EP0834199A1 - Solarzelle mit einem, eine oberflächentextur aufweisenden emitter sowie verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Solarzelle mit einem, eine oberflächentextur aufweisenden emitter sowie verfahren zur herstellung derselben

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EP0834199A1
EP0834199A1 EP96918588A EP96918588A EP0834199A1 EP 0834199 A1 EP0834199 A1 EP 0834199A1 EP 96918588 A EP96918588 A EP 96918588A EP 96918588 A EP96918588 A EP 96918588A EP 0834199 A1 EP0834199 A1 EP 0834199A1
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EP
European Patent Office
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solar cell
ribs
doping
doped
layer
Prior art date
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Withdrawn
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EP96918588A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfram Wettling
Stefan Glunz
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the invention relates to a solar cell with an emitter layer which is applied to a base material and has a surface texture which is characterized by intersecting ribs which taper to the top, and to a method for producing such a rib .
  • Solar cells are components that convert sunlight or other light into electrical energy.
  • a solar cell consists of a semiconductor material that has a pn junction. Incident light creates positive and negative charge carriers in the semiconductor, which are separated by the pn junction. The electrical power generated in this way is removed via metallic contacts on the n and p sides.
  • the subject matter of this invention is limited to solar cells with a high efficiency of> 20%.
  • These electrical components also referred to as “high-efficiency” solar cells, are preferably made of silicon.
  • “High-efficiency” solar cells are characterized in particular by the fact that minimal losses occur in the conversion of light into electricity. This is made possible by applying various measures, which are described in detail by MA Green, "High-efficiency Silicon solar cells", TransTech Publications, Aedermannsdorf, Switzerland (1987), for example.
  • the structure of the "high-performance solar cell” known per se can be seen in FIG.
  • the PERL cell has a textured surface S which is coated with a silicon oxide layer Si0 2 for reasons of electrical passivation and the anti-reflective effect.
  • the emitter layer E Under the silicon oxide layer is the emitter layer E, which has areas of high n + + doping and normally doped n + doping areas.
  • the emitter layer is three-dimensionally formed by selective etching processes in such a way that its surface contour corresponds to the impression of many four-sided pyramids arranged next to one another. Only at points where the emitter layer comes into contact with a metal contact strip M is the emitter layer deeper and also provided with higher doping.
  • the typical shape of the characteristic surface texture of the emitter layer means that the light that has penetrated into the solar cell through the emitter layer penetrates into the cell with lower losses and, on the other hand, cannot so easily exit from the inside of the solar cell again. In addition to the anti-reflective effect of the top silicon oxide layer, this also contributes to the electrical passivation of the surface.
  • textured surface of the PERL cell is the two-stage n-doping of the emitter, which is highly doped under the contacts of the metal bridge and thus has low resistance and is also deeper than in the areas under the "inverted pyramids" on which the Emitter layer less doped and flatter.
  • base contact electrodes BE are provided on the back of the solar cell opposite the emitter layer.
  • Two photomask steps are necessary for the production of the PERL solar cell: an etching step, for producing the rib-like surface texture, and a local diffusion step, for introducing the depths n + + diffusion areas at locations over which the metal contact bridges are attached.
  • a third process step the surface contour of the solar cell is then covered with an all-over n + diffusion layer.
  • the invention is based on the object, starting from the known structure of a so-called PERL solar cell, to improve its properties so that, on the one hand, its production is simplified and, on the other hand, its efficiency is further improved.
  • the proportion of the area of the solar cell that is covered by contact elements and therefore cannot contribute to the light conversion should be significantly minimized.
  • the method according to the invention for producing a solar cell with an n-doped emitter layer, which has a lattice-like surface texture and is formed on a base material is to be carried out in such a way that, in a first method step, a highly doped n + + doping layer over the entire surface of a base material to be processed will be produced.
  • This n + + doping layer is preferably introduced into the upper region of the base material by diffusion of dopants.
  • a subsequent, selective etching process textures the n + + doping layer using an etching mask on its surface in such a way that a multiplicity of mutually intersecting, tapering ribs are formed, the upper sections of which the n + + -doped doping layer and the lower part of which consists of the base material (see FIG. 2).
  • the upper edges of the ribs are made of highly doped material, so that when viewed together, all crossing rib edges form a low-resistance grid on the top of the emitter layer, which covers the entire cell surface.
  • a particular advantage of this lattice-emitter structure according to the invention is that by placing a fine contact wire grid on the GE structure, for example, electrical contacting with the emitter of the solar cell is possible, the shading effects caused by the filigree design of the contact grid are reduced to a minimum.
  • the method according to the invention avoids the second, costly photomask step required in the conventional method, as a result of which the production costs can be considerably reduced.
  • the entire surface texture of the solar cell according to the invention can be doped with n + dopants.
  • a two-stage doped emitter is obtained which has areas of highest doping only below the edges of the ribs, while the depths of the ribs extend into the Doping decreases. This type of two-stage doping has a favorable influence on recombination in the emitter.
  • the geometrical design of the ribs can be influenced by the choice of the different geometries of the masks to be used during the etching process. Further details can be found in the following description of the figures.
  • the surface of a base material is doped with p + dopants. This is preferably done as part of diffusion doping.
  • the surface predoped in this way is then subsequently doped with n + + dopants.
  • the doping profile is to be selected such that the n-dopants penetrate less deeply into the base material than the p-dopants.
  • an etching mask is used to produce a desired surface texture in order to obtain a multiplicity of mutually crossing ribs that taper to the top.
  • the etching mask geometry is to be selected such that rib trains form higher in the outer surface area than inner rib trains surrounded by the outer ones, so that the upper sections of the higher rib trains are made of the n + -doped doping layer and the upper sections of the inner ribs consist of the p + -doped doping layer.
