(12) NACH DEM VERTRAG UBER DIE INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT AUF DEM GEBIET DES
`PATENTWESENS (PCT) VEROFFENTLICHTE INTERNATIONALE ANMELDUNG
`
`(19) Weltorganisation fiir geistiges Eigentum
`Internationales Bfiro
`
`(43) Internationales Veroffentlichungsdatum
`26. Oktober 2006 (26.10.2006)
`
` (10) Internationale Veroffentlichungsnummer
`
`WO 2006/111138 A1
`
`(51) Internationale Patentklassifikation:
`H01L 31/075 (2006.01)
`
`(21) Internationales Aktenzeicllen:
`
`PCT/DE2006/000670
`
`(22) Internationales Anmeldedatum:
`11. April 2006 (11.04.2006)
`Deutsch
`
`(25) Einreichungssprache:
`
`(26) Verfiffentlichungssprache:
`
`Deutsch
`
`(30) Angaben zur Prioritat:
`10 2005 019 225.4
`20. April 2005 (20.04.2005)
`
`DE
`
`(71) Annlelder (ffir alle Bertimmungmtaaten mil Auxnahme van
`US): HAHN-MEITNER-INSTITUT BERLIN GMBH
`[DE/DE]; Glienicker Str. 100, 14109 Berlin (DE)
`
`(72) ErIinder; und
`(75) Erfinder/Anmelder (nur ffir US): ABDALLAH, Os-
`samah [DE/DE]; Wipperstr.
`25, 12055 Berlin (DE).
`
`CITARELLA,
`Johananebasr
`[IT/DE];
`Guiseppe
`30, 90429 Numberg (DE). KUNST,
`tian—Bach—Str.
`Marinus [NL/DE]; Cramerstr.
`16, 10623 Berlin (DE).
`WUNSCH, Frank [DE/DE]; Landgrafenstr.
`7, 10787
`Berlin (DE).
`
`(81) Bestinnnungsstaaten (ruweit nicht antlers angegeben, flir
`jede verffigbare nationale Schutzrechtsart): AE, AG, AL,
`AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH,
`CN, CO, CR, CU, CZ, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI,
`GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE,
`KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV,
`LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI,
`NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG,
`SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US,
`UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW.
`
`(84) Bestimrnungsstaaten (soweit nicht anders angegeben, fL’ir
`jade verfiigbare regionale Schutzrechtsan): ARIPO (BW,
`
`[Fortsetzung auf der ndchsten Seite]
`
`(54) Title: HETEROCONTACT SOLAR CELL WITH I \l VERTED GEOMETRY OF ITS LAYER STRUCTURE
`
`(54) Bezeichnung: HETEROKONTAKTSOLARZELLE MIT I
`
`\1 VERTIERTER SCIHCHTSTRUKTURGEOMETRIE
`
`HKS\
`
`FIL < nos < nAB
`
`DS,
`
`111111111111
`
`KG
`
`amorphous
`The
`(57) Abstract:
`emitter of known heterocontact solar
`
`cells is arranged on the top of the
`crystalline absorber facing the light
`and absorbs
`incident
`light which
`therefore cannot contribute to the
`
`generation of charge carriers in the
`absorber.
`A transparent conductive
`oxide layer (TCO) as the cover layer
`which has a negative effect on the
`p11 transition, can be avoided. The
`inventive
`heterocontact
`solar
`cell
`
`
` di
`WAAW&%W.WAWE
`.\\‘\\\\‘I
`
`
`
`' [W/
`
`(HKS) has an inverted geometry of
`its layer structure and thus an inverted
`heterocontact. The amorphous emitter
`(EM)
`is arranged on the bottom
`(LU) of the crystalline absorber (AB)
`facing away from the light.
`The
`absorber
`(AB)
`is only covered by
`a transparent antireflection coating
`(ARS) on its
`top (L0) facing the
`light, said coating, due to the material
`chosen,
`is at
`the same time the
`electrically effective passivation layer
`(PS),
`thereby
`avoiding absorption
`losses. The energy recuperation time
`regarding the material,
`time
`and
`energy requirements can be reduced
`by the low—temperature production of the emitter (EM) and the antireflection coating (ARS) by plasma CVD processes at 250 °C
`to 350 °C. The upper contact structure (OKS) penetrates the transparent antireflection coating (ARS) digitately, the lower contact
`structure (UKS) is configured as a thin large—surface metal layer (MS).
`
`ddol
`
`[Forlsetzung auf der nr’ichsten Seite]
`
`
`
`W02006/111138A1|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
`
`

