sollen die Minoritätsträger
sammelnden Kontaktsysteme von der Vorder- und Rückseite extern miteinander
verbunden werden und den einen Pol der Solarzelle bilden. Das rückseitige
Majoritätsträger sammelnde Kontaktsystem bildet den anderen Pol. Dies ent
spricht einer Parallelschaltung der beiden MIS-Diodenanordnungen von Vorder-
und Rückseite.
Die doppelseitige Sammlung der Minoritätsladungsträger erlaubt es nun
- a) unter frontseitiger Beleuchtung höhere Wirkungsgrade zu erzielen durch Erhöhung der spektralen Empfindlichkeit im langwelligen Bereich,
- b) bei gleicher Dicke des Halbleitersubstrates eine wesentlich kleinere Diffusionslänge und damit billigeres Halbleitermaterial zu verwenden oder es kann bei gleicher Diffusionslänge eine größere Dicke des Halbleiters gewählt und damit mehr Licht absorbiert werden,
- c) zusätzlich zu dem erhöhten Wirkungsgrad bei Vorderseitenbeleuchtung im Gegensatz zu bisher bekannten doppelseitig beleuchtbaren Solarzellen auch das von hinten einfallende Licht, abgesehen von der zusätzlichen Abschattung durch die MIS-Kontakte, erheblich besser auszunützen, da die Minoritätsladungsträger nicht erst durch das ganze Halbleitersubstrat zu den sammelnden Kontakten auf der Vorderseite diffundieren müssen (die Abschattung durch die MIS-Kontakte auf der Solarzellenrückseite sollte nicht wesentlich größer als 10% sein, so daß die Gesamtabschattung der Rückseite durch Ohmsche und MIS-Kontakte bei etwa 20% zu liegen kommt),
- d) infolge der Reduzierung der Strombelastung der einzelnen MIS-Kontakte und der Inversionsschicht durch die großflächigere doppelseitige Samm lung der Minoritätsladungsträger eine Reduzierung des Serienwiderstandes und damit eine Erhöhung des Füllfaktors und des Wirkungsgrades der Solarzelle zu erreichen. Ferner kann die Dicke der Metallschicht der MIS- Kontakte reduziert werden.
Statt der bei niederen Temperaturen hergestellten und mit der Rückseitenanord
nung technologisch kompatiblen Vorderseitenanordnung mit MIS-Kontakten und
Inversionsschicht kann auch die herkömmliche Anordnung mit ganzflächigem,
durch Diffusion oder Ionenimplantation erzeugtem n⁺p- bzw. p⁺n-Übergang und
Metall-Kontaktgitter verwendet werden. Bei diesem Solarzellentyp werden
demnach die Minoritätsladungsträger teils über den vorderseitigen n⁺p- bzw.
p⁺n-Übergang und teils über die rückseitigen Minoritäts-MIS Dioden abgesaugt.
Die Möglichkeit der abgeflachten Pyramiden kann vorteilhafterweise natürlich
auch für den als Back-MIS Zelle (R. Hezel and K. Jaeger, J. Electrochem. Soc.
136(2), S. 518 (1989) bezeichneten, rückseitig nur die Minoritätsträger sammeln
den Solarzellentyp eingesetzt werden, während sich das Ohmsche Majoritäts
träger sammelnde Kontaktgitter wahlweise ebenfalls mit abgeflachten Pyramiden
auf der Vorderseite befindet. Der große Vorteil hierbei ist, daß die Fläche des
eigentlichen MIS-Kontaktes auf der Rückseite in Form der abgeflachten Pyrami
den sehr kein gemacht werden kann, die ganzflächige Metallisierung größtenteils
auf der durch die Isolatorschicht sehr gut passivierten Oberfläche verläuft und
damit gleichzeitig einen hervorragenden rückseitigen Spiegel (BSM "Back Surface
Mirror") für das im Halbleiter nicht absorbierte Licht darstellt.
