DE2405936C2 - Mit Abdeckscheibe versehene Silicium-Solarzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Abdeckscheibe versehene Silicium-Solarzelle, die auf eine Lichtstrahlung anspricht, welche den kurzen Wellenlängenbereich des Lichtspektrums zwischen 03 und 0,5 μπι umfaßt, und die eine antireflektierende Beschichtung auf der dem einfallenden Licht zugewandten Oberfläche der Solarzelle aufweist, wobei die antireflektierende Beschichtung den photovoltaisch wirksamen Lichtanteil im wesentlichem weder absorbiert noch reflektiert

Eine solche Solarzelle ist aus der US-PS 35 39 883 bekannt

Eine ähnliche Solarzelle ist «ach aus der US-PS 34 72 698 bekannt

Aus der US-PS 31 06 489 ist es bekannt, eine Nioboxid-Schicht zur Kontaktierung von Solarzellen zu verwenden.

Die Verwendung von Silicium-Solarzellen, die Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln, ist sowohl im Anwendungsbereich auf der Erde als auch im Weltraum bekannt. Das auf die Solarzelle einfallende Licht v/»rd von dem Halbleitergrundmaterial der Zelle absorbiert, wodurch Elektronen-Löcher-Paare (d.h. Ladungsträger) erzeugt werden. Im Idealzustand werden die Ladungsträger durch den Halbleiterübergang getrennt, ohne daß am Übergang eine Rekombination auftritt. Die Ladungsträger können an den sich gegenüberliegenden Oberflächen der Solarzelle mit Hilfe metallischer Stromanschlüsse gesammelt werden, wodurch ein Stromfluß entsteht.

Der Wirkungsgrad der Solarzellen, d. h. das Verhältnis zwischen der elektrischen Ausgangsleistung und der Eingangsleistung des einfallenden, verwendbaren Lichtes, steht direkt in Beziehung zur Menge des in die Silicium-Solarzelle einfallenden verwendbaren Lichtes. Das verwendbare Licht kann bei einer bestimmten Solarzelle als eine elektromagnetische Energie bei solchen Wellenlängen definiert werden, die, wenn sie von der Solarzelle absorbiert wird, eine Erzeugung von Ladungsträgern am Zellenübergang bewirkt. Der Wirkungsgrad der Solarzelle ist jedoch wegen der Reflektion des verwendbaren Lichtes von der oberen Oberfläche der Solarzelle begrenzt. Um das Problem der Lichtreflektion zu verringern, wird eine antirefiektierende Beschichtung auf die Oberfläche gebracht, durch die das Licht in die Solarzelle eindringt. Es ist klar, daß die Umgebung, in der die Solarzelle verwendet werden soll, die mechanischen, chemischen und optischen Eigenschaften festlegt, die die antireflektierende Beschichtung aufweisen muß. Im Anwendungsbereich der Raumfahrt, bei der eine Zuverlässigkeit unter extremen Umweltbedingungen und während einer außerordentlich langen Zeitspanne gefordert wird, kommt diesen Eigenschaften eine besondere Bedeutung zu.

Bei Anwendung in der Raumfahrt, bei der die über der antireflektierenden Beschichtung angeonuiete Abdeckscheibe vorzugsweise aus Quarz besteht, sollte der Brechungsindex der antireflektierenden Beschichtung zwischen dem der Abdeckscheibe und der darunter befindlichen Solarzelle sein, & h. im allgemeinen im Bereich zwischen 2,0 und 2,5. Eine weitere wichtige optisehe Eigenschaft der antireflektierenden Beschichtung ist ihre Transmission. Die antireflektierende Beschichtung sollte kein brauchbares Licht absorbieren, sondern dieses zu der darunterliegenden Solarzelle durchlassen. Die für die antireflektierende Beschichtung erforderlichen optischen Eigenschaften hängen von den Brechungsindizes ab und zwar sowohl vor dem der darunterliegenden Solarzelle als auch dem der Abdeckscheibe und schließlich auch vom Wellenlängenbereich, auf den die Solarzelle anspricht