`

`WO 2006/111138 A1
`
`|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
`
`GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG,
`ZM, ZW), eurasisches (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU,
`TJ, TM), européiisches (AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK,
`EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC,
`NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR), OAPI (BF, BJ, CF, CG,
`CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG).
`Veriiffentlicht:
`— mit internationalem Recherchenbericht
`
`Zur Erklr’irung der Zweibuchsmben—Codes und der anderen Ab—
`kiirzungen wird auf die Erklc'imngen (”Guidance Notes on C0—
`des and Abbreviations’') am Anfangjeder regularenAusgabe der
`PCT—Gazette verwiesen,
`
`(57) Zusanllnenfassung: Bei bekamlten Heterokontaktsolarzellen ist der amorphe Emitter auf der lichtzugewandten Oberseite des
`kristallinen Absorbers angeordnet und absorbiert einfallendes Licht, das somit nicht mehr1m Absorber zur Ladungstragererzeugung
`beitragen kann. Eine transparente leitfzihige Oxidschicht (TCO) als Deckschicht, die sich negativ auf den pn——Ubergang auswirkt,
`kann vermieden werden. Die erfindungsgema'Be Heterokontaktsolarzellen (HKS) weist eine invertierte Schichtstrukturgeometrie
`und damit einen invertierten Heterokontakt auf. Der amorphe Emitter (EM) ist auf der lichtabgewandten Unterseite (LU) des krisr
`tallinen Absorbers (AB) angeordnet. Der Absorber (AB) wird auf der lichtzugewandten Oberseite (LO) nur von einer transparenten
`Antireflexschicht (ARS) abgedeckt, die aufgrund ihrer Material wéhl gleichzeitig als elektrisch wirkende Passivierungsschicht (PS)
`arbeitet. Somit werden die Absorptionsverluste minimiert. Die Energieriicklaufzeit beziiglich Materialr, Zeitr und Energieeinsatz
`kann durch die niedertemperierte Herstellung von Emitter (EM) und Antireflexschicht (ARS) durch Plasma—CVD—Prozesse bei 25 0°C
`bis 350°C verringert werden. Die obere Kontaktierungsstruktur (OKS) durchdringt die transparente Antireflexschicht (ARS) finger—
`formig, die untere Kontaktierungsstruktur (UKS) ist grolfifl’aichig als diinne Metallschicht (MS) ausgebildet.
`
`

`

`WO 2006/111138
`
`PCT/DE2006/000670
`
`Heterokontaktsolarzelle mit invertierter Schichtstrukturgeometrie
`
`Beschreibung
`
`Die Erfindung bezieht sich auf eine Heterokontaktsoiarzelle in Schichtstruktur
`
`mit einem Absorber aus p- oder n—typ dotiertem kristallinem Halbleitermaterial,
`
`einem Emitter aus einem zum Absorber entgegengesetzt dotierten amorphen
`
`Halbleitermaterial, einer intrinsischen Zwischensohicht aus amorphem Halblei-
`
`termaterial zwischen Absorber und Emitter, einer Deokschioht auf der lichtzu-
`
`gewandten Seite des Absorbers, einer ein Minoritéitsladungstréger reflektie-
`
`rendes Oberfléichenfeld ausbildenden Schicht sowie mit einer ohmsohen
`
`Kontaktierungsstruktur mit einer minimierten Beschattungsfléche auf der
`
`lichtzugewandten Seite des Absorbers und einer ohmsohen Kontaktierungs—
`
`struktur auf der Iichtabgewandten des Absorbers.
`
`Stand der Technik
`
`Heterokontaktsoiarzellen mit kristallinem und amorphem Silizium gewinnen
`
`zunehmend an technischer Bedeutung. Der Libliche Aufbau einer Hetero-
`
`kontaktsolarzelle ist beispielsweise aus der Verfiffentlichung l von K. Brendel
`
`et al.: ,,interface properties of a—Si:H/c-Si heterostructures“ (Annual Report
`
`2003, Hahn-Meitner—lnstitut, 78/79) bekannt. Auf der lichtzugewandten Seite
`
`des zentralen Absorbers aus kristallinem, p-dotierten Silizium (o-Si(p)) und
`
`mikrokristallinem Silizium (pc-Si) sind ein Emitter aus amorphem, mit Wasser-
`
`stoff ,,iegiertem“ bzw. angereiohertem, n-dotiertem amorphem Silizium (a-
`
`Si:H(n+)) und eine transparente leitféhige Oxidsohicht (TCO) als Decksohicht
`
`unter fingerformigen Frontkontakten angeordnet. Der Emitter auf der lichtzu-
`
`gewandten Oberseite des Absorbers absorbiert Strahlung, die den Absorber
`
`entsprechend nicht mehr erreichen kann. Auf der liohtabgewandten Unterseite
`
`

