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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Rückseitenkontakt-Solarzelle,
insbesondere Konzentratorsolarzelle, umfassend ein Halbleitersubstrat
mit einer einer Strahlung ausgesetzten Substratvorderseite und einer
Substratrückseite sowie auf der Substratrückseite
verlaufenden und gegeneinander isolierten Emitter- und Basiskontakten.
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Bei
herkömmlichen Solarzellen ist der Emitterkontakt meist
auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet. Es sind
jedoch auch Solarzellen bekannt, bei denen sowohl der Basiskontakt
als auch der Emitterkontakt auf der Substratrückseite angeordnet
sind. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Vorderseite durch
die Kontakte nicht abgeschattet wird, so dass der Wirkungsgrad gesteigert wird.
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Übliche
Konstruktionen, bei denen sowohl der Emitterkontakt als auch der
Basiskontakt auf der Rückseite verlaufen, sehen vor, dass
die Kontakte in parallel zueinander in zueinander beabstandeten Ebenen
verlaufen, die über den Isolationsschichten elektrisch
gegeneinander isoliert sind. Durch geeignete Öffnungen
in Isolationsschichten werden auf der Rückseite Bereiche
ausgebildet, um einen Plus- bzw. Minus-Pol zur Verfügung
zu stellen.
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Nachteilig
entsprechender Anordnungen sind die Isolationsschichten, die nicht
nur eine elektrische, sondern auch eine thermische Isolierung bewirken,
wodurch die Solarzellen unerwünscht aufgeheizt werden.
Dies ist insbesondere bei Konzentrator-Solarzellen von Nachteil.
Auch besteht das Risiko, dass durch das Ausbilden der Öffnungen
Kurzschlüsse entstehen.
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Eine
Rückseitenkontakt-Solarzelle ist aus der
DE-A-10 2005 040 871 bekannt,
bei der die Emitter- und Basiskontakte in parallel zueinander und
gegeneinander isolierten Ebenen verlaufen. Dabei werden die Emitterkontakte
mit in der Solarzelle frontseitig verlaufendem Emitterbereich über
in dem Halbleitersubstart insbesondere durch Laserbearbeitung hergestellte
Kanäle verbunden. Hierdurch bedingt ist ein unerwünschter
herstellungstechnischer Aufwand gegeben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, auf herstellungstechnisch
einfachem Wege eine Solarzelle der eingangs genannten Art auszubilden,
wobei sichergestellt sein soll, dass eine unerwünschte
Aufheizung unterbleibt und insbesondere eine Wärmeableitung
in Richtung der Rückseite z. B. einer Unterlage, die gekühlt
werden kann, ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe im Wesentlichen dadurch gelöst, dass sowohl
die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte jeweils mit zumindest
einem ersten Abschnitt in einer zur Rückseitenoberfläche
versetzt verlaufenden ersten Ebene und jeweils mit zumindest einem
zweiten Abschnitt in einer rückseitenoberflächenseitig
verlaufenden zweiten Ebene verlaufen, dass sich die ersten Abschnitte der
Emitterkontakte entlang der zweiten Abschnitte der Basiskontakte
und die zweiten Abschnitte der Emitterkontakte entlang der ersten
Abschnitte der Basiskontakte erstrecken und dass die jeweiligen ersten
Abschnitte der Emitter- und Basiskontakte außenseitig von
einer Isolierung abgedeckt sind.
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Erfindungsgemäß erfolgt
eine dreidimensionale Strukturierung der Rückseite der
Solarzelle wie Konzentrator-Solarzelle. Dabei wird in jeweilige
Bereiche der Rückseite die zu einer Polarität
entgegengesetzte Polarität in die Tiefe des Halbleitersubstrats versenkt
und durch eine Isolationslage abgedeckt und umgekehrt. Durch alternierende
Führung der Kon takte, d. h. Metallkontaktbahnen können
somit negative bzw. positive Kontaktflächen des Substrats zur
Verfügung gestellt werden.
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Dabei
sollten die Emitter- und Basiskontakte parallel zueinander verlaufen,
wobei die ersten Abschnitte der jeweiligen Kontakte in in der Substratrückseite
ausgebildeten Gräben verlaufen.
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Die
Substratrückseite kann des Weiteren in n-Bereichen mit
n ≥ 2 aufgeteilt sein, wobei von Bereich zu Bereich sowohl
die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte alternierend in der
ersten oder der zweiten Ebene verlaufen. Somit stellt jeder Bereich entweder
einen negativen bzw. positiven Anschluss bzw. eine Kontaktfläche
zur Verfügung, so dass im gewünschten Umfang die
Solarzelle verschaltet werden kann.