Will man den besonders wirksamen Kurzwellenbereich des Lichtes von etwa 03 bis 0,5 μπι verwenden, benötigt man eine antireflektierende Beschichtung, die kein Licht über das gesamte sichtbare Spektrum absorbiert (ca. 03 bis 1,1 μπι). Weiterhin muß die antireflektierende Beschichtung ebenfalls gewissen mechanischen und chemischen Anforderungen genügen. Auch soll die antireflektierende Beschichtung sich nicht verschlechtern, wenn sie in einem Vakuum dem ultra-violetten Licht ausgesetzt wird. Die Wirkung einer solchen Verschlechterung könnte eine Änderung des Brechungsindex der antireflektierenden Beschichtung und die Absorbtion des Lichtes im kurzen Wellenlängenbereich sein. Bezüglich der Silicium-Solarzellen ist ferner eine Erscheinung unter der Bereichm-n» »Dispersion« bekannt, bei der der Brechungsindex des Siliciums mit kürzer werdender Wellenlänge zunimmt. Aus diesen Gründen sollte die antireflektierende Beschichtung eine Beziehung zur Wellenlänge aufweisen, welche sich dem veränderten Brechungsindex des Siliciums anpaßt.

Noch weitere Forderungen an die antireflektierende Beschichtung beziehen sich auf ihre Stabilität, auf ihre Adhäsionseigenschaften und ihre Härte. Die antireflektierende Beschichtung sollte chemisch stabil sein, d. h. sie sollte sich unter Einfluß von Temperatur, Chemikalien und Feuchtigkeit auch bei längerer Lagerung nicht in ihren optischen Eigenschaften ändern. Die Adhäsion der antireflektierenden Beschichtung an der Solarzelle sollte sehr gut sein um sicherzustellen, daß keine Entleimung auftritt. Schließlich sollte die antireflektierende Beschichtung hart genug sein, um während der Herstellung oder der Verwendung und insbesondere während der Befestigung der Abdeckscheibe nicht beschädigt zu werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Solarzelle der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Transmission der antireflektierenden Beschichtung und damit der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß die antireflektierende Beschichtung aus Niobpentoxid (Nb₂O₅) besteht.

Das verwendete Niobpentoxid weist einen Brechungsindex von etwa 2,4 auf und ist nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung möglich.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert Hierbei zeigt

F i g. 1 eine dreidimensionale Ansicht einer Solarzelle mit einer antireflektierenden Beschichtung aus Niobpentoxid;

F i g. 2A bis 2G Seitenansichten der Solarzelle nach F i g. 1 in verschiedenen Herstellungsstufen und

Fig.3 eine Fotomaske, die während des Herstellungsprozesses der Solarzelle nach F i g. 1 verwendet wird.

Bevor die Erfindung näher beschrieben wird, wird darauf hingewiesen, daß solche Maße, wie die Größe der Solarzelle und die relative Dicke der verschiedenen in F i g. 1 dargestellten Schichten, nicht für eine tatsächliche Solarzelle repräsentativ sind, sondern daß sie nur zur Veranschaulichung dienen.

In F i g. 1 ist eine Siliciumsolarzelle 1 dargestellt, die eine Schicht 2 aus einem ersten Leitungstyp aufweist, der von einer Schicht 3 eines entgegengesetzten Leitungstyps durch einen Übergang 4 getrennt ist Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Siliciumzel-Ie 1 eine r.-Zor.e 2 auf, die von einer p-Zone 3 durch einen n-p Übergang 4 getrennt ist, der um 100 nm von der oberen Oberfläche der Zone 2 entfernt ist Wie in der Solarzellentechnik bekannt ist, wird ein Grundmaterial vom p-Typ mit einer η-Typ diffundierten Zone, wie beschrieben, einem Grundmaterial vom η-Typ mit einer p-Typ diffundierten Zone vorgezogen; die Erfindung kann jedoch in beiden Fällen angewendet werden.

Auf der oberen Oberfläche der Zone 2 vom n-Typ befindet sich ein metallisches Gitter 5 zur Aufnahme von Ladungsträgern, die während des fotoelektrischen Prozesses erzeugt werden. Wie noch im folgenden näher beschrieben wird, bedeckt eine antireflektierende Beschichtung 12 jene Flächen der oberen Oberfläche der Zone 2, die nicht von dem metallischen Gitter 5 bedeckt sind. Das metallische Kollektorgitter 5 ist von einer feingeometrischen Art und weist metallische Finger 5a einer Breite von etwa 1 bis 20 .um auf. Es kann auch irgendein anderes bekanntes metallisches Kollektorgitter ver ,/endet werden. Die antireflektierende Beschichtung 12 besteht aus Niobpentoxid (Nb2Os).