`

`WO 2006/111138
`
`PCT/DE2006/000670
`
`befindet sich zwischen dem Absorber und einem ganzfléchigen RUckkontakt
`
`eine amorphe, mit Wasserstoff angereicherte p-hochdotierte amorphe Silizium-
`
`schicht (a-Si:H(p+)) zur Ausbiidung eines Minoritéitsladungstréger reflektieren-
`
`den Oberflé'lchenfeld (Back Surface Field BSF).
`
`Wie bei jedem Solarzellentyp leidet auch die Heterokontaktsolarzelle mit
`
`bekannter Schichtstrukturgeometrie mit einer Positionierung des Emitters auf
`
`der iichtzugewandten Oberseite des Absorbers an Verlusten bei der Umwand-
`
`lung der in die Solarzelle eindringenden Lichtenergie in elektrische Energie.
`
`Grundsétzlich zeigen amorphe Bereiche aufgrund ihrer ungeordneten Struktur
`
`schlechtere Transporteigenschaften fl'Jr Ladungstréger als kristailine Bereiche.
`
`Ein Verlustprozess in der Umwandiungskette besteht darin, dass nicht alle
`
`Photonen der einfallenden Strahiung in einem ,,aktiven“ Bereich der Solarzelle
`
`zu EIektronen-lLoch-Paaren gewandeit werden. Unter ,,aktivem Bereich" ist
`
`dabei diejenige Zone in der Solarzelle zu verstehen,
`
`in der die Elektronen und
`
`Locher aufgrund hinreichend groBer Lebensdauer gesammelt werden und
`
`nachfolgend Uber die ohmschen Kontaktierungssysteme abflieBen konnen.
`
`Notwendige Voraussetzung fiir eine effizient arbeitende Solarzelle ist, dass ein
`
`moglichst groBer Strahlungsantei! im aktiven Bereich absorbiert wird. Bei
`
`Heterokontaktsolarzelien ist dieser aktive Bereich der Absorber aus kristaliinem
`
`Silizium, wéhrend der hochdotierte Emitter aus amorphem Silizium, durch den
`
`das Licht in den Absorber einféllt, dem entgegen als ,,inaktiver Bereich“ zu
`
`bezeichnen ist, weii die in dieser Schicht erzeugten Elektronen und Locher nur
`
`eine vergleichsweise geringe Lebensdauer haben und daher kaum einge—
`
`sammelt werden konnen. Durch den hohen Absorptionskoeffizienten des
`
`amorphen Emittermaterials wird ein erheblicher Anteil des auftreffenden
`
`Sonnenlichts im Emitter absorbiert.
`
`Zur Verringerung der genannten Veriustprozesse bei Heterokontaktsolarzelien
`
`mit einer konventionelien Schichtstrukturgeometrie mit einem Emitter auf der
`
`lichtzugewandten Oberseite des Absorbers ist es aus der EP 1 187 223 A2,
`
`von der die Erfindung als néchstliegendem Stand der Technik ausgeht, fUr die
`
`

`

`WO 2006/111138
`
`PCT/DE2006/000670
`
`so genannte ,,H|T“-Solarzelle (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) der
`
`Firma Sanyo bekannt, entweder die Dicke des Emitters aus hochdotiertem
`
`amorphem Silizium zu verringern, wobei eine Mindestschichtdicke von 5 nm
`
`zur vollstandigen Ausbildung des pn-Heterokontaktes eingehalten werden
`
`muss, oder die Lichtabsorption im Emitter durch eine VergrbBerung der
`
`Banditicke zu reduzieren. Dazu wird das amorphe Silizium des Emitters mit
`
`Kohlenstoff legiert. Die in der EP 1 187 223 A2 offenbarte gattungsgemaBe
`
`Heterokontakt-solarzelle weist eine Schichtstruktur mit einem n-typ dotierten
`
`kristaliinen Siliziumwafer in der Mitte als Absorber auf. Auf beiden Seiten des
`
`Absorbers ist ein Heterokontakt zu benachbarten amorphen Siliziumschichten
`
`aufgebaut. Auf der lichtzugewandten Seite des Absorbers sind zwei intrin—
`
`sische Zwischenschichten, der amorphe Emitter und eine transparente
`
`leitfahige Elektrode (ITO) als Deckschicht vorgesehen. Auf der lichtab-
`
`gewandten Seite des Absor—bers sind vor einer sammelnden Rackelektrode
`
`zur Ausbildung eines BSF zumindest zwei weitere amorphe Schichten vorge—
`
`sehen, von denen die eine undotiert und die andere wie der Absorber n-typ,
`
`jedoch stark dotiert ist. Auf beiden Seiten weist die Heterokontaktsolarzelle
`
`gitterformige Kontaktierungssysteme auf den Ladungstrager sammelnden ITO-
`
`Schichten auf.
`
`Somit weist auch die bekannte HIT—Solarzelle eine transparente Leitschicht
`
`(TCO, ITO) auf der lichtzugewandten Oberseite auf, um die im schlechter
`
`leitenden, amorphen Emitter gesammelten Ladungen abzufflhren. Der
`
`Ver5ffentlichung ll von A.G. Ulyashin et al.: “The influence of the amorphous
`
`silicon deposition temperature on the efficiency of the lTO/a-SizH/c-Si
`
`Heterojunction (HJ) solar cells and properties of interfaces” (Thin Solid Films
`
`403—404 (2002) 259-362) ist zu entnehmen, dass die Abscheidung dieser
`
`transparenten Leitschicht auf dem amorphen Emitter im Verdacht steht, die
`elektronischen Eigenschaften an der Grenzflache zwischen amorphem und
`
`kristaliinem Silizium (Emitter/Absorber) zu verschlechtern.
`
`

