DE10297371T5

DE10297371T5 - Vorrichtung und Verfahren für eine integrale Bypassdiode in Solarzelle

Info

Publication number: DE10297371T5
Application number: DE10297371T
Authority: DE
Inventors: Paul R. Albuquerque Sharps; Daniel J. Cedar Crest Alken; Doug Albuquerque Collins; Mark A. Albuquerque Stan
Original assignee: Emcore Corp
Current assignee: Solaero Solar Power Inc
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2005-05-19
Also published as: US20100224239A1; AU2002365270A8; EP1440480B1; JP2005514763A; JP4119844B2; AU2002365270A1; ATE410789T1; EP2017894A3; US20040149331A1; US6680432B2; US20030075215A1; DE60229279D1; US8263855B2; EP1440480A2; EP2017894A2

Abstract

Ein Solarbauelement, das Folgendes aufweist:
ein Substrat;
eine Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur mit wenigstens ersten, zweiten und dritten Subzellen, die über dem Substrat abgeschieden sind;
eine seitliche Leitungsschicht, die wenigstens über einem Teil der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur abgeschieden ist; und
eine Bypassdiode mit p-Typ-, i-Typ- und n-Typ-Schichten, die über der seitlichen Leitungsschicht abgeschieden sind.

Description

Die Anmeldung ist eine "continuation-in-part" der US-Anmeldung Nr. 09/999,598 mit dem Titel "An Apparatus and Method for Optimizing the Efficiency of a Bypass Diode in Solar Cells" vom 24. Oktober 2001.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Halbleiterbauelementen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf photoelektrische bzw. photovoltaische Solarzellen.

Ausgangspunkt

Photoelektrische Zellen, die auch als Solarzellen bezeichnet werden, sind eine der wichtigsten neuen Energiequellen, welche in den letzten Jahren verfügbar geworden sind. Ein erheblicher Aufwand wurde in die Entwicklung von Solarzellen gesteckt. Infolgedessen werden Solarzellen derzeitig in einer großen Anzahl von Handelsüblichen und konsumerspezifischen Anwendungen verwendet. Während erhebliche Fortschritte auf diesem Gebiet gemacht wurden, hat die Anforderung an die Solarzellen die Bedürfnisse von höher entwickelten Anwendungen zu erfüllen mit der Nachfrage nicht Schritt gehalten. Anwendungen, wie beispielsweise Satelliten, die in Mobilfunk und Telefonkommunikationen verwendet werden, haben drastisch die Anforderungen für Solarzellen mit Verbesserten Leistungs- und Energieumwandlungscharakteristika erhöht.

Bei Satelliten und anderen Weltraumanwendungen, sind die Größe, Masse und Kosten eines Satelliten-Energie- bzw. Leistungssystems abhängig von der Leistung und der Energieumwandlungseffizienz der verwendeten Solarzellen. Anders ausgedrückt, sind die Größe der Nutzlast und die Verfügbarkeit von an Bord befindlichen Diensten proportional zur Größe der vorgesehenen Leistung. Wenn die Nutzlasten anspruchsvoller bzw. höher entwickelt werden, dann werden die Solarzellen, welche als die Leistungsumwandlungseinrichtungen für die sich an Bord befindlichen Leistungssysteme dienen immer wichtiger.

Solarzellen werden häufig in einem Array bzw. einer Anordnung verwendet, einer Anordnung von Solarzellen, die zusammen in Serie geschaltet sind. Die Form und Struktur eines Arrays, sowie die Anzahl der Zellen die es enthält, werden teilweise durch die gewünschte Ausgangsspannung und den Strom bestimmt.

Wenn Solarzellen in einem Array Sonnenlicht empfangen oder beleuchtet werden, wird jede Zelle in Durchlassrichtung vorgespannt. Wenn jedoch irgendeine der Zellen nicht beleuchtet wird, in Folge einer Abschattung oder einer Beschädigung, dann können diese abgeschatteten Zellen dazu gebracht werden in Sperrrichtung vorgespannt zu werden, um den durch die beleuchteten Zellen erzeugten Strom zu tragen bzw. zu befördern. Diese Vorspannung in Sperrrichtung kann die Zellen verschlechtern und die Zellen schlussendlich inoperabel machen. Um eine Vorspannung in Sperrrichtung zu verhindern, wird häufig eine Diodenstruktur implementiert.