Eine konventionelle Quarzabdeckscheibe 7 bedeckt die antireflektierende Beschichtung 12 und das Gitter 5 mit Ausnahme einer Sammelschiene 5b des Gitters 5. Auf der unteren Oberfläche der p-Zone 3 befindet sich ein konventioneller metallischer Ko* takt 8, der die gesamte Grundfläche der Zone 3 bedecken kann.

Die Niobpentoxidbeschichtung wird für ein Halbleiterplättchen einer geeigneten Größe verwendet, das einen flachen n-p Übergang unter der Oberfläche aufweist, die von Niobpentoxid beschichtet werden soll. Es wird auf db Fig. 2A bis 2G verwiesen, aus denen jeweils eine Seitenansicht des Plättchens während aufeinanderfolgender Arbeitsschritte bei der Beschichtung der Solarzelle mit N^Os hervorgeht

Die Herstellung dieses Plättchens ist nicht Gegenstand der Erfindung, sondern stellt nur ein typisches Verfahren dar, das nur zur Erläuterung der Zusammenhänge kurz beschrieben wird. Der Ausgangspunkt ist eine Scheibe aus Silicium, die auf eine bestimmte Größe geschnitten wird, welche sich zur Verwendung als Solarzelle eignet. Die Siliciumscheibe wird sodann einem Diffusionsprozeß unterworfen, bei dem Fremdatome (normalerweise Phosphor) in eine Oberfläche des Siliciums eindiffundiert werden, um einen n-p Übergang 4 zu erzeugen, der etwa 100 nm von der oberen Oberfläche der Zone 2 entfernt ist, wie <n Fig. 2A dargestellt ist Ein bevorzugtes Verfahren zur Diffusion eines flachen Überganges in die Sonnenzelle wird in der US-Patentanmeldung S. N. 3 31 740, angemeldet am 13. Februar 1973, beschrieben.

In F i g. 2A ist eine Siliciumscheibe mit einer n-Zone 2 dargestellt, die von einer p-Zone 3 durch einen flachen p-n Übergang 4 getrennt ist Mit 9 ist eine Schicht bezeichnet die aus elementarem Niob besteht
In der ersten Herstellstufe weist die Siliciumscheibe 1

ίο mit dem erforderlichen n-p Übergang 4 eine Schicht 9 aus elementarem Niob auf, das auf die gesamte obere Oberfläche 2 der Sonnenzelle aufgedampft ist. Die Verdampfung des Niob kann mit Hilfe eines Elektronenstrahlverdampfungsprozesses erfolgen. Die Niobschicht 9 ist etwa 25 nm dick (±2,5 nm), kann jedoch auch 10 nm oder größer sein, und zwar in Abhängigkeit von der gewünschten Dicke des sich ergebenden Oxides. Die Oxiddicke sollte gleich ¹A. der Wellenlänge des Lichtes in der Mitte des Spektrums des brauchbaren Lichtes für die bestimmte Solarzelle sein. Eine 20 nm dicke Schicht aus Niob kann auf eine 55 nm dicke Schicht aus Niobpentoxid oxydiert werden. Obwohl die Technik der Elektronenstrahlverdampfung gut bekannt ist, sollten gewisse Punkte berücksichtigt werden. Um eine geeignete Ablagerung sicher zu stellen, muß eine Niobquelle großer Reinheit verwendet werden, die klein genug ist, um eine unzulässige thermische Strahlung von dem heißen Niobmetall zu verhindern, und die von einem Elektronenstrahl in einem hohen Vakuum bombardiert wird.

Ferner sollte die p-n Siliciumscheibe von irgendeiner Elektronenbeschädigung geschützt werden, die sich von dem Elektronenstrahl ergeben kann, der auf das Niob gerichtet ist Als Schutz kann ein positiv geladener Metallelektrodenschirm verwendet werden, der Eiektronenstrahlen anzieht Das Niobmetall selbst sollte frei von irgendwelchen Verunreinigungen sein, die, falls sie auf die Zone 2 gelangen, während dieses oder der nachfolgenden Stufen der Beschichtung in die Schicht 2 diffundieren und dadurch den p-n Übergang 4 der SiIiciumsolarzelle beschädigen.