`

`WO 2006/111138
`
`PCT/DE2006/000670
`
`Weiterhin ist aus der DE 100 45 249 A1 eine kristalline Solarzelle bekannt, bei
`
`der der kristalline Emitter auf der lichtabgewandten Seite des Absorbers ange-
`
`ordnet ist. Dort ist er streifenfc'jrmig unter Anwendung eines Herstellungs-
`
`prozesses bei hoher Temperatur ausgebildet und wird mit kristallinen Streifen
`
`gegensétzlicher Dotierung verschachtelt, die ein BSF ausbilden. Diese rein-
`
`kristalline, interdigitale Halbleiterstruktur ist nur in einem sehr komplizierten
`
`Herstellungsprozess erzeugbar und dient der ausschlieBlichen Rackseiten—
`
`kontaktierung, bei der beide ohmschen Kontaktierungsstrukturen auf der
`
`lichtabgewandten Unterseite der Solarzelle angeordnet und ebenfalls inein—
`
`ander verschachtelt sind. Unterhalb der auf der lichtzugewandten Oberseite
`
`des Absorbers vorgesehenen Antireflexschicht, die in eine Verkapselung
`
`integriert ist, weist die bekannte Solarzelle noch eine zusétzliche Passivie—
`
`rungsschicht auf, die der Verringerung der Rekombination von Iichterzeugten
`
`Ladungstrégern auf der Vorderseite der Solarzelle client, jedoch auch zusétz—
`
`Iich Licht absorbiert. Weitere interdigitale Solarzellen sind auch aus der
`
`US 4.927.770 mit sehr kleinen Emitterbereichen und aus der
`
`US 2004/0200520 A1, bei der groBere Emitterbereiche in Grében vorgesehen
`
`sind, bekannt. Bei beiden bekannten interdigitalen Solarzellen ist auf der
`
`Iichtzugewandten Oberseite neben einer Passivierungsschicht und einer
`
`Antireflexschicht auch eine dotierte Frontschicht zur Ausbildung eines
`
`Minoritétsladungstréger reflektierenden Oberfléichenfelds (Front Surface Field
`
`FSF) vorgesehen. lnsbesondere die das Oberfléchenfeld ausbildende Schicht
`
`wirkt, wenn es sich um eine stark dotierte Si-Schicht handelt, stark absorbie-
`
`rend und verringert damit den Lichteinfall in den aktiven Bereich der Solarzelle
`
`und die Ladungstrégerausbeute. Auf der lichtzugewandten Oberseite ist die
`
`Ausbildung eines FSF jedoch von besonderer Bedeutung, da hier durch den
`
`starken Lichteinfall eine hohe Ladungstrégererzeugung auftritt, deren
`
`Rekombination minimiert werden muss.
`
`Aus der DE 100 42 733 A1 ist eine ebenfalls reinkristalline DUnnschicht—Solar-
`
`zelle mit einem transparenten Glassuperstrat auf der Lichteinfallsseite bekannt,
`
`die einen p-typ dotierten polykristallinen Absorber (p-pc—Si) mit einer Kontaktie-
`
`

`

`WO 2006/111138
`
`PCT/DE2006/000670
`
`rungsschicht zwischen dem Absorber und dem Glassuperstrat aus p-hoch-
`
`dotiertem poiykristailinen Silizium (p+-pc-Si), die gleichzeitig als transparente
`
`Elektrode und als Schicht zum Aufbau eines FSF dient, aufweist. Die Erzeu-
`
`gung des FSF und die Stromsammiung durch die transparente Elektrode auf
`
`der lichtzugewandten Seite werden jedoch auch hier mit Absorptionsverlusten
`
`im Eintrittsfenster erkauft. Eine Antireflexschicht auf der lichtzugewandten
`
`Seite ist nicht vorgesehen, deren Funktion muss von dem Glassuperstrat fiber-
`
`nommen werden. Auf der lichtabgewandten Seite des Absorbers befindet sich
`
`direkt auf dem Absorber der Emitter aus n—hochdotiertem mikrokristallinem
`
`Silizium (Wipe-Si) mit einer rauen abgewandten Oberfiéiche, auf der eine
`
`Aluminiumschicht als rijckreflektierender Kontaktschicht und Elektrode
`
`angeordnet ist.
`
`Aufgabenstellung
`
`Ausgehend von der gattungsgeméiBen Heterokontaktsolarzelle, wie sie im
`
`Zusammenhang mit der HIT-Soiarzeile oben néher beschrieben ist, besteht die
`
`Aufgabe ftir die vorliegende Erfindung darin, eine mogliohst einfach hersteli—
`
`bare Schichtstrukturgeometrie fiir eine Heterokontaktsolarzelle mit geringen
`
`optischen Verlusten zu schaffen, die ohne eine transparent leitféhige Elektrode
`
`(TCO) auf der lichtzugewandten Seite auskommt und trotzdem eine zu
`
`bekannten Heterokontaktsolarzellen mit konventioneller Schiohtstruktur—
`geometrie vergleichbare Umsetzungseffizienz bei .der Gewinnung von
`
`elektrischem Strom aus Sonnenenergie liefert. Es soil eine moglichst kurze
`
`Energieriicklaufzeit fijr die erzeugten Heterokontaktsolarzellen durch einen
`
`moglichst geringen Material—, Zeit— und vor allem Energieeinsatz bei einfacher
`
`und kostengflnstiger Hersteliungsweise erreicht werden. Die erfindungs—
`
`geméBe Losung fiir diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen.
`
`Vorteilhafte Modifikationen der Erfindung werden in den Unteransprilchen
`
`aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung néher
`
`eriéutert.
`
`