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Sind
sowohl die Emitterkontakte als auch die Basiskontakte leitend mit
dem rückseitigen Bereich des Halbleitersubstrats verbunden,
um die durch das interne elektrische Feld des Halbleitersubstrats
getrennten Ladungsträger abzuleiten, so besteht auch die
Möglichkeit, dass die Emitterkontakte gegenüber dem
Halbleitersubstrat isoliert sind und elektrisch leitend mit substratvorderseitig
verlaufendem Emitterbereich des Halbleitersubstrats verbunden sind.
Dabei kann die Verbindung zwischen dem Emitterbereich und den Emitterkontakten über
das Halbleitersubstrat durchsetzende Löcher oder außenseitig
entlang des Halbleitersubstrats über entsprechende Verbinder
erfolgen.
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Auch
besteht die Möglichkeit, parallel zu Emitter- und Basiskontakten
interne Schutzdioden zu schalten.
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Durch
die erfindungsgemäße Lehre wird im Vergleich zu
den Rückseitenkontakt-Solarzellen, in denen die Kontakte
durch entlang einer oder nahezu entlang der gesamten Rückseite
verlaufende Isolationsschichten getrennt sind, weniger Isolationsschichtfläche
benötigt, so dass sich infolgedessen eine bessere Wärmeleitung
und damit Ableitung ergibt.
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Auch
ist es nicht erforderlich, dass die Isolationslagen durchlöchert
werden, um die erforderliche elektrisch leitende Verbindung herzustellen,
wodurch die Gefahr von Kurzschlüssen besteht.
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Die
erfindungsgemäße Lehre ist gleichermaßen
für Wrap-Around und Wrap-Through-Solarzellen geeignet,
gleichwenn bevorzugterweise der pn-Übergang im Bereich
der mit dem Halbleitersubstrat elektrisch leitend verbundenen Kontakte
verläuft.
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Als
Solarzellen kommen Silicium-Solarzellen, III-V-Halbleiter- aber
auch II-VI- oder I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen in Frage.
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Die
Solarzellen können problemlos auf Substrate wie Keramik
oder Glas aufgebracht werden, um eine gewünschte Wärmeableitung
zu erzielen. Eine zusätzliche Kühlung ist gleichfalls
möglich.
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Zur
Herstellung von Solarzellen mit erfindungsgemäß dreidimensional
strukturierten Kontakten sind nachstehende Verfahrensschritte hervorzuheben:
- – dreidimensionale rückseitige
Strukturierung eines Substrats wie Silicium durch photolithographisch
maskiertes Ätzen von Gräben, die z. B. typischerweise
15 μm Tiefe und typischerweise 10 μm Breite aufweisen,
- – Einbringen von n-leitenden Dotierstoffen zur Herstellung
z. B. eines elektrischen Feldes durch eine photolithographisch strukturierte
Diffusionsmaske. (hierbei kann es sich um Linien- oder Punktöffnungen
von z. B. 3 μm handeln),
- – Einbringen von p-leitenden Dotierstoffen zur Erzeugung
von z. B. eines pn-Übergangs durch eine photolithographisch
strukturierte Diffusionsmaske (Linien- oder Punktöffnungen
von z. B. 3 μm),
- – Aufbringen eines photolithographisch strukturierten
Kontaktes auf der Rückseite, der Pluspol- und Minuspolkontaktfinger
ausbildet (Kontaktfingerbreite z. B. 6 μm),
- – Bedeckung bzw. Isolation der Kontaktfingerbereiche,
die sich in Gräben befinden mit z. B. Polyamid (Dicke der
Isolation z. B. 3 μm).
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht
nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich
und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden
Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Solarzelle in perspektivischer Darstellung,
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2 eine
Prinzipdarstellung eines Schnitts der Solarzelle gemäß 1 im
Bereich des Plus-Pols,
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3 eine
Prinzipdarstellung eines Schnitts der Solarzelle gemäß 1 im
Bereich des Minus-Pols,
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4 eine
Unteransicht einer ersten Ausführungsform einer Solarzelle,
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5 eine
Unteransicht einer zweiten Ausführungsform einer Solarzelle
und
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6 eine
weitere Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen
Solarzelle im Schnitt.
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Der 1 ist
eine Prinzipdarstellung einer Solarzelle 10, insbesondere
Konzentratorsolarzelle zu entnehmen, die einen üblichen
Aufbau aufweisen kann, also als eine Siliciumsolarzelle, eine III-V-Halbleitersolarzelle,
eine II-VI-Halbleitersolarzelle oder z. B. eine I-III-VI-Halbleitersolarzelle
sein kann. Die Solarzelle 10 weist ein Substrat 12 mit
pn-Übergang auf, um ein internes elektrisches Feld zu erzeugen,
um die durch die auffallende Strahlung erzeugten Elektronen und
Löcher zu trennen, damit diese über die Emitter-
bzw. Basiskontakte 14, 16 abgeleitet werden können.