Claims (12)
1. Solarzelle mit einem Halbleitermaterial für ein Halbleitersubstrat, in welchem
durch einfallende Strahlungsenergie Ladungsträger erzeugt werden, die von auf
einer Seite des Halbleitersubstrats angeordneten ersten und zweiten Minoritäts-
bzw. Majoritätsträger sammelnden Kontakten in Form von Ohmschen Kontakten
und MIS-Kontakten ableitbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten und zweiten Kontakte (18, 30) auf einer Erhebungen (20, 22, 24)
aufweisenden Halbleitersubstratfläche angeordnet sind, daß die ersten und
zweiten Kontakte zumindest bereichsweise auf zuvor mit Passivierungsmaterial
abgedeckten und sodann von diesem freigelegten Abschnitten der Erhebungen
unmittelbar oder auf einer Isolatorschicht (14) angeordnet sind und daß sich
entlang der Halbleitersubstratfläche eine die Minoritätsladungsträger zu den
MIS-Kontakten (30) leitende Inversionsschicht (28) zwischen sowohl den ersten
und zweiten Kontakten als auch den MIS-Kontakten erstreckt.
2. Solarzelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebungen (20, 22, 24) linienförmig sind Pyramiden-, Kegel- oder
Zylinderform aufweisen.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten und zweiten Kontakte (18, 30) reihenförmig und parallel zuein
ander verlaufend angeordnet sind.
4. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen einem Ohmschen Kontakt (18) und einem benach
barten MIS-Kontakt (30) gleich oder geringer als der zwischen zwei benachbarten
MIS-Kontakten ist.
5. Solarzelle nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen einem MIS-Kontakt (30) und einem Ohmschen
Kontakt (18) in etwa die Hälfte des Abstandes von zwei aufeinanderfolgenden
MIS-Kontakten ist.
6. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die äußeren parallel zur Halbleitersubstratfläche verlaufenden Flächen der
ersten und zweiten Kontakte (18, 30) in oder in etwa einer Ebene verlaufen.
7. Solarzelle mit einem Halbleitermaterial für ein Halbleitersubstrat, in welchem
durch einfallende Strahlungsenergie Ladungsträger erzeugt werden, die von auf
einer Seite des Halbleitersubstrats angeordneten ersten und zweiten Minoritäts-
bzw. Majoritätsträger sammelnden Kontakten in Form von Ohmschen Kontakten
und MIS-Kontakten ableitbar sind, wobei die Ohmschen Kontakte auf erhabenen
Bereichen des Halbleitersubstrats angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die MIS-Kontakte (49) oder von diesen gebildete Bereiche (54) ganz
flächig oder im wesentlichen ganzflächig zwischen den Ohmschen Kontakten (57)
erstrecken.
8. Solarzelle nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Draufsicht der Rückseite der Solarzelle (36) die MIS-Kontakte (49)
beziehungsweise die von diesen gebildeten Bereiche (54) und die Ohmschen
Kontakte (57) eine geschlossene oder im wesentlichen geschlossene Fläche
bilden.
9. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die MIS(Metall-Isolator-Halbleiter)-Kontakte (49) auf texturierten Bereichen
des Halbleitersubstrats angeordnet sind, wobei ein Teil des Metalls des MIS-
Kontaktes auf zuvor mit einer Passivierschicht (46) abgedeckten und sodann von
dieser befreiten und mit einer Tunneloxidschicht (50) versehen texturierten
Bereichen angeordnet ist.
10. Solarzelle nach zumindest Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Passivierungsschicht (46) die Ohmschen Kontakte (57) abdeckt.
11. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallisierung (48) der Ohmschen Kontakte (57) die Passivierungsschicht
(46) zumindest teilweise überdeckt.
12. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Halbleitermaterial einkristallin, polykristallin, amorph oder ein Element-
oder Verbindungshalbleiter ist.
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