`

`WO 2006/111138
`
`PCT/DE2006/000670
`
`Die erfindungsgemaBe Heterokontaktsolarzeiie weist im grundsétzlichen
`
`Unterschied zu bekannten Heterokontaktsolarzellen eine invertierte Sohicht-
`
`strukturgeometrie und damit einen invertierten Heterokontakt auf. Der amorphe
`
`Emitter ist auf der iichtabgewandten Unterseite des Absorbers angeordnet.
`
`Hinter dem Absorber ist die Intensitat des einfallenden Liohts sohon so stark
`
`verringert, class in den Emitter kaum noch Strahlung eindringt und dort absor-
`
`biert wird, sodass die Absorptionsverluste gering gehalten werden konnen. Auf
`
`der lichtzugewandten Oberseite des Absorbers ist bei der erfindungsgemaBen
`
`Heterokontaktsolarzeiie lediglich eine einzeine transparente Antireflexschicht
`
`mit verbesserten Antireflexeigenschaften als Deckschicht angeordnet, die
`
`aufgrund der Materialwahl gleichzeitig als elektrisch wirkende Passivierungs—
`
`schicht eine Ladungstragerrekombination durch Ausbildung eines
`
`Minoritétsiadungstrager rflckstreuenden Oberflachenfeldes (FSF) verhindert.
`
`Die Antireflexeigenschaften der Antireflex—schicht werden durch die Wahl ihres
`
`Materials bedingt, das einen Brechungsindex (nARs) aufweisen muss, der
`
`groBer als der Brechungsindex von Luft(nL), aber kleiner als der
`
`Brechungsindex des kristailinen Halbleitermaterials des Absorbers (nAB) ist
`
`(nL<nARs<nAB). Durch die doppeite Funktion der Deckschicht als transparente
`
`Antireflexschicht und als Passivierungsschicht entfallt insbesondere eine
`
`transparent ieitfahige Eiektrode (TCO) auf der lichtzugewandten Seite, da
`
`deren Funktion der Stromableitung durc ein feines Kontaktgitter als oberes
`
`Konatkierungssystem Ubernommen werden kann. AuBerdem entfallen weitere
`
`Schichten, insbesondere hochdotierte Si—FSF-Schichten und damit stark
`
`absorbierende Passivierungsschichten, und deren Praparation auf der Solar—
`
`zelienoberseite. Durch den Wegfail zusatzlicher Deckschiohten wird der
`
`Herstellungsaufwand beztiglich Materiai-, Zeit- und Energieeinsatz bei der
`
`Heterokontaktsolarzelle nach der Erfindung bedeutsam reduziert und
`
`vereinfacht.
`
`lm Unterschied zu den bekannten interdigitalen kristailinen Solarzellen, die
`
`einen kristailinen, streifenformigen Emitter auch aut der Iichtabgewandten
`
`

`

`WO 2006/111138
`
`PCT/DE2006/000670
`
`Absorberseite aufweisen, ist der amorphe Emitter der erfindungsgeméiBen
`
`Heterokontaktsolarzelle als durchgé‘mgige Schicht ausgebildet, sodass er
`
`einfacher herstellbar ist, effizient arbeitet und einfach kontaktiert werden kann.
`
`Dariiber hinaus wird der Emitter bei der Heterokontaktsolarzelle nicht durch
`
`Eindiffusion der entsprechenden Dotierspezies bei Temperaturen Uber 90090
`
`gebiidet, sondern beispielsweise durch plasmagestijtztes Abscheiden aus der
`
`Gasphase (PECVD) bei Substrattemperaturen von unter 25090 erzeugt.
`
`Weiterhin kc'Snnen bei der erfindungsgeméBen Heterokontaktsolarzelle durch
`
`die Separation von transparenter Antireflexschicht und Emitter deren Schicht—
`
`dicken unabhéngig voneinander optimiert werden. So kann der Emitter auf der
`
`iichtabgewandten Unterseite des Absorbers in groBerer Schichtdicke ausge—
`
`fiJhrt werden als auf dessen lichtzugewandter Oberseite, wodurch eine gute,
`
`stabiie Raumiadungszone erzeugt wird. Die elektronischen Eigenschaften der
`
`aktiven Grenzfléiche zwischen Emitter und Absorber werden dadurch ver—
`
`bessert. Bei der Erzeugung der transparenten Antireflexschicht wiederum
`
`muss keine Racksicht mehr auf darunter liegende Schichten und einen
`
`Einfluss auf deren elektronische Eigenschaften genommen werden.
`
`Die im Absorber generierten Ladungstréger werden am Heterokontakt
`
`zwischen kristaiiinem Absorber und amorphen Emitter in der Raumladungs—
`
`zone getrennt und Cuber die ohmschen Kontaktierungsstrukturen abgefflhrt.
`
`Dabei durchdringt die eine ohmsche Kontaktierungsstruktur auf der lichtzu—
`
`gewandten Oberseite des Absorbers, die mit einer minimierten Beschattungs—
`
`fiéiche ausgebildet ist, die transparente Antireflexschicht. Die andere ohmsche
`
`Kontaktierungsstruktur ist groBfléchig auf dem Emitter auf der Iichtabge-
`
`wandten Unterseite des Absorbers ausgebildet. Vorteilhaft konnen auch
`
`unterhalb der die transparente Antireflexschicht durchdringenden Kontaktie—
`
`rungsstruktur im Absorber Ladungstréger reflektierende Zonen ausgebildet
`
`sein, sodass zusammen mit dem von der transparenten Antireflexschicht
`
`bewirkten Ladungstréger rUckstreuenden Oberfléchenfeld (FSF) auf der
`
`gesamten Oberfiéche des Absorbers ein geschlossenes Oberfléchenfeld
`
`

