NL8001784A - Zonnecel met ontspiegelingslaag en kontakten en de vervaardigingswijze daarvan. - Google Patents

Description

* ,

Br/O/lh/5

Zonnecel met ontspiegelingslaag en kontakten en de vervaar-digingswijze daarvan.

De uitvinding heeft betrekking- op een zonnecel met kontakten in rooster- of andere vorm aan de voorzijde, welke cel is voorzien van een ontspiegelingslaag voor een grotere concentratie van het licht, .opdat, het wordt ge-5 absorbeerd en niet teruggekaatst.

Van de in de Nederlandse octrooiaanvragé 80.00273 beschreven zonnecellen is het basisch.materiaal, bijvoorbeel monokristallijn silicium, verontreinigd met een geschikte verontreiniging teneinde aan de wafel een p-t of 10 n-geleidingseigenschap te verschaffen- In- de., verontreinigde wafel wordt dan een verontreiniging van een geleidingstype, dat tegengesteld is aan.dat van de eerste verontreinigingen, gedefendeerd of anderszins aangebracht ter verschaffing van een p-n overgang bij of in de buurt van het- lichtontvangende 15 voorvlak van de wafel. Indien het voorvlak door licht wordt getroffen worden in het silicium elektron/holte-paren opgewekt. Vanwege de aanwezigheid van de p-n overgang, waarmee zowel.een p-n, als een n-p overgang wordt bedoeld, bewegen de elektronen zich naar éën van de hoofdvlakken van.de cel 20 en de holten naar het andere hoofdvlak..In een gebruikelijke n-p cel lopen de elektronen naar het lichtontvangende voorvlak van de cel en de holten naar het achtervlak- Voor het doen fungeren van de cel dienen aan voor- en achtervlak van de cel elektrische kontakten aangebracht te worden, zodat 25 door het licht gegenereerde elektronen uit de cel kunnen worden geleid en, na arbeid verricht te hebben, naar de cel teruggevoerd teneinde de kring te sluiten.

In voornoemde octrooiaanvrage zijn voorstellen gedaan voor het ondervangen van veel problemen, die 30 verband houden met het aanbrengen van een elektrisch geleidende rooster op het oppervlak van een fotocel. Er is een werkwijze beschreven, waarbij een kontaktorgaan op het oppervlak van een fotocel wordt aangebracht door het vormen van Q Λ Λ A 7 0/.

-2- deeltjes elektrisch geleidend materiaal, gewoonlijk een metaal, bij een hogere temperatuur dan de legeringstempera-tuur van het materiaal en silicium, bij gebruik van silicium als basismateriaal. De deeltjes worden op het oppervlak van 5 de cel vanaf een zodanige afstand gesproeid, dat ze het oppervlak bereiken bij een temperatuur, waarbij ze zich aan het silicium of ander basismateriaal'van de cel kunnen hechten. Bij het aanbrengen van het kontakt komt. het, elektrische kontakt tussen het silicium en het kontaktmateriaal bij voor— 10 keur zonder het optreden van een legering in de diepte tot stand. Er kan een echte legering plaatsvinden. Echter is de uitdrukking "legering"' niet beperkt .tot de strikt technische definitie, doch. omvat ook.de hechting bij betrekkelijk lage temperaturen, in welk geval het legeren beter aangeduid kan 15 worden met sinteren.. Zulke sproei-wijzen. staan bekend als vlamsproeien, boogsproeien.of plasmasproeien- De drie werkwijzen hebben dit echter .gemeen, dat fijne deeltjes, atomen of ionen van een metaal, zoals aluminium,, in de richting van het werkvlak, in dit geval van een zonnecel,, worden gericht. 20 Voornoemde drie sproeiwij zen .worden dan ook niet apart behandeld, doch hierbij mede .betrokken.