  • FIG. 1 shows a schematic, perspective illustration of a PERL solar cell
  • FIG. 2 shows schematic diagrams for comparing the production of the emitter of a PERL solar cell and a grid-emitter solar cell according to the invention
  • FIG. 2 shows a comparison of the emitter production using the PERL process known per se (left illustration) and according to the method according to the invention (right illustration).
  • the first step (uppermost Illustration on the left) first textured the surface of the base material using a suitable mask. Subsequently, likewise using a corresponding second mask, local diffusion is used to produce a highly doped n + + doping region En + + which extends deep into the base material and which later serves as a contact region to an external electrode contact. Finally, in a subsequent process step, the textured surface is n + -doped (En + ).
  • the base material is n ++ doped over the entire surface in a first step to produce the GE structure.
  • This is followed by an etching step using a suitable mask, in which the structuring shown in the middle illustration on the right side of FIG. 2 is generated. It is essential here that the etching depth between the individual ribs extends into the base material, so that highly doped n + + doping regions remain in each case under the pointed edges of each individual ribs. Whilst avoiding a second mask step according to the invention, doping over the entire surface can additionally be carried out, this time with n + dopants. In this way, a new type of emitter structure is obtained, in which the emitter area lies under the edges of the respective ribs.
  • the special feature of the GE structure is that the texturing is not only for the optical adaptation of the cell, but also for the structuring of the emitter and the Contacts can be used. This saves a time-consuming and costly photomask step compared to conventional structuring.
  • the GE structures according to the invention can be seen in a perspective representation without (see FIG. 3 a) and with (see FIG. 3 b) additional homogeneous n + doping.
  • an electrical contact G is applied to the top of the edges, so that an electrical contact that is as low as possible can be produced in this way.
  • the electrode G is preferably part of an electrode grid, as can be described in FIGS. 7 and 8, which only slightly shades the effective solar cell surface.
  • FIG. 4 shows doping profile options, the common feature of which is the production of a high dopant concentration in the region of the edges of the respective ribs, while the doping decreases in the depth of the edges.
  • This doping profile has a favorable influence on the recombination possibilities within the emitter.
  • the conductivity in the edge can be further improved by a double diffusion profile according to Figure 4 b.
  • the size and shape of the crossing ribs can be determined by the choice of suitable etching masks.
  • the mutual spacing of the individual inverse pyramids is determined by the width of the intermediate webs of the lattice-like mask, which is the same in every direction in the present case.
  • the mask example according to FIG. 5b likewise has square mesh fields, but the intermediate webs, which each intersect perpendicularly, are of different strengths. Because of the narrow design of the intermediate webs, which run horizontally, the shielding effects during the etching process are less, so that more material can be removed in the direction of the narrowly designed intermediate webs than in the orthogonal direction along the wider intermediate webs.
  • cross-sectional profiles are shown on the side of the mask grid, which represent the etching profile in the corresponding direction of the solar cell to be processed.
  • the mesh fields of the etching masks can also have a rectangular outline according to sub-figure 5c, if the emitter area and the emitter resistance should be larger in one direction than in the other. This creates larger trenches between individual ribs, which can be seen from the horizontal profile profile in sub-figure 5c. In this way, different conductivities can be formed in the vertical and horizontal direction within the emitter structure, which are determined by the ratio of the side lengths.
  • the GE diffusion profile In addition to influencing the width of the intermediate web of an etching mask on the height of the ribs that form, the GE diffusion profile must also be influenced. For example, using the mask according to FIG. 5b, a profile with a higher doping is created in the horizontal row than in the vertical row. The reason for this is the greater etching removal in the vertical row.
  • etching grating variants which are not intended to represent a conclusive list of possible mask geometries
  • a particular advantage of the GE structure according to the invention is the high doping at the upper regions of the ribbed lines which are formed, as a result of which an increased transverse conductivity is created, which not least leads to a reduction in the electrode contact surfaces which come into contact with the lattice structure leads.
  • grid fingers which represent individual electrical contact surfaces, can be used for contacting, as a result of which the shading losses are reduced and the technology can be considerably simplified.
  • the GE structure according to the invention is also suitable for the use of so-called screen-printed contact points.
  • the doping profiles in the ribs that form can be set in a targeted manner by deeper etching.
  • a highly doped “superlattice”, as has been described for production using FIG. 5d, can be produced in a lightly doped GE structure.
  • the base material is doped by double emitter diffusion, so that two doping profiles result, a highly doped region HD and a low-doped region LD.
  • the emitter structure according to FIG. 6b results after the etching process. It is important to note here that the upper part of the high ribs has areas of high doping, whereas the lower ribs have only areas of low doping at the upper edges.
  • an oxide layer 0 is preferably applied over the entire surface of the surface texture obtained (according to FIG. 6c) and is only removed locally at locations of the higher ribs until the edge area of the highly doped areas is exposed (see FIG. 6b).
  • galvanic contact elements are now applied at these points according to FIG. 6e, whereby a GE solar cell structure is created which can be optimized by very fine contacts for maximum efficiency.
  • An alternative embodiment of applying electrical contact points to the surface of the GE structure is, as already mentioned, the use of the finest wire grids according to FIG. 7.
  • the wire grid is preferably pressed onto the edges by pressing the wire under the influence of heat, ultrasound or a flux the ribs applied.
  • the advantage here is that the wire mesh, the dimensions of which are of the order of 20 ⁇ m wire diameter and 2000 ⁇ m mesh size, does not have to be adjusted to the GE structure, but, according to FIG. 8, can assume an arbitrary position relative to the rib pull orientation. This type of electrical contacting is therefore particularly suitable for automated production.
