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In dieser Erfindung wird eine neuartige Anordnung der Kontaktbahnen zur Stromsammlung an der der Sonne zugewandten Seite von Solarzellen aus polyknstallinem Silizium vorgeschlagen. Unter Solarzelle ist hier zu verstehen ein scheibenförmiges Halbleiterelement aus polykristallinem Halbleitermaterial für die photovoltaische Umwandlung elektromagnetischer Strahlung, weiches beldseits mit elektnschen Kontakten versehen ist, wobei der elektrische Kontakt auf der für den Empfang der elektromagnetischen Strahlung bestimmten Seite der Scheibe linienförmig verläuft.
Der Grossteil heutiger Solarzellen wird aus Silizium hergestellt/l/Die scheibenförmigen Zellen mit
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23% erreicht/2/. Die entsprechenden Werte für Solarzellen aus polykristallinem Silizium liegen bei 16% - 18%. Polykristallines Material Ist aber erheblich billiger in der Herstellung, weshalb eine Erhöhung des Wirkungsgrades wünschenswert ist. Der Grund für seinen niedrigen Wirkungsgrad liegt hauptsächlich in den Korngrenzen zwischen den einzelnen Knstalliten. Hier kommt es zu erhöhter Rekombination der photovoltaisch erzeugten Ladungsträgerpaare, sowie zu ohmschen Verlusten, wenn die Ladungsträger bel ihrem Fliessen hin zu den Kontaktbahnen die Korngrenzen durchqueren.
Es besteht daher die Aufgabe, diese Verlustmechanismen möglichst zu eliminieren, bzw. auf andere Art den Wirkungsgrad polykristalliner Solarzelle aus Silizium zu erhöhen.
Zur Unterdrückung der Verluste an den Korngrenzen wurden bis jetzt verschiedene Wege beschritten
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Siliziumkühlen, sodass möglichst grosse Knstallite, mit kleinstem Durchmesser von einigen Millimetern aufwärts. entstehen/3/. Andrerseits gibt es Methoden, die Korngrenzen elektronisch passiv zu machen. In Patent- schnft/4/wird eine solche Methode für eine polyknstalline Siliziumscheibe, die erzeugt wurde, indem sie auf ein Substrat aus einem siliziumhältigen Gas abgeschieden wurde, und die dadurch Kristallite in der Grössenordnung von nur einigen Mikrometern enthält, beschrieben.
Dabei wird in einem Verfahrensschritt die erhitzte Siliziumscheibe einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt, sodass Sauerstoffatome bevorzugt entlang der Korngrenzen eindiffundieren und so zwischen den Kristallite isolierendes Si02 gebildet wird.
Die Mehrzahl heutiger polykristalliner Siliziumsolarzellen wird jedoch aus Scheiben erzeugt, die durch Zersägen gegossener Siiiz ! umb ! öcke gewonnen werden. Für diese ist aus ökonomischen Gründen die gängigste Form der Passivierung der Korngrenzen mittels Wasserstoffdiffusion/5/. Dadurch werden Rekombinationszentren, die entlang der Korngrenzen besonders gehäuft auftreten, abgesättigt. Eine andere Methode Ist in den Patentschriften/6/./7/und/8/beschrieben. Dort wird die p-n-Übergangsschicht, die normalerweise parallel zu der der Sonne zugewandten Oberfläche der Scheibe verläuft, durch spezielle Diffusionsverfahren ein Stück entlang der Korngrenzen ins Innere der Siliziumscheibe fortgesetzt.
Dadurch entsteht das intrinsische elektrische Feld über einer grösseren Fläche als durch die linearen Abmessungen der Scheibe definiert, wodurch Ladungsgträgerpaare, die in der Nähe der Korngrenzen erzeugt wurden und ansonsten eher rekombinieren würden, noch getrennt werden, und so ein höherer Strom erreicht werden kann. Die Rekombination wird zum Teil unterbunden, weil die zwei Ladungsträgerarten in der Nähe der Korngrenzen besser getrennt werden. Eine Verbesserung wird In einer Methode gemäss Patentschnft/9/ versucht, bei der durch ausgewählte Ätzverfahren, ausgehend von der der Sonne zugewandten Seite der Scheibe, die Korngrenzen etwa ein Viertel bis ein Drittel der Scheibendicke weit bis ins Innere der Scheibe weggeätzt werden. Erst dann wird der p-n-Übergang erzeugt. Eine ähnliche Methode ist in der Offenegungsschnft/10/angegeben.
In der Methode gemäss Patentschrift/11/ werden ebenfalls auf ähnliche Weise zunächst Rinnen entlang der Korngrenzen geätzt, aber deren tiefste Stellen mittels einer SiOz-Schtcht Isolierend gemacht und ein p-n-Übergang erzeugt. Die Kristallite sind so Im Bereich der p-n-Schicht voneinander elektrisch getrennt, und jeder für sich stellt eine kleine einkristalline Solarzelle dar. Die Frontkontakte zur Stromsammlung werden daher in Form eines genügend engen Netzes angelegt, sodass jeder Knstallit überstrichen wird, oder es wird zusätzlich eine lichtdurchlässige elektnsch leitende Schicht über der gesamten der Sonne zugewandten Seite aufgebracht.