In der zweiten Herstellstufe wird eine Schicht aus einem Fotoabdeckmaterial 10 auf die gesamte obere Fläche der Niobschicht 9 gelegt Die Fotoabdeckung 10 kann aus irgendeiner im Handel erhältlichen Fotoabdeckung bestehen, die beim fotolithographischen Verfahren zur Herstellung von Microschaltungen verwendet werden. Die Fotoabdeckung ist eine »positive« Abdeckung, die nach der Belichtung und Entwicklung wasserlöslich wird; jedoch läßt sich auch eine »negative« Abdeckung verwenden, die nach der Belichtung und der Entwicklung unlöslich wird. Um das gewünschte Muster der entwickelten Fotoabdeckung vorzubereiten, wird eine Fotomaske mit einem Muster, das Licht durchläßt, und das mit dem Muster identisch ist, das für das obere Metallgiiter 5, gemäß F i g. 1, gewünscht wird (für eine positive Fotoabdeckung; eine negative Fotoabdeckung würde ein negatives Muster erfordern), über die Fotoabdeckung 10 gebracht (vgl. F i g. 3). Als Nächstes wird die obere Oberfläche der Schicht 9, die von der Fotoabdeckung bedeckt ir"., durch die Fotomaske ultra-violettem Licht ausgesetzt. Sodann wird die Fotomaske entfernt und die Schicht der Fotoabdeekung mit dem Entwickler entwickelt, der von dem Hersteller der Fotoabdeckung empfohlen wird. Die Solarzelle wird in Wasser oder in einem anderen vom Hersteller empfohlenen Lösungsmittel abgewannen, wodurch die lösliche entwikkelte Fotoabdeckung entfernt wird, die dem Licht ausgesetzt war, wodurch ein Muster des entwickelten Foto-

abdeckmaterials 10a auf der oberen Oberfläche der Schicht 9 zurückbleibt, wie aus F i g. 2C ersichtlich ist. An dieser Stelle ist das Muster des Fotoabdeckmaterials 10a das Fotonegativ des metallischen Gittermusters 5, das auf die obere Fläche der Zone 2 gebracht werden soll.

In der dritten aus F i g. 2D ersichtlichen Herstellstufe wird eine Metallkontaktschicht 11, die beispielsweise aus einem Gemisch von Chrom und Gold einer Dicke von etwa 200 nm besteht, mit Hilfe einer Vakuumverdampfung über die gesamte obere Fläche der Solarzelle einschließlich der Fotoabdeckung 10a und der Niobschicht 9 aufgetragen. Während dieses Auftragungsverfahrens wird anfangs reines Chrom verdampft, wobei Gold allmählich in die Metallablagerung gemischt wird. Am Ende des Verdampfungsprozesses wird Chrom aus der Phase genommen und nur reines Gold vervollständigt den Kontakt. Die Bedingungen dieses Verfahrens sind an sich bekannt und eine Beschreibung dieser Technik wird nicht als notwendig erachtet.

Die vierte Herstellstufe besteht darin, das entwickelte Fotoabdeckmaterial 10a von der Oberfläche des elementaren Niob 9 zu entfernen. Die Entfernung der entwickelten Fotoabdeckung 10a wird mit Hilfe der bekannten »Abhebtechnik« durchgeführt, bei der die entwickelte Fotoabdeckung, die abgehoben werden soll, in Azeton oder in eine andere, vom Hersteller zur Entfernung der entwickelten Fotoabdeckung empfohlene Chemikalie getaucht. Das Azeton befindet sich in einem Ultraschallbad, um die Entfernung der entwickelten Fotoabdeckung 10a zu erleichtern. Das Ergebnis des Abhebverfahrens besteht darin, daß nicht nur die Fotoabdeckung 10a, sondern auch die metallische Schicht 11 über der Fotoabdeckung entfernt wird. Dieser Abhebprozeß läßt die entwickelten Flächen des elementaren Niob und ein Muster aus Chrom und Gold auf der oberen Oberfläche der Zelle zurück. Die maximale Dicke des Chromes und des Goides soiite etwa 2öö nm beiragen, damit die darunterliegende entwickelte Fotoabdekkung leicht abgehoben werden kann. Der sich ergebende Zellenaufbau geht aus F i g. 2E hervor.