  • GE structures can also be applied analogously to the basic contact.
  • the base side of the solar cell opposite the emitter side is to be processed in the same way, only with a correspondingly reversed dopant concentration. ions.
  • the n-dopants have to be replaced by p-dopants.
  • GBSF back surface field grating
  • the entire rear side can then either be vapor-coated with aluminum over an oxide or have only a few electrical contact points such as the emitter side. In the latter case, a so-called bifacial solar cell is obtained, ie a solar cell that can be illuminated from both sides.
  • a solar cell can be processed with both a GE and a G-BSF structure.
  • FIG. 9 shows a further novel variant of a surface-textured solar cell which has both the emitter and the base contacts on a single surface.
  • This structure is obtained by doping the base material with p + dopants in a first step and then diffusing in an n + + doping layer.
  • a suitable etching mask to produce "superlattice emitter" see also FIG. 5d
  • a structure as shown in cross section in FIG. 9 can be processed so that the deeper-etched edges of the ribbed lines form the p + doping layer and the more highly etched ones which have n + + doping layer.

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Abstract

Beschreiben wird ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle sowie eine Solarzelle selbst mit einer, eine gitterförmige Oberflächentextur aufweisenden n-dotierten Emitterschicht, die auf einem Basismaterial gebildet wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Basismaterial zunächst ganzflächig mit einer n<++>-Dotierschicht im Wege einer Diffusionsdotierung überzogen wird. Danach erfolgt ein selektiver Ätzvorgang an der Emitterschicht unter Verwendung einer die Oberflächentextur erzeugenden Maske, so dass eine Vielzahl sich gegenseitig kreuzender, nach oben spitz zulaufender Rippenzüge erzeugt werden, deren oberer Abschnitt aus der n<++>-dotierten Dotierschicht und deren unterer Teil aus dem Basismaterial besteht.

Description

Solarzelle mit einem, eine Oberflächentextur aufweisenden Emitter sowie Verfahren zur Herstellung derselben
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit einer Emitterschicht, die auf einem Basismaterial aufgebracht ist und über eine Oberflächentextur ver¬ fügt, die sich durch sich kreuzende, nach oben spitz zu¬ laufende Rippenzüge auszeichnet, sowie auf ein Ver¬ fahren zur Herstellung einer solchen.
Stand der Technik
Solarzellen sind Bauelemente, die Sonnenlicht oder anderes Licht in elektrische Energie umwandeln. Im allgemeinen besteht eine Solarzelle aus einem Halbleitermaterial, das einen pn-Übergang aufweist. Einfallendes Licht erzeugt im Halbleiter positive und negative Ladungsträger, die durch den pn-Übergang getrennt werden. Über metallische Kontakte auf der n- und der p-Seite wird die so erzeugte elektrische Lei¬ stung abgenommen.
Aus der Vielzahl bekannter Ausführungsformen von Solarzellen beschränkt sich der Gegenstand dieser Erfindung auf Solarzellen mit einem hohem Wirkungsgrad von > 20%. Diese, auch als "high-efficiency"-Solarzellen bezeichneten elektrischen Bauelemente werden vorzugs¬ weise aus Silizium gefertigt. "High-efficiency"- Solarzellen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität minimale Verluste auftreten. Dies wird durch Anwendung verschiedener Maßnahmen ermöglicht, die beispielsweise von M.A. Green, "High-efficiency Silicon solar cells", TransTech Ppublications, Aedermannsdorf, Schweiz (1987), ausführlich beschrieben sind.
Die Solarzelle mit dem bisher höchsten erzielbaren Wirkungsgrad ist die sogenannte PERL-Solarzelle (PERL = "passivated emitter and rear, locally diffused"), die bspw. in Appl. Phys. Lett. 57 (6), 6.8.1990, S. 602-604 beschrieben ist. Der Aufbau, der an sich bekannten "Hochleistungs-Solarzelle" ist aus Figur 1 zu ent¬ nehmen. Die PERL-Zelle weist eine texturierte Oberfläche S auf, die mit einer Siliziumoxid-Schicht Si02 aus Gründen der elektrischen Passivierung und der Antireflexwirkung vergütet ist. Unter der Siliziumoxid- Schicht befindet sich die Emitterschicht E, die Berei¬ che hoher n+ + -Dotierung und normaldotierte n+ - Dotierbereiche aufweist. Die Emitterschicht ist durch selektive Ätzverfahren derart dreidimensional ausgebildet, daß ihre Oberflächenkontur dem Abdruck vieler nebeneinander angeordneter, vierseitiger Pyramiden entspricht. Nur an Stellen, an denen die Emitterschicht mit einem Metallkontaktstreifen M in Berührung tritt, ist die Emitterschicht tiefer und auch mit höherer Dotierung versehen ausgebildet.
Die typische Gestalt der charakteristischen Ober¬ flächentextur der Emitterschicht bewirkt zum einen, daß das durch die Emitterschicht in die Solarzelle einge¬ drungene Licht mit geringeren Verlusten in die Zelle eindringen und zum anderen nicht so leicht aus dem Inneren der Solarzelle wieder nach außen treten kann. Neben der Antireflexwirkung der obersten Siliziumoxid- Schicht trägt diese darüberhinaus auch zur elektrischen Passivierung der Oberfläche bei.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt der texturierten Oberfläche der PERL-Zelle ist die zweistufige n-Dotierung des Emitters, der unter den Kontakten der Metallbrücke hochdotiert und damit niederohmig ist und zudem tiefer ausgebildet ist, als in den Bereichen unter den "invertierten Pyramiden", an denen die Emitterschicht schwächer dotiert und flacher verläuft. Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß auf der, der Emitterschicht gegenüberliegenden Rückseite der Solarzelle Basiskontaktelektroden BE vorgesehen sind.