Der Zweck der Bypassdiode ist das Wegziehen von Strom von der abgeschatteten oder beschädigten Zelle. Der Bypass wird in Durchlassrichtung vorgespannt, wenn die abgeschattete Zelle in Sperrrichtung vorgespannt wird. Statt einen Strom durch die abgeschattete Zelle hindurchzuzwingen zieht die Diode den Strom von der abgeschatteten Zelle weg und behält die Verbindung zu der nächsten Zelle bei.

Eine übliche Bypassdiode ist üblicherweise mit dem äußeren einer Solarzellenanordnung verbunden. Ein Problem, das mit dieser Art Bypassdiode assoziiert ist, liegt darin, dass sie schwer herzustellen ist und weniger verlässlich ist, da die äußere Anbringung durch den Monteur bzw. die Zusammenbaueinheit für das Array bzw. die Anordnung statt dem Zellenhersteller durchgeführt wird.

Ein weiteres herkömmliches Verfahren zum Schutz der Solarzelle ist das Plazieren einer Bypassdiode zwischen benachbarten Zellen, wobei die Anode der Bypassdiode mit einer Zelle verbunden ist und die Katode der Diode mit einer benachbarten Zelle verbunden ist. Ein Problem, das mit dieser Technik assoziiert ist, liegt jedoch darin, dass sie den Herstellungsvorgang erschwert und den Zusammenbau des Solarzellenarrays erschwert.

Eine dritte Technik zum Schutz der Solarzelle umfasst das Ausbilden einer Ausnehmung an der Solarzellenstruktur und das Plazieren einer Bypassdiode in der Ausnehmung. Infolge der Zerbrechlichkeit der Zellen ist diese Technik schwierig in einer Fertigungsstraße zu implementieren. Zusätzlich müssen die benachbarten Zellen mit der Diode verbunden werden durch die Monteure bzw. die Zusammenbaueinheiten für das Array.