Hoewel de in voornoemde octrooiaanvrage beschreven .werkwijzen^ de gebruikelijke problemen bij het aanbrengen van kontakten vermijden, zijn ze niet speciaal 25 gericht tegen problemen, die inherent zijn aan het aanbrengen van elektrische kontakten op zonnecellen met een ontspiege-lingslaag. Wat betreft, de werkwijze voor het aanbrengen van een ontspiegelingslaag-op een zonnecel wordt.verwezen naar de Amerikaanse octrooischriften 740.670 (19761 en 838.093 30 (1977), welke octrooiaanvragen, evenals bijvoorbeeld de

Amerikaanse octrooischriften 3.533.850 en 3.922.774, betrekking hebben op het aanbrengen van zulke ontspiegelingslagen op cellen. In voornoemde eerstgenoemde octrooiaanvragen is een nieuwe werkwijze voor de vorming van een ontspiegelings-35 laag van Ta2°5 °P een ce^ beschreven.

Bekend mag worden verondersteld, dat de brekingsindex van het silicium van een zonnecel ten opzichte van lucht circa 4,0 bedraagt. Een groot gedeelte van het 800 1 784 £ -3- licht wordt dan oolc door de zonnecel weerkaatst. Bekend is, dat bepaalde materialen, bekleed op een zonnecel, vooral op het lichtontvangende voorvlak daarvan, de benodigde, brekingsindex verschaffen, om de reflectie te verminderen .zonder het 5 fungeren van 'de zonnecel nadelig te beïnvloeden- Bekend is, dat de brekingsindex van een ontspiegelingslaag voor zonnecellen bij voorkeur meer dan 2-bedraagt, Hoewel ontspiege-lingslagen uit titaandioxide,, tantaaloxide, ceriumoxide, noibiumoxide, zinksulfide of tinoxide. .kunnen bestaan, gaat 10 de voorkeur uit.naar tantaaloxide- Voor de. uitvinding wordt echter verondersteld, dat de desbetreffende .ontspiegelingslaag niet van kritisch.belang is., hoewel de hier vermelde proeven op tantaaloxide. zijn geconcentreerd.

Desondanks zijn ex· enige problemen bij het 15 aanbrengen, van kontakten op een cel.met een orrtspiegelings— laag op het lichtontvangende oppervlak.. Zo. wordt gewoonlijk. een laag tantaal of tantaalpentoxide op het-lichtontvangende oppervlak aangebracht door een elektronenstraalverdamping van één van voornoemde stoffen of, volgens een aspect van 20 voornoemde octrooiaanvragen, een* mengsel daarvan-. Echter leent een werkwijze voor het aanbrengen van. een. materiaal in vacuum zich niet voor een doorlopende bewerking, alleen omdat er tijd nodig is voor het trekken van het. vacuum, aanbrengen van de laag, opheffen van het vacuum en verwijderen 25 van de charge uit de kamer. Zulk een aanbrengen van een laag in vacuum is dan ook weinig geschikt voor de produktie van betrekkelijk goedkope fotocellen.