Zur Herstellung der PERL-Solarzelle sind zwei Photomas¬ kenschritte notwendig: ein Ätzschritt, zur Erzeugung der rippenartigen Oberflächentextur sowie ein lokaler Diffusionsschritt, zur Einbringung der Tiefen n+ + - Diffusionsbereiche an Stellen, über denen die Metall¬ kontaktbrücken angebracht werden. In einem dritten Verfahrensschritt wird sodann die Oberflächenkontur der Solarzelle mit einer ganzflächigen n+ -Diffusionsschicht überzogen.
Trotz des bislang unerreichbar hohen Wirkungsgrades der PERL-Solarzelle ist ihre Herstellung, bedingt durch die zwei vorgenannten Maskenschritte aufwendig und kostspielig. Ferner wird die effektive Solarzellen¬ oberfläche, die zur Absorption der Lichtenergie dient, durch die langgestreckten Metallkontaktbrücken einge¬ schränkt, wodurch der Wirkungsgrad der Solarzelle trotz aller Bemühungen beschränkt wird. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem bekannten Aufbau einer sogenannten PERL-Solarzelle ihre Eigenschaften dahingehend zu verbessern, so daß zum einen ihre Herstellung vereinfacht und zum anderen ihr Wirkungsgrad weiter verbessert wird. Überdies soll der Flächenanteil der Solarzelle, der durch Kontaktelemente verdeckt ist und somit nicht zur Licht¬ umwandlung beitragen kann, deutlich minimiert werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 15, die erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beschreiben, angegeben. Anspruch 16 gibt eine erfindungsgemäße Solarzelle mit einer neuartigen Struktur an. Vorteilhafte weitere Merkmale zu den unabhängigen Ansprüchen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einer, eine gitterförmige Oberflächen¬ textur aufweisenden n-dotierten Emitterschicht, die auf einem Basismaterial gebildet wird, ist derart durchzuführen, daß in einem ersten Verfahrensschritt in einem zu bearbeitenden Basismaterial ganzflächig eine hochdotierte n+ + -Dotierschicht hergestellt wird. Vor¬ zugsweise wird diese n+ + -Dotierschicht durch Diffusion von Dotierstoffen in den oberen Bereich des Basismaterials eingebracht. Ein daran anschließendes, selektives Ätzverfahren texturiert die n+ + -Dotierschicht unter Verwendung einer Ätzmaske an ihrer Oberfläche derart, so daß eine Vielzahl sich gegen¬ seitig kreuzender, nach oben spitz zulaufender Rippenzüge gebildet werden, deren obere Abschnitte aus der n+ + -dotierten Dotierschicht und deren jeweils un¬ terer Teil aus dem Basismaterial besteht (s. Figur 2).
Auf diese Weise wird erreicht, daß die oberen Kanten der Rippenzüge aus hochdotiertem Material beste¬ hen, so daß in der Zusammenschau von allen sich kreu¬ zenden Rippenkanten auf der Oberseite der Emitter¬ schicht ein niederohmiges Gitter gebildet wird, das die gesamte Zelloberfläche überzieht.
Ein besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Gitter- Emitter-Struktur, im folgenden auch mit GE-Struktur abgekürzt, besteht darin, daß durch Auflegen beispiels¬ weise eines feinen Kontakt-Drahtgitters auf die GE- Struktur eine elektrische Kontaktierung mit dem Emitter der Solarzelle möglich ist, wobei die durch die filigrane Ausgestaltung des Kontaktgitters hervorge¬ rufenen Abschattungseffekte auf ein Minimum reduziert sind. Überdies kann durch das erfindungsgemäße Ver¬ fahren der im herkömmlichen Verfahren erforderliche zweite, kostenaufwendige Photomaskenschritt vermieden werden, wodurch die Herstellkosten erheblich reduziert werden können.
Damit die Flächenanteile, die zwischen den hoch¬ dotierten oberen Rippenkanten liegen und wegen des Ätzvorganges bis zum Basismaterial zur Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie beitragen können, kann die gesamte Oberflächentextur der erfindungsgemäßen Solarzelle mit n+ -Dotierstoffen dotiert werden. Auf diese Weise wird ein zweistufig dotierter Emitter erhalten, der Bereiche höchster Dotierung nur unterhalb der Kanten der Rippenzüge auf¬ weist, während in die Tiefe der Rippen hinein die Dotierung abnimmt. Diese Art der zweistufigen Dotierung bewirkt einen günstigen Einfluß auf die Rekombination im Emitter.
Durch die Wahl der unterschiedlichen Geometrien der während des Ätzvorganges zu verwendenden Masken kann die geometrische Ausbildung der Rippenzüge beeinflußt werden. Weitere Einzelheiten hierzu sind aus den folgenden Figurenbeschreibungen zu entnehmen.
Ferner ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren eine Solarzelle herzustellen, deren eine Oberfläche sowohl Emitter- als auch Basisanschlüsse aufweist. Erfindungsgemäß sind zur Herstellung einer derartigen Solarzelle nachfolgende Verfahrensschritte durchzuführen:
Zunächst wird die Oberfläche eines Basismaterials ganzflächig mit p+ -Dotierstoffen dotiert. Vorzugsweise geschieht dies im Rahmen einer Diffusionsdotierung. Anschließend wird die auf diese Weise vordotierte Ober¬ fläche mit n+ + -Dotierstoffen nachdotiert. Das Dotie¬ rungsprofil ist dabei derart zu wählen, so daß die n- Dotierstoffe weniger tief in das Basismaterial eindrin¬ gen als die p-Dotierstoffe. In einem nachgeschalteten selektiven Ätzvorgang wird zur Herstellung einer ge¬ wünschten Oberflächentextur eine Ätzmaske verwendet, um eine Vielzahl sich gegenseitig kreuzender, nach oben spitz zulaufender Rippenzüge zu erhalten. Ferner ist die Ätzmaskengeometrie derart zu wählen, daß sich Rippenzüge im äußeren Oberflächenbereich höher ausbil¬ den, als innere Rippenzüge, die von den äußeren umgeben werden, so daß die oberen Abschnitte der höher ausge¬ bildeten Rippenzüge aus der n+ + -dotierten Dotierschicht und die oberen Abschnitte der inneren Rippenzüge aus der p+ -dotierten Dotierschicht bestehen.
Mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, zum einen Bereiche unterschiedlicher Dotiercharakteristik auf ein und der gleichen Oberfläche zu erhalten, die sich zudem in ihrer re¬ lativen Höhenlage voneinander unterscheiden. So ragt die Emitterebene, die sich aus den obersten Kanten der höheren Rippenzüge zusammensetzt, über die Basisebene, die sich aus den oberen Kanten der kleiner ausge¬ bildeten Rippenzüge zusammensetzt, empor. Wie die nachfolgende Beschreibung zu den entsprechenden Figuren zeigen wird, kann die unterschiedliche Ausbildung der Höhe einzelner Rippenzüge durch geeignete Wahl der während des Ätzvorganges verwendeten Masken vorgenommen werden.
Schließlich ist im Anspruch 16 die Struktur einer erfindungsgemäßen Solarzelle angegeben. Die gegenüber der bekannten PERL-Solarzelle erfindungsgemäße Weiter¬ bildung weist Rippenzüge auf, deren jeweils oberer, spitz zulaufender Bereich n++ -dotiert ist und im jeweils unteren Bereich aus dem Basismaterial besteht. Vorteilhafte Ausführungsformen zu der erfindungsgemäßen Solarzelle sind zum einen aus den Ansprüchen 17 ff, als auch aus den entsprechenden Figurenbeschreibungen zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen: Figur 1 schematisierte, perspektivische Darstellung einer PERL-Solarzelle,
Figur 2 schematisierte Schaubilder zum Vergleich der Herstellung des Emitters einer PERL- Solarzelle und einer erfindungsgemäßen Gitter-Emitter-Solarzelle,
Figur 3a, b perspektivische Darstellung der erfindungs¬ gemäßen Gitter-Emitterstruktur ohne (a) und mit (b) zusätzlicher homogener n+ - Dotierung,
Figur 4a, b Diffusionsprofile unterhalb der Kanten der Rippenzüge, bei einfacher Emitterdiffusion (a) und bei doppelter Emitterdiffusion (b),
Figur 5a, b, c, d unterschiedliche Ätzmasken zur Herstellung der erfindungsgemäßen Oberflächentextur,
Figur 6a-e Verfahrensschritte zur Herstellung einer Gitter- Emitter-Solarzelle mit galvanischen Kontakten,
Figur 7u.8 Drahtnetz-Gitter-Emitter-Solarzelle und
Figur 9 Gitter-Emitter-Struktur mit Basis- und
Emitterkontakten auf einer Oberflächenseite der Solarzelle.
Beschreibung von Ausführungsbeispilen
Bezüglich der Beschreibung zu Figur 1 wird auf die bereits vorstehend beschreibende Textstelle verwiesen.
In Figur 2 ist die Emitterherstellung nach dem an sich bekannten PERL-Prozeß (linke Darstellung) sowie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (rechte Darstellungen) im Vergleich zu entnehmen. Beim an sich bekannten PERL- Prozeß wird in einem ersten Schritt (oberste Darstellung links) zunächst die Oberfläche des Basismaterials mit Hilfe einer geeigneten Maske texturiert. Anschließend erfolgt, ebenfalls unter Verwendung einer entsprechenden zweiten Maske, durch lokale Diffusion, die Herstellung eines tief in das Basismaterial hineinreichenden, hochdotierten n+ + - Dotierbereiches En+ + , der später als Kontaktbereich zu einem äußeren Elektrodenkontakt dient. Abschließend wird in einem nachfolgenden Prozeßschritt ganzflächig die texturierte Oberfläche n+ -dotiert (En+ ) .
Im Unterschied zu der vorstehenden Verfahrensweise wird zur Herstellung der GE-Struktur erfindungsgemäß das Basismaterial in einem ersten Schritt ganzflächig an der Oberseite n++ -dotiert. Danach erfolgt unter Ver¬ wendung einer geeigneten Maske ein Ätzschritt, bei dem die in der mittleren Darstellung auf der rechten Seite der Figur 2 dargestellte Strukturierung erzeugt wird. Wesentlich dabei ist, daß die Ätztiefe zwischen den einzelnen Rippenzügen in das Basismaterial hineinreicht, so daß jeweils unter den spitzen Kanten jedes einzelnen Rippenzuges hochdotierte n+ + - Dotierbereiche verbleiben. Unter erfindungsgemäßer Vermeidung eines zweiten Maskenschrittes kann zusätzlich eine ganzflächige Dotierung erfolgen, diesmal mit n+ -Dotierstoffen. Auf diese Weise erhält man eine neuartige EmitterStruktur, bei der der Emitterbereich unter den Kanten der jeweiligen Rippenzüge liegt. So entsteht ein niederohmiges Gitter, das die gesamte Zelloberfläche, wie sie beispielsweise in Figur 3 dargestellt ist, überzieht. Das besondere der GE-Struktur besteht darin, daß die Texturierung nicht nur für die optische Anpassung der Zelle, sondern auch für die Strukturierung des Emitters und der Kontakte eingesetzt werden kann. Dadurch kann ein zeit- und kostenaufwendiger Photomaskenschritt gegenüber der herkömmlichen Strukturierung eingespart werden.