Was somit benötigt wird, ist ein Mechanismus und ein Verfahren zum Verbessern der Effizienz und der Leistung von Bypassdioden in Mehrfachübergangs-Solarzellenstrukturen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Solarbauelement mit einer Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur mit einer Bypassdiode ist offenbart. Die Bypassdiode sieht einen Schutz gegenüber einer Sperrvorspannung für die Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur vor. In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur ein Substrat, eine Bodenzelle, eine Mittelzelle, eine obere Zelle, eine Bypassdiode, eine seitliche Verbindungsschicht und einen Nebenschluss. Eine seitliche Verbindungsschicht ist über die obere Zelle hinweg abgeschieden. Die Bypassdiode ist über der seitlichen Verbindungsschicht abgeschieden. Eine Seite des Nebenschlusses ist mit dem Substrat verbunden und eine andere Seite des Nebenschlusses ist mit der seitlichen Verbindungsschicht verbunden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die Bypassdiode eine i-Schicht zum Verbessern der Diodenleistung.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung, den Figuren und den nachfolgenden Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung ergibt sich noch deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche jedoch nicht dazu dienen sollen, die Erfindung auf die speziellen Ausführungsbeispiele zu beschränken, sondern nur zur Erklärung und zum besseren Verständnis vorgesehen sind; in den Zeichnungen zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einer Mehrtachübergangs-Solarzelle nach der Beendigung aller Prozessschritte, welches den Aufbau eines solchen Ausführungsbeispiels darstellt;
2 die zwei Pfade, die der Strom in der Zelle gemäß 1 nehmen kann bei Vorgabe eines bestimmten Satzes von Umständen;
3 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einer Mehrfachübergangs-Solarzelle, vor jeglichen Prozessschritten;
4 einen ersten Prozessschritt, der verwendet wird zum Aufbau eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 die zweiten und dritten Prozessschritte, die verwendet werden zum Aufbauen eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
6 ein Blockdiagramm, das eine schematische Schnittdarstellung zeigt, welche eine Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur mit einer Bypassdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ein Logikdiagramm, das eine Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur und eine Bypassdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ein Blockdiagramm, das eine detaillierte schematische Schnittansicht zeigt, welche eine Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur mit einer Bypassdiode und einem Nebenschluss gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
9A bis 9E Blockdiagramme, welche einen Herstellungsprozess einer Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur mit einer Bypassdiode und einem Nebenschluss gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
10 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur mit einer Bypassdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Ein Verfahren und eine Vorrichtung einer Solarzelle mit einer Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur mit einer Bypassdiode mit einer i-Schicht werden beschrieben.
In der folgenden Beschreibung werden zum Zwecke der Erklärung zahlreiche spezifische Details angegeben, um ein gründliches Verständnis der Erfindung vorzusehen. Es wird sich dem Fachmann jedoch ergeben, dass diese speziellen Details nicht notwendig sind zur Durchführung der Erfindung. In anderen Fällen sind bekannte Schaltungen und Bauelemente in Blockdiagrammform gezeigt, um zu verhindern, dass die vorliegende Erfindung unklar wird.