In der fünften Stufe kann eine übliche Eiektroplattierungstechnik verwendet werden, um eine Schicht aus Silber 13 auf die Chrom- und Goldschicht 11 aufzutragen, um die Dicke des metallischen Gitters auf etwa 5 μπι aufzubauen. Gleichzeitig wird der rückwärtige Silberkontakt 8 mit einer Dicke von 5 μπι auf die rückwärtige Zone 3 plattiert. Es wurde festgestellt, daß das Silber sich nicht in der Weise auf das elementare Niob während des Verfahrens aufplattieren läßt, daß es ein silberbeschichtetes Fingermuster über einer Niobschicht auf einer Seite der Zelle und einen hinteren Silberkontakt auf der anderen Seite zurückläßt.

In der letzten Herstellstufe wird die Siliciumsolarzelle mit dem versilberten Metallkontaktmuster und der Oberfläche aus elementarem Niob Sauerstoff entweder in einem thermischen oder anodischen Oxydationsprozeß ausgesetzt Bei der thermischen Oxydation wird die Siliciumscheibe in Luft mit einer Temperatur von 400° C 3 Minuten lang erwärmt Die Parameter können im Bereich von 350° bis 450⁰C und 3—5 Minuten liegen und sollten so ausgewählt werden, daß ein gleichförmiges, nichtkristailines Oxid ohne Korngrenzen erzielt wird. Ferner ist zu beachten, daß höhere Temperaturen eine unerwünschte Legierung des Chromes und des Goldes mit dem Halbleiter wegen der eutektischen Temperatur dieser Materialien einleiten, während niedrigere Temperaturen eine ausreichende Zeit für die Diffusion des Chromes oder Goldatomes in die Halbleiterübergangsfläche erlaubt. Unter den geeigneten Bedingungen wird Niobpentoxid mit einem sich ergebenden Brechungsindex von 2,4 gebildet. Es sei bemerkt, daß die übrigen Elemente der Zelle nicht beeinflußt werden, da bei dieser Temperatur und diesen Zeiten das Silber nicht oxydiert und dadurch in seinem elementaren Zustand verbleibt. Bei einer anderen Oxydationstechnik, die als anodische Oxydation bekannt ist, wird eine Platinelektrode als Kathode und die Siliciumscheibe als Anode verwendet. Beide Elektroden werden in einen Elektrolyten getaucht und ein Strom durch sie hindurch geleitet. Der anodische Oxydationsprozeß kann in einem Beispiel etwa 20 Minuten dauern und mit einem Anfangsstrom von 1 mA beginnen. Bevorzugt ist die Verwendung eines organischen nicht wäßerigen Elektrolyten, wie etwa Tetrahydrofurfuryl-Alkohol, da hierdurch eine gleichförmige Niobpentoxidbeschichtung erreicht wird, die an der oberen Oberfläche der Zone 2 fest anhaftet. Das Ergebnis sowohl der thermischen oder anodischen Oxydation ist eine Schicht 12 aus Niobpentoxid auf der oberen Oberfläche der Zone 2, die in F i g. 2G dargestellt ist. Die Schicht aus Niobpentoxid ist etwa 55 nm dick um sich einer ¹A Wellenlänge bei 0,5 μπι anzupassen.

Die Niobschicht zwischen der Siliciumoberfläche 2 und der metallischen Schicht 11 bewirkt einen ausgezeichneten Kontakt für die Aufnahme der Ladungsträger durch das metallische Gitter 5.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß an den verschiedenen Stellen des beschriebenen Verfahrens Reinigungsschritte erforderlich sind, um die Reinheit des sich ergebenden Produktes zu verbessern. Da jedoch diese Schritte bekannt sind, und das grundlegende Konzept der vorliegenden Erfindung nicht berühren, wurden diese in die vorliegende Beschreibung nicht aufgenommen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Mit Abdeckscheibe versehene Silicium-Solarzelle, die auf eine Lichtstrahlung anspricht, welche den kurzen Wellenlängenbereich des Lichtspektrums zwischen 03 und 0,5 μπι umfaßt, und die eine antireflektierende Beschichtung auf der dem einfallenden Licht zugewandten Oberfläche der Solarzelle aufweist, wobei die antireflektierende Beschichtung den photovoltaisch wirksamen Lichtanteil im wesentlichen weder absorbiert noch reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß die antireflektierende Beschichtung (12) aus Niobpentoxid (Nb₂O₅) besteht

2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die antireflektierende Beschichtung (12) aus amorphem Niobpentoxid besteht