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Erfindungsgemäß handelt
es sich bei der Solarzelle 10 um eine Rückseitenkontakt-Solarzelle,
d. h. die Emitter- und Basiskontakte 14, 16 verlaufen entlang
der Rückseite 18. Auf die gegenüberliegende Vorderseite 20 fällt
sodann die Elektronen-Löcher-Paare erzeugende Strahlung.
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Erfindungsgemäß wird
die Rückseite 18 in einen eine p-Polarität
darstellenden, also einen Plus-Pol bildenden Bereich 22 und
eine n-Polarität, also Minus-Pol bildenden Bereich 24 unterteilt,
die im Ausführungsbeispiel die Rückseite 18 in
zwei gleich große Flächen aufteilen. Die Plus-
bzw. Minus-Polflächen 22, 24 können
sodann im gewünschten Umfang verschaltet werden.
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Erfindungsgemäß werden
zur Erzeugung der Bereiche 22, 24 Gräben 26, 28, 30, 32 in
der Rückseite 18 z. B. durch Ätzen und
Maskentechnik ausgebildet, wobei die Gräben 26, 28, 30, 32 sich
jeweils über die Breite eines der Bereiche 22, 24 erstrecken
und jeweils Aufnahme für erste Abschnitte der Emitter-
bzw. Basiskontakte 14, 16 bilden, die in dem angrenzenden
Bereich mit zweiten Abschnitten entlang der Oberseite 19 der
Rückseite 18 der Solarzelle 10 verlaufen.
Die parallel zueinander verlaufenden Basis- und Emitterkontakte 14, 16,
die über die gesamte Länge der Rückseite 18 verlaufen,
sind demzufolge in einem Bereich in einem Graben verlaufend und
in dem anderen Bereich sich auf der Oberfläche der Rückseite 18 erstreckend
angeordnet. Dies vermittelt die 1.
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So
ist erkennbar, dass z. B. der Emitterkontakt 14 in dem
Bereich 22 auf der Rückseite 18 in dem
Graben 30 verläuft, um sodann in dem Bereich 24 der
Rückseite 18 auf der Oberfläche zu verlaufen, um
so den gewünschten Anschluss als Minus-Pol auszubilden.
Der Abschnitt – auch erster Abschnitt 34 genannt – des
Emitterkontakts 14, der in dem Graben 30 verläuft,
wird sodann mit einer Isolierschicht abgedeckt. Der verbleibende
entlang des Bereichs 24 verlaufende Abschnitt – auch
zweiter Abschnitt 36 genannt – ist freiliegend
entlang der Oberfläche 19 der Rückseite 18.
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Entsprechend
verläuft der Basiskontakt 16 mit einem ersten
Abschnitt 38 in dem Graben 28, um sodann in dem
Bereich 22 der Rückseite 18 mit einem
zweiten Abschnitt 40 auf der Oberseite 19 der Rückseite 18 der
Solarzelle 10 zu liegen. Entsprechend wird auch der Graben 28 mit
einer Isolationsschicht abgedeckt, so dass infolgedessen die unmittelbar
nebeneinander verlaufenden Emitter- und Basiskontakte bzw. deren
ersten und zweiten Abschnitte gegeneinander elektrisch isoliert
sind.
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Unterhalb
der Emitter- bzw. Basiskontakte 14, 16 verläuft
in gewohnter Weise ein n+- bzw. p+-dotierter Bereich des Halbleitersubstrats 12,
wie sich aus der 1 ergibt.
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Mit
anderen Worten verlaufen sowohl die Emitterkontakte 14 als
auch die Basiskontakte 16 jeweils mit zumindest einem ersten
Abschnitt 34 bzw. 38 in einer zur Rückseitenoberfläche
versetzt verlaufenden Ebene, die durch den Boden des jeweiligen Grabens 30 bzw. 28 aufgespannt
wird, und jeweils mit zumindest einem zweiten Abschnitt 36, 40 in
einer von der Rückseitenoberfläche 19 gebildeten zweiten
Ebene, wobei sich der jeweilige erste Abschnitt 34 des
Emitterkontakts 14 entlang des jeweiligen zweiten Abschnitts 38 des
Basiskontakts 16 und der jeweilige zweite Abschnitt 36 des
Emitterkontakts 14 entlang des jeweiligen ersten Abschnitts 38 des Basiskontakts 16 erstrecken
und der jeweilige erste Abschnitt 30, 38 jeweils
von einer elektrischen Isolierung abgedeckt ist.