Es sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung Transistorschaltungen enthalten kann, die leicht herstellbar sind unter Verwendung bekannter CMOS ("Komplementäre Metalloxid Halbleiter"/"complementary metal-oxid semiconductor") Technologie oder anderen Halbleiterherstellungsprozessen. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung mit anderen Herstellungsprozessen für die Herstellung digitaler Bauelemente implementiert werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mehrfachübergangs-Solarzelle mit wenigstens einer integralen monolithischen Bypassdiode. Die Schichten, welche die Solarzelle aufweisen, sind insbesondere ausgewählt für ihre Kombination hinsichtlich Effizienz und Herstellbarkeit. Wie nachfolgend beschrieben wird, besteht ein Ausführungsbeispiel aus einer Mehrfachübergangs-Struktur mit wenigstens drei Übergängen mit einer einzigartigen modifizierten Pufferstruktur.
Der Prozess zur Herstellung der Solarzelle mit einer integralen monolithischen Bypassdiode ist aus fünf deutlichen Schritten aufgebaut, die nachfolgenden Beschrieben werden.
1 ist eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, einer monolithischen Solarzelle mit einer integralen Bypassdiode. 2 ist eine Serie von schematischen Zeichnungen von zwei möglichen Strompfaden durch die Zelle.
1 zeigt eine Mehrfachübergangs-Solarzelle 100 mit einer Zelle aus Indium Gallium Phosphor (InGaP) 101 und einer Zelle aus Galliumarsenid (GaAs) 102 über einem GaAs-Puffer 103 auf einem Germanium-(Ge)-Substrat 104. Wenn die Solarzelle 100 beleuchtet wird, werden sowohl eine Spannung als auch ein Strom erzeugt. 2A repräsentiert die Solarzelle, wie sie in 4 zu sehen ist ohne die Metallisierung 107 und die nachfolgend beschriebene seitliche Leitungsschicht 113. Wenn die Solarzelle beleuchtet wird, gibt es keine Barriere für den Strom, der durch den Zellenpfad 201 durch die Schichten der Solarzelle strömt, den Ge-Übergang 104, den GaAs-Übergang 102 und den InGaP-Übergang 101.
Wenn die Solarzelle 100 jedoch kein Sonnenlicht empfängt, entweder infolge einer Abschattung durch eine Bewegung des Satelliten oder infolge einer Beschädigung der Zelle, dann besteht entlang des Zellenpfades 201 ein Widerstand. Da Solarzellen in einem Array angeordnet sind muss Strom von beleuchteten Zellen durch abgeschirmte bzw. abgeschattete Zellen hindurchgehen. Wenn es keine Diode gäbe, würde der Strom sich einen Weg durch den Zellenpfad 201 erzwingen, wodurch die Vorspannung der Zellen umgekehrt wird und die Zellen verschlechtert, wenn nicht gar zerstört würden.
Wenn die Zelle jedoch eine Diode enthält, kann dem Strom ein alternativer Parallelpfad 202 angeboten werden und die abgeschattete Zellen werden erhalten. Das Problem mit diesem Konzept war die Schwierigkeit bei der Erzeugung einer Diode, die relativ einfach herzustellen ist und die ein sehr geringes Spannungsniveau zum Anschalten und Betreiben verwendet. Die hier beschriebene Erfindung löst diese Probleme.
Wenn eine Zelle abgeschattet wird oder auf andere Weise kein Sonnenlicht erhält, dann muss, damit der Strom den Diodenpfad 202 wählt, die Anschaltspannung für den Diodenpfad 202 kleiner sein als die Durchschlagsspannung entlang des Zellenpfades 201. Die Durchschlagsspannung entlang des Zellenpfades wird typischerweise wenigstens 5 Volt wenn nicht gar mehr betragen. Der Schottky-Kontakt 403 erfordert eine relativ geringe Spannungsgröße zum "Anschalten" – 600 Millivolt. Um jedoch durch den Ge-Übergang 104 hindurchzugehen muss die Vorspannung des Ge-Übergangs 104 umgekehrt werden, was eine große Spannung erfordert. Das Umkehren der Vorspannung des Ge-Übergangs 104 erfordert ungefähr 9,4 Volt, so dass annähernd 10 Volt notwendig sind, damit der Strom dem Diodenpfad 202 in 2A folgt. 10 Volt, die zum Umkehren der Vorspannung des Ge-Übergangs verwendet werden bedeutet, dass 10 Volt weniger vorhanden sind, die ansonsten für andere Anwendungen verfügbar wären. Die durch 4 dargestellte Vorrichtung ist daher zwar eine funktionierende Bypassdiode, aber eine ineffiziente aus einer Leistungsverwertungsperspektive.