Een aspect van de octrooiaanvrage 80.00274 is het vermijden van het in vacuum aanbrengen van elektrische 30 kontakten op onder andere het voorvlak van een cel. Daar het aanbrengen van een laag tantaalpentoxide of. een andere ontspiegelingslaag op hetzelfde voorvlak gewoonlijk eveneens in vacuum geschiedt dient ook deze wijze van aanbrengen van de ontspiegelingslaag vermeden te worden. Welliswaar zijn 35 er andere bekende wegen voor het aanbrengen van de ontspiegelingslaag of tenminste uitvoerbare werkwijzen, bijvoorbeeld opslingeren, sproeien met een fijn mondstuk, bekleden met een raster,en dergelijke, vereisen ze allen een schoon en »nn 1784 -4- betrekkelijk glad oppervlak, waaraan de ontspiegelingslaag dient te hechten. Terwijl dus bijvoorbeeld het opslingeren een geschikte wijze is voor .het aanbrengen van de ontspiegelingslaag op een zonnecel, worden moeilijkheden ondervonden 5 indien de elektrische kontakten reeds op de cel zijn aangebracht enwel omdat het .te bekleden oppervlak is onderbroken door de opstaande kontakten. Bovendien dient na het aanbrengen .de ontspiegelingslaag bij .betrekkelijk: hoge .temperaturen, bijvoorbeeld 400-800°C, gebakken te worden teneinde het 10 tantaal in de bekledingsoplossing geheel te oxideren.. Bij zulke hoge temperaturen plegen de reeds aangebrachte metaal-kontakten veranderingen te ondergaan, hetgeen..±en koste kan gaan van de doelmatigheid van de cel, blijkbaar vanwege de beschadiging van de p-n overgang-15 Daar komt nog bij , dat, indien elektrische· kontakten, bijvoorbeeld aluminium, in de vorm-van een netwerk. of rooster., op een normale- wijze op het üchtontvangende oppervlak van een zonnecel, zelfs indien sulks, volgens de NOA 80.00274. door sproeien met een.boog of vlam geschiedt, 20 er een tegenstroom in de diode optreedt, hetgeen tot een verlaging van de spanning van de fotocel, pleegt te leiden. Door de elektrische kontakten bedekte oppervlakken van de zonnecel plegen een hoge.omkeerstroom te vertonen, zodat het kontaktoppervlak zo klein mogelijk gemaakt dient te worden, 25 bijvoorbeeld door het verschaffen van punt-kontakten tussen het metaal en het halfgeleidermateriaal. Op die wijze wordt de tegenstroom.verminderd.zonder de elektrische geleidbaarheid negatief te beinvloeden.

De uitvinding verschaft dan ook een zonne-30 cel en een vervaardigingswijze daarvoor, waarbij de ontspiegelingslaag op een andere wijze geschiedt dan door opdampen, hetgeen chargegewijs. dient te geschieden. Volgens de uitvinding geschiedt het aanbrengen van de ontspiegelingslaag, die bij hogere temperaturen dient te worden gebakken 35 ter volledige oxidatie van het bekledingsmétaal, voor het bekleden van het elektrische kontakt. Volgens nog een ander aspect van de uitvinding worden de elektrische kontakten op het oppervlak van de zonnecel aangebracht zonder van een 800 1 7 84 * -5- vacuum gebruik te maken, bij voorkeur zodanig, dat ze niet continu met het celoppervlak worden verbonden.

De werkwijze van de uitvinding bestaat uit het aanbrengen van een ontspiegelingsiaag op het lichtont-- 5 vangende oppervlak van de cel, bij voorkeur niet in vacuum, waarna op het beklede oppervlak deelt jes van een bij hoge temperatuur smeltend metaal op het beklede oppervlak worden gesproeid enwel vanaf zulk een ais tand en bij zulk een tempe--·. ratuur, dat de gesproeide deeltjes in aanraking komen met 10 de ontspiegelingsiaag, deze doordringen tot het silicium van de cel onder vorming van punt-kontakten met het silicium.

Indien het oppervlak, waarop- de ontspiege-lingslaag en de elektrische kontakten in de vorm van een . rooster of netwerk dienen te.worden aangebracht, het voor-15 vlak van de cel is dient de temperatuur, waarbij de deeltjes op de cel worden aangebracht, zodanig te zijn, dat. de daaronder gelegen. p-n overgang nagenoeg .niet wordtrbeschadigd.

Ook wordt in- zulk een overgang een.masker gebruikt voor het verschaffen-van de bekleding in een roostexpatroon. Een 20 geschikte wijze voor. het verschaffen .van een. masker is het aanbrengen van een verf of inkt op die delen van.de ont-spiegelingslaag, die niet in aanraking dienen te. komen met de warme deeltjes van het kontaktmateriaal. Bij deze uitvoeringsvorm, waarbij een negatief masker wordt gebruikt, 25 wordt het kontaktmateriaal.op de niet-geverfde delen van de ontspiegelingsiaag aangebracht en doordringt, het de laag tot de deeltjes in aanraking komen met het voorvlak van de cel. De onspiegelingslaag wordt bij voorkeur door spinnen aangebracht, verwarmd ter verwijdering van het. oplosmiddel 30 en dan gebakken teneinde de laag aan het celoppervlak te doen hechten en de oxidatie af te maken.