Aus den Darstellungen gemäß Figur 3 gehen in perspektivischer Darstellung die erfindungsgemäßen GE- Strukturen ohne (siehe hierzu 3 a) und mit (siehe hierzu 3 b) zusätzlicher homogener n+ -Dotierung hervor.
Zur Kontaktierung der Emitterschicht wird, wie aus den Figuren 3 hervorgeht, ein elektrischer Kontakt G auf die Oberseite der Kanten aufgebracht, so daß auf diese Weise ein möglichst niederohmiger elektrischer Kontakt hergestellt werden kann. Die Elektrode G ist vorzugs¬ weise Bestandteil eines Elektrodengitters, wie in den Figuren 7 und 8 noch zu beschreiben ist, das die effektive Solarzellenoberfläche nur geringfügig ab¬ schattet.
Aus der Figur 4 gehen Dotierprofilmöglichkeiten hervor, deren Gemeinsamkeit die Herstellung einer hohen Dotierstoffkonzentration im Bereich der Kanten der jeweiligen Rippenzüge ist, während in die Tiefe der Kanten hinein die Dotierung abnimmt. Dieses Dotierprofil übt einen günstigen Einfluß auf die Rekombinationsmöglichkeiten innerhalb des Emitters aus . So kann durch ein Doppeldiffusionsprofil gemäß Darstellung 4 b die Leitfähigkeit in der Kante noch weiter verbessert werden.
Wie bereits vorstehend in Bezug auf die individuelle Beschaffenheit der Oberflächentextur erwähnt, kann die Größe und Form der sich kreuzenden Rippenzüge durch die Wahl geeigneter Ätzmasken bestimmt werden. Die Ver- wendung einer gitterförmigen Maske mit jeweils quadratisch ausgebildeten Maschenfeldern gemäß Figur 5a läßt während des Ätzprozesses auf der Oberfläche der zu bearbeitenden Solarzelle ein Relief entstehen, das dem Abdruck vieler nebeneinander angeordneter, vierseitiger Pyramiden entspricht. Die gegenseitige Beabstandung der einzelnen inversen Pyramiden ist durch die Breite der Zwischenstege der gitterförmigen Maske, die im vor¬ liegenden Fall in jeder Richtung gleich ist, festgelegt.
Das Maskenbeispiel gemäß Figur 5b weist ebenfalls quadratische Maschenfelder auf, doch sind die Zwischen¬ stege, die sich jeweils senkrecht schneiden unter- schiedich stark ausgebildet. Durch die schmale Aus¬ bildung der Zwischenstege, die horizontal verlaufen, sind die Abschirmungseffekte während des Ätzvorgangs geringer, so daß in Richtung der schmal ausgebildeten Zwischenstege mehr Material abgetragen werden kann als in der orthogonalen Richtung entlang der breiteren Zwi¬ schenstege.
Anhand der in Figur 5 dargestellten Teilfiguren sind jeweils seitlich an den Maskengitter Querschnittsver¬ läufe dargestellt, die das Ätzprofil in der ent¬ sprechenden Richtung der zu bearbeitenden Solarzelle darstellen. So bilden sich unter Verwendung der Ätzmaske gemäß Figur 5b in der senkrechten Erstreckung niedrigere Rippenzüge aus als in der waagerechten Erstreckung. Damit entsteht in vertikaler Richtung eine höhere Leitfähigkeit in den Rippen als in horizontaler Richtung.
Die Maschenfelder der Ätzmasken können gemäß Teilfigur 5c auch einen rechteckigen Grundriß aufweisen, falls die Emitterfläche und der Emitterwiderstand in einer Richtung größer sein sollen als in der anderen. So entstehen zwischen einzelnen Rippenzügen größere Gräben, die aus dem waagerechten Profilverlauf in der Teilfigur 5c zu entnehmen sind. Auf diese Weise lassen sich innerhalb der EmitterStruktur in senkrechter und waagerechter Richtung verschiedene Leitfähigkeiten ausbilden, die durch das Verhältnis der Seitenlängen bestimmt sind.
Neben der Einflußnahme der Zwischenstegbreite einer Ätzmaske auf die Höhe der sich bildenden Rippenzüge ist auch das GE-Diffusionsprofil zu beeinflussen. So ent¬ steht beispielsweise unter Verwendung der Maske gemäß Figur 5b in der waagrechten Reihe ein höherdotiertes Profil als in der senkrechten Reihe. Grund hierfür ist der größere Ätz-Abtrag in der senkrechten Reihe.
Durch geeignete geometrische Anordnung breiter und schmaler Stegbreiten ist es auch gemäß Figur 5d möglich, sogenannte Übergitter-Strukturen zu schaffen, die aus den Querschnittsprofilen in beiden Richtung zu entnehmen sind. So sind im Randbereich der zu be¬ arbeitenden Solarzellenoberfläche breite Zwischenstege vorgesehen, die einen quadratischen Bereich ein¬ schließen, der nur durch schmale Zwischenstege durch¬ setzt ist. Auf diese Weise werden hohe Rippenzüge im Randbereich erhalten, die niedrigere Rippenzüge im inneren Bereich der Solarzelle einschließen.