Um diese Ineffizienz anzusprechen, wird während des Metallisierungsprozesses, bei dem die Titangold-(TiAu)-Kontakte 109, 110 zu der Solarzelle hinzugefügt werden eine zusätzliche Metallschicht 107 ebenfalls hinzugefügt. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Metall TiAu, obwohl der Fachmann erkennen kann, das andere Metalle auch verwendet werden können.
Der Effekt des Metalls 107 ist das "Kurzschließen" des Ge-Übergangs 104 zur Basis der Ge-Zelle 104. Infolge des Kurzschlusses ist eine minimale Spannung erforderlich, um einen Strom zwischen der Schicht 113 und dem Ge-Substrat hindurchzuleiten. Es ist nicht länger eine hohe Spannung erforderlich, um den Strom durch den Ge-Übergang 104 hindurch zu zwingen. Der Strom fließt leicht durch den "Kurzschlusspfad" 107. 2B sieht eine schematische Darstellung vor. Wenn die Solarzelle abgeschattet ist, wird die Zelle nicht länger in Sperrrichtung vorgespannt, um den Strom der Array- bzw. Anordnungskette hindurchzuleiten. Es gibt einen Pfad mit einem geringeren Widerstand, der einen viel geringeren Spannungsabfall für den Strom erfordert, um durch die Bypassdiode 202 hindurchzugehen. Mit dem Hinzufügen der Metallisierung 107 wird die Ge-Zelle 104 kurzgeschlossen. Infolgedessen trifft der Strom statt einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode mit einer 9,4 Volt Anschaltspannung einen ohmschen Widerstandspfad, der durch den Widerstand 204 dargestellt ist.
Die Schicht ist auf ungefähr 7 bis 8 mal 10¹⁷ cm³ dotiert, um zwei Dinge zu bewirken. Zunächst reduziert dies den Kontaktwiderstand der Metallschicht 107 und ferner sieht es eine Pfad mit niedrigem Widerstand für die seitliche Leitungsschicht vor. Ohne die seitliche Leitungsschicht beträgt der Widerstand an dem Widerstand 204 ungefähr 20 Ohm. 20 Ohm repräsentiert eine erhebliche Senke für den Strom der Solarzelle. Um diesen Widerstand zu verringern, wird eine seitliche Leiterschicht 113 zu der Solarzelle hinzugefügt. 2C repräsentiert die Strompfade in der Solarzelle wie sie in 1 dargestellt sind. Wenn die Solarzelle abgeschattet ist, dann fließt der Strom zu dem Widerstand 204. Infolge der Gegenwart der seitlichen Leitungsschicht 113 kann der Widerstand an dem Widerstand so klein sein, wie beispielsweise 0,4 Ohm.
Der Herstellungsprozess für die Solarzelle 100 weist fünf Schritte auf. 3 zeigt eine Mehrfachübergangs-Solarzelle 100 und die Bauelemente: die Mehrfachübergangs-Struktur 301 und die Pufferstruktur 302. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine obere Zelle aufgebaut aus einem n-auf-p InGaP₂ 101 aufgewachsen über einer Zelle aus n-auf-p GaAs 102. Ein dritter diffundierter Ge-Übergang 104 wird gebildet durch Diffusion von As während des Wachstums der Pufferschicht 103.
Ein Puffer existiert zwischen den oberen Übergängen in der Solarzelle und dem Ge-Substrat 104, da die oberen Übergänge aus einem III–V Material hergestellt sind und die gesamte Zelle auf ein Ge-Substrat 104 aufgewachsen ist. Ge ist ein Gruppe IV Element, so dass es unterschiedliche Gitterparameter besitzt als Gruppe III–V Elemente. Eine Gitteranpassung ist unter Fachleuten ein allgemein akzeptierter Weg zum Erhöhen der Effizienz einer Solarzelle und es folgt, dass eine fehlende Gitteranpassung die Gesamteffizienz der Zelle verringert. Um eine Gitteranpassung zu erreichen, wird eine Pufferschicht in dem Herstellungsprozess eingefügt; üblicherweise ist es eine dicke Schicht aus GaAs, die über dem Ge-Substrat aufgewachsen wird. Ein Gitter einer InGaP-Schicht passt viel besser mit einer GaAs-Schicht zusammen, als mit einer Ge-Schicht.
Die Pufferstruktur 302 ist aus dem Folgenden aufgebaut: einem InGaP-Schottky Kontakt 303 als die obere Schicht der Pufferstruktur 302. Diese wird später die Schottky Diode bilden. Die Pufferstruktur 302 ist auch aus einem zusätzlichen Ätzanschlag 304 aufgebaut. Der Ätzanschlag 304 ermöglicht, dass das Bauelement leichter hergestellt werden kann. Beim "Nass-Ätzen" erzeugt der Ätzanschlag Barrieren während der Behandlung, welche die Bildung der Bypassdiode fördern. Die seitliche Leiterschicht 113 existiert in dieser Pufferschicht zum effizienteren Führen des Stroms aus der Diode, wie oben beschrieben. Wie in 4 dargestellt ist, ist der erste Schritt bei dem Herstellungsprozess die Durchführung eines "Nass-Ätzens" das in die Zelle 100 hineingeht und an der InGaP-Schicht 403 endet.