Die Erfindung stellt einen neuen Zugang zur Lösung der gestellten Aufgabe dar, wobei auf die Methoden in/9/und/10/aufgebaut werden kann, aber nicht muss. Es wird vorgeschlagen, dass weitgehendst nur über den Stellen, wo Korngrenzen, die einzelne Kristallite voneinander trennen, die für den Empfang der elektromagnetischen Strahlung bestimmte Seite des scheibenförmigen Halbleiters durchstossen, die Kontaktierung zum Sammeln des Stromes auf dieser Seite angebracht ist.
Weiters wird vorgeschlagen, dass die KOl'1hktlerung zum Sammeln des Stromes auf der für den Empfang der elektromagnetischen Strahlung be'mten Seite auf deren Oberfläche oder in Einkerbungen In der Oberfläche angebracht 1St. Durch diese For der Kontaktierung ergibt sich ein Netz zusammenhängender, elektrisch leitender Bahnen. Es muss nicht unbedingt über jeder Korngrenzhnie eine Kontaktbahn verlaufen, etwa wenn sehr viele kleine Knstallite
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vorhanden sind. Die Abschätzung, ab welcher Mindestgrösse Kristallite berücksichtigt werden, ergibt sich aus der gewählten Breite der Kontaktbahn und dem erreichbaren Nutzen, wird jedoch bei rund 2 mm liegen.
Bei besonders grossen Kristallen, etwa ab einer kleinsten Distanz zwischen gegenüberliegenden Korngrenzlinien von 4 mm, können zur Verbesserung der Stromsammlung auch Kontaktbahnen aufgebracht sein, die nicht über Korngrenzlinien liegen. Neben den Kontaktbahnen über den Korngrenzlinien wird günstigerweise zumindest eine genügend grosse Kontaktstelle bestehen, die als Lötfläche zum Abführen des Stromes dienen kann. Durch die vorgeschlagene Art der Kontaktierung werden folgende Vorteile erzielt :
1 Die Rekombination im Bereich der Korngrenzen wird reduziert, weil dort auf photovoltaischem Weg keine Ladungsträgerpaare entstehen, und sich daher insgesamt weniger Ladungsträger dort bewegen.
2. Die Korngrenzen werden abgeschattet, und die Kristallitflächen dazwischen werden voll dem Sonnen- licht ausgesetzt. Da die Korngrenzen Bereiche schlechten und die Knstallitflächen solche guten Wir- kungsgrades sind, werden Bereiche guten Wirkungsgrades freigemacht, sodass insgesamt eine Erhöhung des Wirkungsgrades möglich wird.
3. Die eine Art der erzeugten Ladungsträger muss bei ihrer Bewegung zu den Kontaktbahnen - dies ist im wesentlichen ein diffusives Fliessen In einer dünnen Schicht unmittelbar unter der der Sonne zugewand- ten Oberfläche der Scheibe - nicht mehr Korngrenzen durchqueren, wodurch die höheren ohmschen
Verluste sowie Rekombination im Bereich der Korngrenzen wegfallen. Auch dies sollte den Wirkungsgrad positiv beeinflussen.
Es folgt die Erläuterung an Hand der Figuren der Zeichnung.
Fig. 1 zeigt die der Sonne zuzuwendende Oberfläche einer polykristallinen Siliziumscheibe für die Herstellung einer Solarzelle, die geeignet ist die Erfindung darauf anzuwenden (Originalgrösse 100 mm x 100 mm ; Dicke 250 um). Die Korngrenzlinien (1) sind als abrupte Änderung der Helligkeit erkennbar.
Fig. 2 zeigt, anhand einer kleineren Scheibe analog der in Fig. 1, wie gemäss der Erfindung die Kontaktbahnen (2) über den Korngrenzlinien anzubringen sind, sowie einen breiteren Stromsammelstreifen (3) zum Anbnngen einer Lötverbindung.
Fig. 3 zeigt dieselbe Scheibe wie Fig. 2, aber mit Kontaktbahnen (4) die den Verlauf der Korngrenzlinien vollkommen unberücksichtigt lassen, und daher nicht im Sinne der Erfindung angebracht sind.
Fig. 4 zeigt anhand eines Schnittes die Lage-im Sinne der Erfindung - der Kontaktbahnen (2), die Schicht des p-n-Überganges (5), und den typischen Verlauf der Korngrenzen (6) im Inneren der Siliziumscheibe, sowie die um die Korngrenzen befindlichen Bereiche hoher Rekombination (7).
Flg. 5 zeigt anhand eines Schnittes die mögliche Lage der Kontaktbahnen (2), wenn vorher mittels spezieller Ätzverfahren Einkerbungen (8) entlang der Korngrenzlinien geschaffen wurden.