`

`WO 2006/111138
`
`PCT/DE2006/000670
`
`erzeugt wird. Es wird zur Kontaktierung des Emitters keine transparent
`
`leitfahige Oxidschicht (TCO : z.B. ITO) ais Elektrode mehr benotigt, deren
`
`Abscheidung auf dem amorphen Emitter in Verdacht steht, die elektronischen
`
`Eigenschaften am Heteroiibergang zu verschlechtern (s.o.). Diese technolo-
`
`gische Schwierigkeit wird bei der Erfindung durch eine sanfte Metallisierung
`
`des amorphen Emitters, der eine gute groBfiachige Kontaktierung eriaubt, zur
`
`Erzeugung der groBflachigen Kontaktierungsstruktur uber beispieisweise
`
`thermische Verdampfung vermieden. Dabei kann die groBfiachige Kontaktie-
`
`rungsstruktur die gesamte Unterseite des Emitters Uberdecken oder durch
`
`Anwendung einer Maskentechnik groBere Fiachenbereiche davon.
`
`Besonders gtinstig wirken sich die zuvor aufgefiihrten Vorteile auf die
`
`Heterokontaktsolarzelle nach der Erfindung mit invertiertem Heteroiibergang
`
`aus, wenn der Absorber aus n-typ dotiertem kristallinem Silizium und der
`
`Emitter aus p-typ dotiertem amorphem Silizium mit einer intrinsischen, d.h.
`
`undotierten, amorphen Zwischenschicht bestehen. Bei einer derartigen
`
`Materialwahl kann ein technisch gut beherrschbarer, n-leitender Absorber aus
`
`Silizium mit sehr guten Transporteigenschaften und einer hohen Ladungs—
`
`tragerlebensdauer, das mono-, multi- oder auch mikro-kristailin ausgebildet
`
`sein kann. Bei der Wahl eines solchen Materiaisystems ist es moglich, die
`
`FSF-bildende Passivierungsschicht nicht — wie aus dem Stand der Technik
`
`bekannt - aus Siliziumoxid, sondern aus Siliziumnitrit zu erzeugen. Dessen
`
`optischer Brechungsindex liegt zwischen dem von Luft und Silizium, sodass die
`
`Passivierungsschicht gieichzeitig als gute transparente Antireflexschicht
`
`wirksam ist. Eine entsprechend doppeltfunktionelle transparente Antireflex—
`
`schicht ist auch moglich, wenn der Absorber p—leitend dotiert ist. Der
`
`Brechungsindex des gewahlten Materials muss wieder zwischen dem von Luft
`
`und Absorber Iiegen und das Material muss passivierend auf den Absorber
`
`einwirken. Weiterhin kann der Silizium—Absorber auf seiner liohtabgewandten
`
`Unterseite in einfacher Weise in einem Niedertemperaturprozess durch den
`
`Emitter aus amorphem Silizium passiviert werden, wodurch eine sehr geringe
`
`Grenzflachenrekombination bedingt wird, da offene Bindungen, so genannte
`
`

`

`WO 2006/111138
`
`PCT/DE2006/000670
`
`,,dangling bonds“ sehr effizient chemisch abgesattigt werden. Die Abséttigung
`
`mit amorphem Silizium, dessen Bandliicke weit oberhalb der cles kristallinen
`
`Siliziums liegt, ergibt einen sehr guten pn-Heterokontaktiibergang. Das
`
`amorphe Silizium des Emitters hingegen zeigt starkes Absorptions— und
`
`Rekombinationsverhalten. Die Anordnung eines dtinnen Emitters hinter dem
`
`aktiven Bereich ist somit optimal.
`
`Weiterhin kann die eine ohmsche Kontaktierungsstruktur auf der lichtzuge—
`
`wandten Oberseite des Absorbers als Kontaktfinger oder -gitter aus Silber oder
`
`Aluminium und die andere ohmsche Kontaktierungsstruktur auf dem Emitter
`
`als di'mne, flachige Metallschicht aus Gold oder einem anderen geeigneten
`
`Material ausgebildet sein. Beide Edelmetalle sind zwar relativ teuer, werden
`
`aber in so geringen Mengen verwendet, class ihren sehr guten Leit— und
`
`Verarbeitungseigenschaften der Vorzug zu geben ist. Zudem ist bei groB-
`
`flachigen Strukturen eine Verdickung der Kontakte mit kostengUnstigeren
`
`Metallen denkbar. AuBerdem kann der Absorber als selbsttragender Wafer,
`
`insbesondere Siliziumwafer, in relativ groBer Schichtdioke ausgerhrt sein. Die
`
`Solarzelle nach der Erfindung kann aber auch in DUnnschichttechnik, d.h. mit
`
`einzelnen Schichten von Schichtdicken im nm— bis um-Bereioh, ausgefiihrt sein
`
`und durch ein Glassubstrat auf der liohtabgewandten Unterseite des Absorbers
`
`die erforderliche Stabilitat erhalten. Weitere Anordnungen, Materialsysteme
`
`und Herstellungsprozesse konnen dem nachfolgenden speziellen Beschrei-
`
`bungsteil entnommen werden.
`
`Ausffihrungsbeispiele
`
`Ausbildungsformen der Heterokontaktsolarzelle mit invertierter Schichtstruktur-
`
`geometrie nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen
`
`Figuren néher erlautert. Dabei zeigt :
`
`