Ein TiAu-Kontakt 110 wird auf der InGaP-Schicht 403 ausgebildet. Ein TiAu-Kontakt 109 wird auf der Oberseite der Zelle ausgebildet zur Herstellung eines ohmschen Kontakts mit der n⁺-GaAs-Schicht 112. Der TiAu-Kontakt 110 auf der InGaP-Schicht 403 bildet einen Schottky Kontakt, der nicht ohmisch ist. Mit anderen Worten bilden ein solcher Kontakt 403 und der TiAu-Kontakt 110 statt wie ein Widerstand auszusehen eine Diode.
Der zweite Schritt bei dem Herstellungsprozess ist in 5 dargestellt. 5 zeigt eine "Mesa-Ätzung" 501 bis zu dem Niveau der Ge-Zelle 104. Der Hauptzweck dieses Schritts liegt in der Erzeugung einer echten Diode 106 durch elektrisches Isolieren der Übergänge 105 innerhalb der Solarzelle von der Diode 106. Wenn die gesamte Solarzelle hergestellt wird und die Metallkontakte verbunden und die Zelle verpackt wird, liegen die Zelle 105 und die Diode 106 parallel, jedoch elektrisch voneinander getrennt.
Der dritte Schritt ist eine "Kurzschluss- bzw. Nebenschluss-Ätzung" 502, welche einen "Absatz" vorsieht, auf dem das Metall 107 in dem nächsten Schritt aufgebracht wird. Um Ätzungen in der Mitte des Herstellungsvorgangs durchzuführen ohne Ätzstopps bzw. Ätzanschläge zwischen den Schichten müsste man eine "winzige bzw. exakte Ätzung" durchführen, welche in diesem Fall schwierig mit einem gewissen Grad an Genauigkeit einzusetzen wäre. Der Ätzstopp 304 erlaubt dass die Solarzelle effizienter hergestellt wird.
Der vierte Schritt ist der Metallisierungsprozess. Die Ti-Au-Kontakte 109, 110 werden hinzugefügt und die Metallschicht 107 wird hinzugefügt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Metall, das die Schicht aufweist TiAu. Wo der TiAu-Kontakt 110 die InGaP-Schicht 403 trifft wird ein Schottky Kontakt erzeugt.
An dem TiAu-Kontakt 109 auf der Oberseite der Zelle bildet TiAu einen ohmschen Kontakt zu dem GaAs 112 des n-Typs. Dies ist für den Fachmann eine herkömmliche Zellenleitung für diesen Typ Zelle. Mit dem TiAu-Kontakt 110 an der InGaP-Schicht 403 wird ein Schottky Kontakt erzeugt. Da jedoch das Ziel darin liegt, die Ge-Zelle 104 "kurz zu schließen" wurde der Kontakt zu der stark dotierten n+-GaAs-Zelle 113 hergestellt. Die Schicht 113 besitzt auch eine seitliche Leitungsschicht. Bei Herstellen des Kontakts zu der GaAs-Schicht 113 wird ein Widerstand erzeugt. Der Widerstand an dem Widerstand 204 betrug ungefähr 20 Ohm, wie in 2A dargestellt ist. 20 Ohm Leistungsdissipation kann die Zelle zu ineffizient aus einer Leistungsverbrauchperspektive machen.
Der Ätzanschlag bzw. Ätzstopp an dem GaAs-Pufferkontakt 304 überwindet dieses Problem. Der GaAs-Pufferkontakt 113 ist n+ dotiert und zwar auf demselben Niveau wie der GaAs-Pufferkontakt 112 auf der Oberseite der Zelle. Dies erzeugt eine Zelle mit derselben Kontaktqualität zwischen dem TiAu-Kontakt 109 und der GaAs-Kontaktschicht 112 auf der Oberseite der Zelle, wie der Metallkontakt 107 mit der GaAs-Schicht 113.
Ein Modifizieren der Dicke der unterschiedlichen Schichten in der Diode 106 ist eine andere Art zum Verringern des Widerstands in der Diode 106.
Die seitliche Leitungsschicht 113 verringert auch den Widerstand durch die Diode 106 von 20 Ohm hinunter bis zu 0,4 Ohm. Der Strompfad geht durch die Diode 106 hindurch und die Dicke der Diode würde üblicherweise einen Widerstand bewirken, aber die seitliche Leitungsschicht 113 hilft dem Strom dabei sich effizienter zu dem Metall zu bewegen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die seitliche Leitungsschicht aus hochdotiertem n+-GaAs ausgebildet. Die Neben- bzw. Kurzschlussschicht 107 kann so hergestellt sein, dass sie teilweise oder vollständig den Kontakt 110 umgibt, was noch weiter den seriellen Widerstand verringert.