Mit Hilfe der vorstehend genannten Ätzgittervarianten, die keine abschließende Aufzählung möglicher Maskengeometrien darstellen sollen, sind grundsätzlich Gitter-Emitter-Strukturen herstellbar, die weitgehend beliebige Gittergeometrien annehmen können. Ein beson¬ derer Vorteil der erfindungsgemäßen GE-Struktur ist die hohe Dotierung an den oberen Bereichen der sich ausbil¬ denden Rippenzügen, wodurch eine erhöhte Querleitfähig¬ keit geschaffen wird, was nicht zuletzt zu einer Re¬ duzierung der mit der Gitterstruktur in Kontakt tretenden Elektrodenkontaktflachen führt. So können zur Kontaktierung wenige, sogenannte Gridfinger, die ein¬ zelne elektrische Kontaktflächen darstellen, verwendet werden, wordurch die Abschattungsverluste reduziert und die Technologie erheblich vereinfacht werden kann.
Durch die Reduzierung an Elektrodenkontaktflächen eignet sich die erfindungsgemäße GE-Struktur auch für die Verwendung sogenannter siebgedruckter Kontaktstellen.
Wie bereits erwähnt, können die Dotierprofile in den sich ausbildenden Rippenzügen gezielt durch tieferes Ätzen eingestellt werden. So kann ein hochdotiertes "Übergitter", wie es zur Herstellung anhand Figur 5d beschrieben worden ist, in einer niedrigdotierten GE- Struktur erzeugt werden. Hierzu wird gemäß Figur 6a das Basismaterial durch doppelte Emitterdiffusion dotiert, so daß sich zwei Dotierprofile ergeben, ein hoch¬ dotierter Bereich HD und ein niedrigdotierter Bereich LD. Unter Verwendung beispielsweise einer Ätzmaske gemäß Figur 5d ergibt εich nach dem Ätzvorgang die Emitterstruktur gemäß Figur 6b. Wesentlich ist hierbei zu bemerken, daß der obere Teil der hohen Rippenzüge Bereiche hoher Dotierung aufweist, wohingegen die niedrigeren Rippenzüge an den oberen Kanten aus¬ schließlich Bereiche geringer Dotierung aufweisen.
Aus Gründen des mechanischen Schutzes sowie zur Re- flexminderung wird vorzugsweise eine Oxidschicht 0 ganzflächig über die erhaltene Oberflächentextur aufge¬ bracht (gemäß Figur 6c) und nur an Stellen der höheren Rippenzüge lokal abgetragen, bis der Kantenbereich der hochdotierten Bereiche freigelegt ist (siehe hierzu Figur 6b). Zur Herstellung galvanischer Kontakte werden nun gemäß Figur 6e an diesen Stellen galvanische Kontaktelemente aufgebracht, wodurch eine GE-Solarzellenstruktur geschaffen wird, die durch sehr feine Kontakte für höchste Wirkungs¬ grade optimiert werden kann.
Eine alternative Ausführungsform, elektrische Kontaktstellen auf der Oberfläche der GE-Struktur aufzubringen ist wie bereits erwähnt die Verwendung von feinsten Drahtgittern gemäß Figur 7. Das Drahtgitter wird vorzugsweise durch Aufpressen des Drahtes ggf. unter Einfluß von Wärme, Ultraschall oder einem Flußmittel, auf die Kanten der Rippenzüge aufgebracht. Von Vorteil ist hierbei, daß das Drahtnetz, dessen Abmessungen von der Größenordnung 20 μm Drahtdurch¬ messer und 2000 μm Maschenweite ist, nicht auf die GE- Struktur justiert werden muß, sondern gemäß Figur 8 eine willkürliche Lage relativ zur Rippenzugorientie- rung einnehmen kann. Diese Art der elektrischen Kontaktierung eignet sich daher insbesondere für die automatisierte Fertigung.
Die bisherigen Ausführungen zur Herstellung soge¬ nannter GE-Strukturen können sinngemäß auch auf die Basiskontaktierung übertragen werden. So ist die der Emitterseite gegenüberliegende Basisseite der So¬ larzelle in gleicher Weise zu prozessieren, nur mit entsprechend ungekehrten Dotierstoffkonzentra- tionen. Hierzu sind die n-Dotierstoffe durch p-Dotierstoffe zu ersetzen. Auf diese Weise kann ein sogenanntes hochdotiertes BSF-(=back surface field) Gitter (GBSF) erzeugt werden, das anstelle der Punkt¬ kontaktierung, wie sie aus der Figur 1 zu entnehmen ist, verwendet werden kann. Die gesamte Rückseite kann sodann entweder über einem Oxid mit Aluminium bedampft werden oder nur wenige elektrische Kontaktstellen wie die Emitterseite aufweisen. Im letzteren Fall erhält man eine sogenannte Bifacial-Solarzelle, d.h. eine Solarzelle, die von beiden Seiten beleuchtet werden kann.
Selbstverständlich kann eine Solarzelle sowohl mit einer GE- als auch mit einer G-BSF-Struktur prozessiert werden.