Van de verkregen fotocel is de ontspiege-lingslaag aan het lichtontvangende voorvlak gebonden. Bij voorkeur bestaat de ontspiegelingsiaag uit tantaalpentoxide.

35 Op en verbonden aan de onspiegelingslaag bevindt zich een rotor of netwerk van elektrisch geleidend materiaal, dat, in de vorm van van elkaar gelegen delen, zich over de gehele ontspiegelingsiaag uitstrekt en het lichtontvangende opper- -6- vlak van de cel raakt. Bij deze'constructie zijn ook de opstaande delen van de elektrische kontakten bij voorkeur niet bedekt met de ontspiegelingslaag. Zo wordt een cel verkregen, waarvan de omkeerstroom tot .een minimum wordt 5 beperkt, terwijl het aanbrengen van de onspiegelingslaag en de elektrische kontakten niet in vacuum .is. geschied.

De uitvinding· zal verder worden beschreven aan de hand van de in het volgende te noemen, tekeningen.

Figuur 1 is een perspectivisch aanzicht 10 van een wafel van silicium met daarop een .ontspiegelingslaag; ,

Figuur 2 is een perspectivisch aanzicht, gedeeltelijk afgebroken, van de wafel van figuur 1 met daarop een masker; 15 Figuur 3 toont de wafel, van figuur 2 met een elektrisch geleidend kontakt op de niet. net verf bedekte zones {figuur 2). na verwijdering van de verf? en

Figuur 4 is een doorsnedeaanzicht van een cel van de uitvinding -langs de lijn IV-IV van figuur *3.

20 Figuur 1 bevat een wafel 10 van silicium, waarop aan de voorzijde kontakten dienen te worden aangebracht, een siliciumwafel 11, waarin een p-n overgang (niet getekend) is gevormd. Op het gehele lichtontvangende voorvlak 12 van de wafel 10 is een ontspiegelingslaag 13 aangebracht.

25 Bij een gewenste uitvoeringsvorm van de uitvinding geschiedt het aanbrengen van de ontspiegelingslaag op een s linger schijf, waarbij een weinig vloeistof op een op de schijf bevestigde cel wordt gedruppeld en de schijf met een snelheid van circa 3000-4000 opm wordt geroteerd 30 onder achterlating van een gelijkmatige ontspiegelingslaag op het oppervlak van de cel. Voornoemde vloeistof is een oplossing, die onder de merknaam TA-151 van Allied Chemical Corp. is te betrekken. De ontspiegelingslaag wordt dan circa 15 seconden bij circa 9°C gedroogd en dan 60 seconden bij 35 circa 450°C gebakken teneinde al het tantaal in het handels-produkt in tantaalpentoxide om te zetten en de ontspiegelingslaag stevig aan het oppervlak van de wafel te doen hechten.

De optimale dikte van de ontspiegelingslaag bij gebruik van 8d0 1 7 84 -7- TA-151 (een tantaalhoudende oplossing) bedraagt 600 als-zijnde een kwart van de desbetreffende golflengte. Voor het verschaffen van voornoemde dikte dient driemaal geslingerd te worden. Hoewel het aanbrengen van de ontspiegelingslaag 5 door sproeien of,met een raster kan geschieden gaat de voorkeur uit naar het opslingeren/ vooral indien, als in dit. gevdl, het te bekleden oppervlak nagenoeg schoon en niet onderbroken (bijvoorbeeld door kontakten) is.