Die seitliche Leitungsschicht 113 und die Metallisierung 107 sind die wichtigsten Mittel zum Verringern der benötigten Spannung zum "Anschalten" der Diode und zum Umgehen der abgeschatteten Zelle. Durch Reduzieren des seriellen Widerstands, wird auch die Größe der lokalisierten I²R-Erwärmung reduziert. Dieser Prozess ist auch einzigartig, da die Anzahl der Prozessschritte reduziert wird, da die Bypassdiodenschichten intern zu den Pufferschichten der Zelle aufgewachsen werden statt als zusätzliche Schichten, die auf die Oberseite der Zelle aufgewachsen werden müssen. Die Stromeinrichtung sieht ein niedriges Bypassdiodenanschalten, sowie eine Bypassdiode mit niedrigem seriellen Widerstand vor. Eine Vervollständigung der Bypassdiodenschaltung erfordert die Herstellung einer gelöteten oder geschweißten Zwischenverbindung zwischen den Kontakten 109 und 110. Dies kann als Teil der üblichen Zwischenverbindungsschweißung erfolgen.
Der fünfte Schritt bei dem Herstellungsprozess ist das Anlegen der nichtreflektierenden Beschichtung und umfasst Ätzungen, wo externe Kontakte angebracht werden.
Wie sich aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt, ist der Prozess, mit dem die Diode hergestellt wird integral zu der Herstellung der Zelle und erfordert keine zusätzlichen Herstellungsschritte oder zusätzlichen Schichten, die auf die Zelle aufgewachsen werden müssen.
Die folgende Beschreibung illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei der eine Bypassdiode epitaxial über einer Mehrfachübergangs-Solarzelle mit einer i-Schicht aufgebracht wird. 6 ist ein Blockdiagramm 600, das eine schematische Schnittansicht illustriert, welche eine Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur 640 mit einer Bypassdiode 620 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Diagramm 600 umfasst ein Substrat 602, eine Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur 640, eine Bypassdiode 620, eine Wanne bzw. ein Well 650 und einen Neben- bzw. Kurzschluss 630. In einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 602 ein Germaniumsubstrat. Die Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur 640 umfasst ferner obere, mittlere und untere Teil- bzw. Subzellen. Es sei bemerkt, dass der Begriff Solarzellen, Zellen und Subzellen austauschbar verwendet werden. Die Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur ist in zwei Teile 642 bis 644 aufgeteilt, wobei der Teil 642 Solarzelle umfasst zum Umwandeln von Solarleistung in elektrische Leistung und wobei der Teil 644 eine Bypassdiode 620 enthält.
Gemäß 6 ist die Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur 640 eine Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur bei der eine untere Solarzelle 604 über dem Substrat abgeschieden ist und eine mittlere Solarzelle 606 über der unteren Solarzelle 604 abgeschieden ist. Die obere Solarzelle 608 der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur ist über der mittlere Solarzelle 606 abgeschieden. Jede Solarzelle innerhalb der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur ist so aufgebaut, dass sie Solarenergie innerhalb eines Bereichs von Wellenlängen λ des Solarspektrums umwandelt. Zum Beispiel ist die obere Solarzelle 608 der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur so aufgebaut, dass sie den Hochfrequenzteil des Solarspektrums in elektrische Energie umwandelt. Der Hochfrequenzteil kann ultraviolette, Röntgenstrahlen und/oder Gammastrahlen des Solarspektrums umfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel deckt der Hochfrequenzteil λ in einem Bereich von ungefähr 700 nm bis 100 nm ab. Die mittlere Solarzelle 606 ist verantwortlich zum Umwandeln der Solarenergie in einen Bereich von ultraviolettem Licht, sichtbarem Licht und/oder Teilen von Infrarotlicht in dem Solarspektrum, das ungefähr zwischen 90 nm bis 1000 nm liegt. Die untere Solarzelle 604 ist verantwortlich zum Umwandeln der Solarenergie in einem Bereich von Infrarot, Mikrowellen und/oder Hochfrequenzwellen, welche ungefähr zwischen 700 nm und/oder größer liegen.