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Dabei
ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Rückseite
in zwei Bereiche aufgeteilt wird, die eine n-Polarität 24 bzw.
eine p-Polarität 22 zur Verfügung stellen,
wie sich dies auch aus der Rückseitenansicht der 2 ergibt.
Vielmehr kann die Rückseite in mehrere Bereiche aufgeteilt
werden, die in gewünschtem Umfang eine n- bzw. p-Polarität,
also einen Minus- bzw. Plus-Pol einer Solarzelle bilden. Dies wird
anhand der 5 verdeutlicht. So ist eine Rückseite 40 einer
Solarzelle in zwei äußere Bereich 42, 44 mit
p-Polarität und einen mittleren Bereich 46 mit
n-Polarität bzw. Kontakt unterteilt, wobei die Emitter-
bzw. Basiskontakte in den einzelnen Bereichen in Längsrichtung
alternierend in Gräben bzw. entlang der Oberseite der Rückseite 40 der
Solarzelle in zuvor erläuterter Weise verlaufen.
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Die 2 und 3 stellen
Prinzipschnittdarstellungen der Solarzelle gemäß 1 dar,
um zu verdeutlichen, dass im Bereich 22, also dem Plus-Kontakt
der Solarzelle 10 die zweiten Abschnitte 40 der
Basiskontakte 16 entlang der Oberseite 19 die
Rückseite der Solarzelle 10 verlaufen, wohingegen
die in dem Bereich 22 hierzu benachbarten Emitterkontakte 14 mit
ihren zweiten Abschnitten 34 in den Gräben 30 zurückversetzt
zu der Oberseite 16 angeordnet sind, wobei die Gräben 30 mit
einem Isolationsmaterial verschlossen sind.
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Unterhalb
der ersten und zweiten Abschnitte 34, 40 sind
sodann entsprechend dotierte n+- bzw. p+-Bereiche ausgebildet, wie dies prinzipiell
angedeutet ist.
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Ist
in 3 ein Schnitt durch den Bereich 22 der
Solarzelle 10 dargestellt, so spiegelt die Schnittdarstellung
gemäß 2 den Bereich 24 wider,
so dass die zuvor erfolgten Erläuterungen entsprechend gelten
mit der Einschränkung, dass die zweiten Abschnitte 38 der
Basiskontakte 16 in den Gräben und die ersten
Abschnitte 36 der Emitterkontakte 14 entlang der
Oberseite 19 des Substrats 12 verlaufen.
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Die 6 soll
eine weitere Ausführungsform einer Solarzelle 50 vermitteln,
bei der ebenfalls die Emitter- und Basiskontakte, von denen der
Strom abgegriffen wird, entlang der Rückseite 52 angeordnet sind.
Allerdings verläuft der Emitterbereich der Solarzelle 50 im
Bereich der Vorderseite 54 und weist Vorderseitenkontakte 56 auf,
die über einen Verbinder 58 mit den Emitterkontakten 60 auf
der Rückseite 52 verbunden sind. Ein entsprechender
Verbinder 58 ist rein beispielhaft in der zeichnerischen
Darstellung wiedergegeben.
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Bei
dieser Konstruktion sind die Emitterkontakte 60 auf einer
Isolationsschicht 62 positioniert, die auf der Rückseite 52 verläuft.
Unabhängig hiervon sind jedoch die Emitterkontakte 60 und
die parallel unmittelbar benachbart zu diesen verlaufenden Basiskontakte 64 ebenfalls
abschnittsweise in verschiedenen Ebenen verlaufend angeordnet, also
entweder in Gräben oder entlang der Oberseite der Isolationsschicht – dies
gilt für die Emitterkontakte 60 – oder des
Substrats 66 der Solarzelle 10. In diesem Bereich
ist die Isolationsschicht 62 unterbrochen.
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Mit
anderen Worten stellt die Isolationsschicht 62 sicher,
dass die Emitterkontakte 60, die mit den Front- bzw. Vorderseitenkontakten 56 elektrisch leitend
verbunden sind, nicht unmittelbar elektrisch leitend auf dem Substrat 66 angeordnet
sind.
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Des
Weiteren besteht die Möglichkeit, dass von Emitter- bzw.
Basiskontakten 68, 70 Anschlüsse 72, 74 ausgehen, über
die Schutzdioden für die Solarzelle 50 verschaltet
werden. Insoweit wird jedoch auf bekannte Konstruktionen insbesondere
hinsichtlich des Aufbaus und der Funktion der Schutzdiode verwiesen.
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Entsprechende
Konstruktionen, wie diese der 6 zu entnehmen
sind, sind insbesondere für III-V-Halbleiter-Solarzellen
geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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