Ter vorming .van een elektrisch kontakt aan 10 de voorzijde van de cel in de vorm van_ een rooster of netwerk kunnen veel typen maskers gebruikt wordenr bijvoorbeeld een schaduwmasker of fotolithografisch- masker> In dit geval gaat de voorkeur uit naar het. gebruik van .een negatief raster, hetgeen wil zeggen, dat de verf of inkt op de- ontspie-15 gelingslaag 13 wordt aangebracht via een. raster ter. vorming van zones, die niet door het kontakt dienen te worden bedekt. Als. bij wijze van voorbeeld in figuur 2 getoond is. verf. .,· aangebracht op de ontspiegelingslaag 13 onder het daarop vormen van opstaande stroken 14 van verf-. Door hoog-, vlam-2Q of plasmasproeien wordt dan op dezelfde wijze als in NOA

80.00274 een elektrisch geleidend kontaktmateriaal, bij voorkeur aluminium, op de niet-bedekte .zones van de ontspiegelingslaag 13 aangebracht. Nadat het kontaktmateriaal is afgekoeld wordt de gehele wafel in een oplosmiddel voor de 25 verf, in dit geval aceton, gedompeld met het in figuur 3 getoonde resultaat. Het op de laag 13 aangebracht, kontaktmateriaal is bij wijze van voorbeeld in de vorm van langgerekte vingers 15, elk eindigend bij een collector-strook 16. Op die wijze is. een elektrisch kontakt gelegeerd of 30 tenminste verbonden met het een ontspiegelingslaag 13. bevattende oppervlak van de zonnecel.

In vorenstaande is als inkt of verf PR-1000 van Wornow Products gebruikt en als boogsproei-inrichting die van Tafa Thermal Spray Equipment. Het pistool is van 35 het model 375 EFS, de regelapparatuur van model 47-51 en de · energiebron van model 30-8A. De bewerking is geschiedt met een luchtdruk van 6,3 kg/cm en met een spanning en stroom-sterkte van resp. 38 volt en 25 ampère. Het aanbrengen is ο η n 4 7 0/.

-8- geschied door circa 20-30 maal sproeien gedurende telkens 1/5 sec. Gedurende het boogsproeien is het pistool op een afstand van circa 40,6-50,8 can van de cel gehouden.

Het resultaat is een zonnecel .17 (figuur 4), 5 waaraan slechts de achterkontakten en verbind .in gs draden ontbreken. De cel 17 bestaat dus uit een siliciumwafel 11 met een p-n overgang 18 in de buurt van het voorvlak 12.

In figuur 4 is de begrenzing van de collecteur 16 aangegeven met een stippellijn 19. Als op de figuur te zien dringen de 10 finger 15 enicfe collector. 16 op op afstanden van elkaar gelegen plaatsendoor de ontspiegelingslaag 13 heen onder vorming van punt-kontakten 20 met het voorvlak. 12. van de wafel 11.

Als eerder vermeld, is de wijze- van verproei-15 en ter verschaffing van de fingers 15 en de collector 16 op de ontspiegelingslaag-meer in bijzonderheden.in voomoemde octrooiaanvrage 80.Q0274 beschreven - Hoewel daarin aluminium als het gewenste materiaal wordt beschouwd kunnen ook andere elektrisch, geleidende materialen gebruikt worden. Het pistool, 20 waaruit de gesmolten metaaldeeltjes worden gesproeid, dient op een zodanig afstand van.de wafel, en de ontspiegelingslaag daarvan gehouden . te worden, dat het in figuur 4 afgeheelde resultaat wordt verkregen, welke afstand, wordt bepaald door het gebruikte materiaal en de temperatuur, tot 25 welke het materiaal wordt verwarmd.

Aangezien de Nederlandse octrooiaanvrage 80.00274 hierbij wordt betrokken, zal ze niet. in het geheel herhaald worden. Er wordt enkel opgemerkt,, dat uiteraard andere materialen dan aluminium voor de elektrische kontakten 30 gebruikt kunnen worden, evenals andere maskeringsmiddelen dan een verf. Voor de uitvinding is het echter van belang, dat het elektrisch geleidende kontaktmateriaal zich niet alleen aan de ontspiegelingslaag op het lichtontvangende voorvlak van de cel dient te hechten, doch ook voornoemde 35 laag geheel doordringt tot de siliciumwafel 11 van de cel.