`

`WO 2006/111138
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`PCT/DE2006/000670
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`1O
`
`Figur 1
`
`einen Schichtstrukturquerschnitt durch die
`
`Heterokontaktsolarzelle,
`
`Figur 2
`
`ein Diagramm mit einer Dunkel- und Hellkenniinie einer
`
`hergesteiiten Heterokontaktsolarzelle und
`
`Figur 3
`
`ein Diagramm zur spektralen Quantenausbeute oler
`
`Heterokontaktsolarzelie geméB Figur 2.
`
`Die Figur 1 zeigt eine Heterokontaktsolarzeiie HKS mit einem Absorber AB, in
`
`dessen lichtzugewandter Oberseite LO Liohtstrahlung (natiirlioh oder kUnstlioh,
`sichtbar urtd/oder unsichtbar) einféllt (Pfeile). Der Absorber AB besteht aus
`
`einem seibsttragenden Wafer der Schiohtdicke dAB aus n-typ dotiertem
`
`kristallinem Silizium n c-Si. Dabei kann das verwendete Silizium mono—, poly—,
`
`multi- Oder mikrokristallin ausgebildet und entsprechend hergestellt sein.
`
`Auf oler lichtzugewandten Oberseite LO des Absorbers AB ist als Deckschioht
`DS eine trensparente Antireflexschicht ABS aus Siliziumnitrit Si3N4
`
`angeordnet, die gleichzeitig als Passivierungsschioht PS auf dem Absorber AB
`
`wirkt und ein Ladungstréger rtickstreuendes Oberfiéchenfeld FSF (in Figur 1
`
`gestrichelt olargestellt) ausbildet zur Vermeidung von Ladungstréger-
`rekombination’ auf oler Lichteinfaiisseite. Die Doppeifunktion oler Deokschicht
`
`DS ergibt sich durch deren Materialwahl in Abhéngigkeit vom
`
`Absorbermaterial. Die Antireflexeigenschaften der transparente
`
`Antireflexschicht werden durch die Wahl ihres optischen Brechungsindex nARs
`
`zwischen dem Brechungsindex nL von Luft und dem Brechungsindex nAB des
`
`Absorbermaterials bedingt (nL<nARs<nAB). Die Passivierungseigenschaften
`
`héngen von der elektrischen Wirkung des gewéhlten Materials auf die
`
`Absorberoberfléiche ab. Durch die einzige Deoksohicht DS auf dem Absorber
`
`AB werden die Photonenverluste durch Absorption gegenuber einem
`
`konventionellen Heterokontaktsolarzellenaufbau mit einer Anordnung des
`
`Emitters EM auf oler lichtzugewandten Oberseite LO des Absorbers AB
`
`erheblich reduziert. AuBerdem besteht beim Aufbau der transparenten
`
`

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`WO 2006/111138
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`PCT/DE2006/000670
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`1 1
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`Antireflexschicht ARS keine Getahr, die darunter iiegende Schichten und deren
`
`eiektronische Eigenschaften zu storen.
`
`Bei der Heterokontaktsoiarzelle HKS mit invertierter Schichtstrukturgeometrie
`
`ist der Emitter EM auf der lichtabgewandten Unterseite LU des Absorbers AB
`
`angeordnet. lm gewéihlten Austhrungsbeispiel besteht der Emitter EM aus mit
`
`Wasserstoff H angereichertem amorphem Silizium mit einer p-typ Dotierung p
`
`a-Si:H. Aufgrund seiner invertierten Positionierung hinter dem Absorber AB
`
`kann der Emitter EM kein Licht absorbieren und somit in seiner Schichtdicke
`
`ddot individueil, insbesondere auch ausreichend dick, bemessen werden. Da
`
`die Beweglichkeit der Ladungstréger in amorphem Silizium sehr viei geringer
`
`ist als in kristallinen Silizium, darf ddot aber auch nicht zu dick sein. Somit kann
`
`ddot im Hinbiick auf einen geringen Serienwiderstand der Heterokontakt-
`
`solarzelle HKS optimiert werden. Eine sehr diJnne intrinsische (nicht dotierte)
`
`Zwischenschicht lZS mit der Schichtstérke di zwischen Absorber AB und
`
`Emitter EM ist im gewéhiten Ausfflhrungsbeispiei aus amorphem Silizium i a-
`
`Si:H ausgebildet.
`
`Die Heterokontaktsoiarzeile HKS mit invertierter Sohiohtstrukturgeometrie weist
`
`auf ihrer iichtzugewandten Oberseite eine obere Kontaktierungsstruktur OKS
`
`auf, die so ausgelegt ist, class sie den Absorber AB mit nur einer minimaien
`
`Fiéiche abschattet, sodass ein maximaler Lichteinfall moglich ist. Dazu kann die
`
`Kontaktierungsstruktur OKS finger— oder gitterformig ausgebildet sein. Im
`
`gewéihiten AusfiihrUngsbeispiel wird die obere Kontaktierungsstruktur OKS von
`
`einem Kontaktgitter KG aus Silber Ag gebildet. lm Bereich des Kontaktgitters
`
`KG wird die transparente Antireflexschicht AR durchdrungen, sodass direkt
`
`unter den Kontaktfingern zunéichst kein Minoritétsladungstréger refiektierendes
`
`Oberfléchenfeld FSF ausgebildet ist. Bei der Erzeugung des Kontaktgitters KG
`konnen aber MaBnahmen (s.u.) ergriffen werden, die zu einer im gewéhlten
`
`Ausfllihrungsbeispiel hoch n-dotierten n+ Einlagerung unterhalb des Kontakt-
`
`gitters KG im Absorber AB fijhren, sodass auch hier ein Minoritétsladungs—
`
`