Schließlich geht aus der Figur 9 eine weitere neuartige Variante einer oberflächentexturierten Solarzelle hervor, die auf einer einzigen Oberfläche sowohl die Emitter- als auch die Basiskontakte aufweist. Diese Struktur wird erhalten, indem in einem ersten Schritt das Basismaterial mit p+ -Dotierstoffen dotiert und anschließend eine n+ + -Dotierschicht eindiffundiert wird. Unter Verwendung einer geeigneten Ätzmaske zur Erzeugung von "Übergitter-Emitter" (siehe hierzu auch Figur 5d) , kann eine Struktur, wie sie in Figur 9 im Querschnitt angegeben ist, prozessiert werden, so daß die tiefergeätzten Kanten der Rippenzüge die p+ - Dotierschicht und die höhergeätzten, die n+ + - Dotierschicht aufweisen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einer, eine gitterförmige Oberflächentextur auf¬ weisenden n-dotierten Emitterschicht, die auf einem Basismaterial gebildet wird, gekennzeichnet durch folgende Herstellungsschritte:
- Herstellung einer ganzflächigen n+ + -Dotierschicht im oberen Bereich des Basismaterials und
- Selektiver Ätzvorgang an der Emitterschicht unter Verwendung einer die Oberflächentextur erzeugenden Maske, so daß eine Vielzahl sich gegenseitig kreuzender, nach oben spitz zulaufender Rippenzüge erzeugt werden, deren oberer Abschnitt aus der n+ + - dotierten Dotierschicht und deren unterer Teil aus dem Basismaterial besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Ätzvorgang texturierte Oberfläche zusätzlich ganzflächig n+ -dotiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die n+ + -Dotierschicht tiefer als die n+ -Dotierschicht ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentextur dem Abdruck nebeneinander angeordneter, vierseitiger Pyramiden entspricht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die n+ + -Dotierschicht ca. 3 μm tief ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungen durch Dotierstoff-Diffusionsprozesse durchgeführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske einem Gitter entspricht, das quadratische oder rechteckige Maschenfelder aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Dickenwahl der Zwischenstege der Gittermaske die nach dem Ätzvorgang verbleibende Höhe der Rippenzüge derart eingestellt wird, daß je breiter die Zwischenstege gewählt werden, um so weniger Material abgetragen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den nach oben spitz zulaufenden Rippenzügen eine Kontaktelektrodenanordnung aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektroden¬ anordnung ein Drahtgittergeflecht ist, das durch Auf¬ pressen auf die spitzen Rippenzüge aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgittergeflecht eine Maschenweite von ca. 2000 μm und der Draht einen Querschnitt von ca. 20 μm aufweisen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Gitterform aufweisende Masken verwendet werden, die über unterschiedliche Maschenfeldgrößen und Zwischenstegbreiten verfügen und die die Abstände zwischen den Texturrippen bestimmen sowie die Höhe der Rippenzüge sowie den Grad der Dotierung beeinflussen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oxidschicht ganzflächig auf die Oberfläche abgeschieden wird und diese lokal nur an überhöhten Rippenstellen bis zum oberen Schichtbeginn der n+ + -Dotierungsschicht abge¬ tragen wird, und daß an den hochdotierten freien Stellen galvanische Kontakte angebracht werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die der texturierten Emitterschicht gegenüberliegende Rückseite der Solarzelle in gleicherweise prozessiert wird wie die Emitterschicht gemäß Anspruch 1, unter Berücksichtigung der anstelle der n-Dotierungen für die Basiskontakte erforderlichen p-Dotierungen.
15. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit einer, eine gitterförmige Oberflächentextur auf¬ weisende Oberflächenschicht die n- und p-dotierte Bereiche aufweist, die auf dem Basismaterial gebildet werden, gekennzeichnet durch folgende Herstellungsschritte: - Herstellung einer ganzflächigen p+ -Dotierung im oberen Bereich des Basismaterials,
- Herstellung einer ganzflächigen n+ + -Dotierschicht im oberen Bereich des Basismaterials, die jedoch dünner ausgebildet ist als die p+ -Dotierschicht und
- Selektiver Ätzvorgang an der Oberfläche unter Verwendung einer die Oberflächentextur erzeugenden Maske, so daß eine Vielzahl sich gegenseitig kreuzender, nach oben spitz zulaufender Rippenzüge derart erzeugt werden, daß in gewissen Abständen Rippenzüge höher ausgebildet werden, als die anderen Rippenzüge, und daß die oberen Abschnitte der höher ausgebildeten Rippenzüge aus der n+ + -dotierten Dotierschicht und die oberen Abschnitte der tieferen Rippenzüge aus der p+ -dotierten Dotierschicht bestehen.
16. Solarzelle mit einer Emitterschicht, die auf einem Basismaterial aufgebracht ist und über eine Oberflächentextur verfügt, die durch sich kreuzende, nach oben spitz zulaufende Rippenzüge geprägt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenzüge jeweils im oberen, spitz zulaufenden Bereich n+ + -dotiert sind und im unteren Bereich aus dem Basismaterial bestehen.
17. Solarzelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenzüge obere spitze Kanten bilden, die im Ganzen ein niederohmiges Gitter bilden, das die gesamte Solazellenoberflache überzieht.
18. Solarzelle nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffkonzentra- tion von der oberen Kante eines jeden Rippenzuges zum Basismaterial abnimmt.
19. Solarzelle nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die am äußeren Oberflächenbereich der Solarzelle angeordneten Rippenzüge höher ausgebildet sind, als die von den Hohen umschlossenen Rippenzüge.
20. Solarzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie Spitzen der äußeren Rippenzüge stärker dotiert sind als die Eingeschlossenen,
21. Solarzelle nach Anspruch 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oxidschicht über den Rückenzügen vorgesehen ist, die an den hohen Rippenkanten abgetragen ist und an diesen Stellen jeweils galvanische Kontakte vorgesehen sind.
22. Solarzelle nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Rippenzügen ein Kontaktgitter vorgesehen ist, das willkürlich auf den Rippenzügen aufgebracht ist.
23. Solarzelle nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die der Emitteroberfläche gegenüberliegende Basiskontaktseite in gleicher Weise ausgebildet ist mit entsprechend p-dotierten Bereichen.
24. Solarzelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichent, daß zur elektrischen Kontaktierung der Basisseite entweder eine Aluminiumschicht oder einzelne Kontaktelektroden dienen.
25. Solarzelle nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß neben hohen n+ + -dotierten Rippenzügen kleinere p+ -dotierte Rippenzüge auf einer Oberseite der Solarzelle vorgesehen sind.
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