Op die wijze wordt het elektrische kontaktmateriaal niet alleen stevig met de cel verbonden, doch is het ook niet bedekt met de ontspiegelingslaag, terwijl het op van elkaar 800 1 7 84 -9- gelegen plaatsen kontakt maakt met de siliciumwafel onder het verkleinen van de omkeerstroom. De ontspiegelingslaag en de voor-kontakten hoeven niet in vacuum te worden aangebracht, hoewel wat betreft de ontspiegelingslaag zulks niet hoeft 5 te worden uitgesloten. Het laatste geval wordt dan ook. beschouwd alszijnde bónnen het kader van de uitvinding te vallen.

Er wordt verder nog op gewezen,, dat de in vorenstaande beschreven uitvoeringsvormen vatbaar zijn voor 10 verbeteringen en modificaties, die binnen het.kader van de uitvinding vallen.

* 800 1 7 84

Claims (11)

1. Werkwijze voor het aanbrengen van een elektrisch geleidend kontakt op het van een ontspiegelings-laag voorziene lichtontvangende. oppervlak van een fotocel van silicium, gekenmerkt door het vormen van. deeltjes van 5 metaal bij een hogere temperatuur dan de legeringstemperatuur van het metaal en het silicium en het vexsproeien van de deeltjes in de richting van het oppervlak, enwel vanaf een zodanige afstand, dat de deeltjes in aanraking- komen met de ontspiégelingslaag, deze doordringen en. In elektrisch kon-10 takt komen met het lichtontvangende oppervlak.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat onder en dichtbij het lichtontvangende oppervlak van de cel zich een p-n overgang bevindt -en de deeltjes in aanraking komen met. het oppervlak en daarmee 15 een legering vormen bij een temperatuur,. waarbij . de deeltjes niet voldoende door het oppervlak dringen om. de p-n overgang noemenswaardig te beschadigen.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat een maskeringsmiddel.wordt gebruikt 20 teneinde de deeltjes in een patroon op de ontspiegelings-laag aan te brengen, dat een klein oppervlak van de laag bedekt.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het maskeringsmiddel bestaat uit een 25 verf, die op die zones van de ontspiégelingslaag wordt aangebracht, die niet in aanraking dienen te komen met de deeltjes.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het aanbrengen van de ontspiegelings-30 laag geschiedt door slingeren op een roterende schijf.

6. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het maskeringsmiddel bestaat uit een schaduwmasker.

7. Fotocel met een voorvlak voor het ont-35 vangen van licht, met het kenmerk, dat het voorvlak is bedekt en voor een groot gedeelte is verbonden met een ont-spiegelingslaag, een klein deel waarvan is bedekt met een 800 1 784 -11- elektrisch kontakt met delen, die dwars door de ontspiege-lingslaag heen lopen en via welke het elektrisch kontakt het lichtontvangende oppe^lak van. de cel raakt.

8. Fotocel volgens conclusie 7, 5 met het kenmerk, dat het elektrische kontakt bestaat uit lineaire segmenten, tenminste één waarvan op op bepaalde . afstanden van elkaar gelegen plaatsen in elektrisch kontakt is met het lichtontvangende oppervlak van de cal.

9. Fotocel volgens conclusie 8r 10 met het kenmerk, dat het kontakt aan. de bovenzijde .bloot: ligt en de ontspiegelingslaag op het kontakt aansluit, doch dit aan de bovenzijde niet bedekt.

10. Fotocel volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de ontspiegelingslaag" uit- tantaalpento-15 xide bestaat.

11. Inrichting, voorzien van-tenminste één. fotocel van conclusies 7-9 .of die, verkregen met de werkwijze van conclusies 1-6. a 800 1 7 84