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`WO 2006/111138
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`PCT/DE2006/000670
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`12
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`tréger reflektierendes Oberfléchenfeld FSF (in Figur 1 strichpunktiert
`
`dargestellt) ausgebildet wird. Somit kann die gesamte Oberfléche des
`
`Absorbers AB passiviert werden.
`
`Auf der Unterseite des Emitters EM befibdet sich eine untere Kontaktierungs—
`
`struktur UKS, welche nicht dem Lichteinfall ausgesetzt ist. Folglich muss sis in
`
`ihrer Beschattungsfiéche auch nicht minimiert sein, sondern kann den schlecht
`
`leitenden amorphen Emitter EM méglichst groBfléchig zur Sammlung der
`
`getrennten Ladungstréger kontaktieren. Im gewéhlten Austhrungsbeispiel ist
`
`die untere Kontaktierungsstruktur UKS als diJnne fléchige Metallschicht MS
`
`aus Gold Au ausgebildet.
`
`Die in der Figur 1 dargestellte Heterokontaktsolarzelle HKS mit invertierter
`
`Schichtstrukturgeometrie kann beispielsweise nach folgendem Ablauf
`
`hergestellt werden. Andere Herstellungsverfahren sind jedoch ebenfails
`
`anwendbar.
`
`Auf einen absorbergroBen Abschnitt eines 0,7 bis 1,5 (2cm n-dotierten Silizium—
`
`Wafers zur Bildung des Absorbers AB der Schichtdicke dAB werden nach
`
`bekannter Standardrezeptur Wasserstoff (H)-terminierte Oberfléchen nass-
`
`chemisch prépariert. Auf die préparierte Obertléche wird anschlieBend bei
`
`325°C bis 345°C mittels Plasma-CVD eine etwa 70 nm dicke Schicht Silizium-
`
`nitrit Si3N4 als transparente Antireflexschicht ARS abgeschieden. Diese kann
`
`anschlieBend von dem durch Siebdruck einer kommerziell erhéltlichen
`
`Silberleitpaste mit Phosphorquelle aufgebrachte Kontaktgitter KG bei 600°C
`
`bis 800°C durchdrungen (Durchfeuern der Kontakte durch die transparente
`
`Antireflexschicht ARS) werden. Dabei entstehen unterhalb des Kontaktgitters
`
`KG durch das IokaIe Eindiffundieren des Phosphors stark n-dotierte Bereiche
`
`n+, die als Minoritéitsladungstrétger reflektierendes Oben‘léchenfeld FSF die
`
`Rekombination der lichtgenerierten Ladungstréger reduzieren und das Minori—
`
`téitsladungstréger refiektierendes Oberfiéchenfeld FSF von der transparenten
`
`

`

`WO 2006/111138
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`PCT/DE2006/000670
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`1 3
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`Antireflexschicht ARS im Bereich des Kontaktgitters KG schiieBen. Alternativ
`
`kann die transparente Antireflexschicht ARS beispieisweise mit photolithogra-
`
`phischen Schritten partiell geb‘ffnet werden, um das Silizium des Absorbers AB
`
`auf der Iichtzugewandten Oberseite LO mit aufgedampftem Aluminium als
`
`Kontaktgitter KG ohmsch zu kontaktieren.
`
`Auf der iichtabgewandten Unterseite LU des Absorbers AB wird dann nach
`
`einem Atzreinigungsschritt dieser Oberfléche in verdi'mnter Flussséure ebenso
`
`mit Plasmadeposition amorphes Silizium als Emitter EM der Solarzelle SZ
`
`abgeschieden. Dies erfolgt in zwei Etappen : Zunéchst wird eine wenige nm
`
`dilinne intrinsische Zwischenschicht IS der Schichtdicke di undotiertes Silizium
`
`(i a-Si:H) aufgewachsen und anschlieBend eine mit etwa 10000 ppm Bor
`
`dotierte 20 nm - 40 nm dicke (Schichtdicke ddot) Emitterschicht (p a-Si:H)
`
`aufgebracht.
`
`Der Emitter EM wird auf der lichtabgewandten Unterseite LU im né‘tchsten
`
`Schritt durch Aufdampfen einer etwa 150 nm dicken Metallschicht MS aus
`
`Gold Au metaliisiert und auf diese Weise die untere Kontaktierungsstruktur
`
`UKS gebildet, wobei deren laterale Ausdehnung durch Verwendung
`
`verschieden groBer Masken festgelegt werden kann.
`
`Aiternativ hierzu kann bei Raumtemperatur eine manuelle Préparation der
`
`oberen Kontaktierungsstruktur OKS auf der transparenten Antireflexschicht
`
`ARS durch partielles Fortéitzen der transparenten Antireflexschicht ARS aus
`
`Si3N4, durch die Benetzung dieser freigelegten Stellen mit Gailiumindium—
`
`Eutektikum Gain und deren anschlieBendes Verkapseln mit siibe