Die in Fig. 1 abgebildete Oberfläche einer Siliziumscheibe zeigt typisch Schnittflächen zwischen den Kristallite und der Oberfläche von einigen mm2 bis einige cm2, wie sie in den üblichen Gussverfahren und anschliessendem Zersägen entstehen. Gemäss der Erfindung werden die Kontaktbahnen (2) genau über den Korngrenzlinien (1) angebracht, sodass sie deren Verlauf folgen. Es entsteht ein Netzwerk der Kontaktbahnen (2), wie in Fig. 2 ersichtlich. Jene Ladungsträgerart, die aufgrund der Art des p-n-Übergangs durch das intrinsische Feld an die der Sonne zugewandte Oberfläche diffundiert, fliesst parallel zur Oberfläche zu den Kontaktbahnen und in diese.
Wichtig ist, dass die Kontaktbahnen breiter anzulegen sind als die Zone hoher Rekombinations-wahrscheinlichkeit um die Korngrenzen (7), sodass nur ein geringer Teil dieser Ladungsträgerart in diese Zone gelangt, weil sie vorher die Kontaktbahnen erreicht. Für das Wesen der Erfindung ist es unerheblich, ob Einkerbungen (8) entlang Korngrenzlinien erzeugt wurden, und falls dies zutrifft, ob die Kontaktbahnen (2) völlig oder nur teilweise in diese Einkerbungen eingebettet sind, wie beispielhaft in Fig. 5 angedeutet. In Fig. 3 ist exemplarisch gezeigt, wie die Kontaktbahnen gemäss der Erfindung nicht angeordnet werden sollen. Die Kontaktbahnen decken dort nämlich zum überwiegenden Teil nicht die Korngrenzlinien ab, sondern Bereiche im Inneren der Kristallite, die aber hohen Wirkungsgrad hätten.
Zusätzlich müssen dort die an der der Sonne zugewandten Seite der Oberfläche zu den Kontaktbahnen fliessenden Ladungsträger durch - möglicherweise mehrere - Korngrenzen diffundieren, an denen Rekombination und höhere ohmsche Verluste auftreten. Bei insgesamt gleicher Bedeckung der Oberfläche mit Kontaktbahnen- üblicherweise zwischen 5% und 10% der Oberfläche - ist daher mit einer Auslegung der Kontaktbahnen gemäss Fig. 2 ein höherer Wirkungsgrad als bei einer Auslegung gemäss Fig. 3, zu erwarten. Dies wurde In Labortests an Zellen der Grösse 31 x 31 mm2 im wesentlichen bestätigt, und am 12.
April 1994 veröffentlicht ,'12/. Der Erfindung kommt entgegen, dass bei der Erzeugung von polykristallinem Silizium für Solarzellen versucht wird, die Korngrenzen senkrecht zur Oberfläche zu erhalten/3/, sodass auch im Inneren der Solarzelle die Korngrenzbereiche mit einer relativ dünnen Kontaktbahn über den Korngrenzlinien (heute sind Breiten bis hinab zu 80 um üblich) abgeschattet werden können.
Eine Herstellungsmöglichkeit der Kontaktbahnen über den Korngrenzlinien gemäss der Erfindung wird nun angegeben :
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Die hier vorgeschlagene Art der Auslegung der Kontaktbahnen auf der der Sonne zugewandten Oberfläche der Solarzelle kann In bestehende Produktionsmethoden für Solarzelle aus polyknstallinem Silizium übernommen werden, da alle Schritte gleich bleiben, mit Ausnahme der Aufbnngung der Kontaktbahnen.
Kontaktbahnen an Solarzelle aus Silizium werden üblicherweise mittels Siebdruckverfahren aufgebracht. Dies ist bel der hier vorgeschlagenen Auslegung der Kontaktbahnen zwar auch möglich, jedoch Bedarf es dazu einer von Zelle zu Zelle unterschiedlichen Maske, da die Korngrenzlinien jeweils unterschiedlich verlaufen. Dies erscheint sehr aufwendig. Eine andere Methode besteht in der Aufnahme der nackten Oberfläche der Zelle mittels einer elektronischen Kamera, eventuell mit polansiertem Licht aus verschiedenen Beleuchtungswinkeln, um die Korngrenzlinien optisch gut sichtbar zu machen.
Anschliessend kann das Bild mittels eines Mustererkennungsprogrammes analysiert werden, und daraus resultierend eine spezielle Zeichenfeder maschinell gesteuert werden, mit der die verdünnte Paste auf die Zelle aufgebracht wird. (Aufbringverfahren von Kontaktbahnen mittels Zeichenfeder wurden bereits industriell getestet/13/.
Für die Studie/12/wurden die Kontaktbahnen per Hand gezeichnet. ) Eine weitere mögliche Methode besteht In einer korngrenzenspezifischen Ätzung der Oberfläche der nackten Zelle, wie in/9/-/11/erwähnt, sodass entlang der Korngrenzlinien Einkerbungen entstehen, in die dann mittels eines Tiefdruckverfahrens die Kontaktpaste aufgebracht werden kann. Schliesslich ist auch vorstellbar, die Kontaktbahnen mittels eines photographischen Kopierverfahrens direkt über den Korngrenzlimen aufzubringen.