Es ist für den Fachmann bekannt, dass das Solarspektrum in mehr als drei Bereiche aufgeteilt werden kann und, dass jeder Bereich eine assoziierte Solarzelle besitzt, zum Einfangen von Photonen innerhalb des jeweiligen Bereichs. Es sei ferner bemerkt, dass das zugrunde liegende Konzept der vorliegenden Erfindung sich auf Mehrfachübergangs-Solarzellenstrukturen 640 bezieht, welche mehr oder weniger als drei Subzellen besitzen.
Das Diagramm 600 umfasst ferner eine seitliche Leitungsschicht 610 und eine Ätzstoppschicht 612. Für ein Ausführungsbeispiel ist die seitliche Leitungsschicht 610 stark dotiert, so dass sie die Eigenschaft hoher elektrischer Leitfähigkeit besitzt. Die Ätzstoppschicht 612 wird gemäß einem Aspekt benötigt, zum Erzeugen eines Kurzschlusskontaktpads bzw. einer Kurzschlusskontaktfläche 652 während des Ätzvorgangs.
Gemäß 6 umfasst die Bypassdiode 620 eine Schicht 626 des n-Typs, eine Schicht 624 des i-Typs und eine Schicht 622 des p-Typs. Zum Beispiel könnte die Schicht 626 des n-Typs eine n-dotierte Galliumarsen-("GaAs")-Schicht sein und eine Schicht 622 des p-Typs könnte eine p-dotierte GaAs-Schicht sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Bypassdiode mit einer p-auf-n-Polarität ausgebildet, wenn eine Verbundschicht des p-Typs über einer Verbundschicht des n-Typs abgeschieden wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel könnte eine Bypassdiode mit einer n-auf-p-Polarität ausgebildet werden, wenn eine Verbundschicht des n-Typs über einer Verbundschicht des p-Typs abgeschieden wird. Die Schicht 624 des i-Typs wird auch als eine intrinsische Schicht, eine leicht dotierte Schicht, eine i-Schicht und/oder nicht dotierte Schicht bezeichnet. Es sei bemerkt, dass die Begriffe Schicht des i-Typs, intrinsische Schicht, leicht dotierte Schicht, i-Schicht und undotierte Schicht hier austauschbar sind. Eine Funktion der i-Schicht 624 liegt im Verringern eines Defekt Breakdowns bzw. Zusammenbrechens, wie beispielsweise ein Mikroplasmabreakdown. Mit anderen Worten reduziert die i-Schicht 624 einen Leckstrom, wenn sich die Bypassdiode 620 in einem Sperrvorspannungsmodus befindet. Wie oben beschrieben sichert die Bypassdiode 620 die Integrität der Solarzelle durch Verhindern, das die Solarzelle in den Sperrvorspannungsmodus eintritt.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Bypassdiode 620 epitaxial ausgebildet über der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur 640, so dass die Bypassdiode 620 ein integraler Teil der Solarzellenstruktur wird. Mit anderen Worten ist die Bypassdiode 620 Teil der monolithischen Solarzellenstruktur. Während des Herstellungsprozesses wird z.B., sobald eine Schicht 626 des n-Typs über der Ätzstoppschicht 612 abgeschieden wird, eine Schicht 624 des i-Typs über der Schicht 626 des n-Typs abgeschieden. Eine Bypassdiode wird fertig gestellt, nachdem eine Schicht 622 des p-Typs über der Schicht 624 des i-Typs abgeschieden wird. Ein Vorteil einer integralen Bypassdiode 620 liegt darin, dass sie erlaubt, dass die Bypassdiode zur selben Zeit wie die Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur 640 hergestellt wird. Die Bypassdiode 620 ist elektrisch gegenüber dem aktiven Teil der Solarzelle isoliert durch die Wanne bzw. das Well 650.
Die Wanne bzw. das Well 650 wird in einem Ausführungsbeispiel erzeugt durch einen Ätzvorgang, wie beispielsweise eine Mesa-Ätzung. Diese erzeugt einen physikalischen Raum oder Spalt zwischen der Solarzelle und der Bypassdiode 620. Mit anderen Worten sieht die Wanne bzw. das Well 650 eine elektrische Trennung zwischen dem aktiven Teil der Solarzelle und der Bypassdiode 620 vor. Das Well bzw. die Wanne 650 sieht auch einen Pfad vor, der einem Nebenschluss 630 erlaubt, auf das Substrat zuzugreifen. In einem Ausführungsbeispiel kann, sobald der Nebenschluss 630 abgeschieden ist, die Wanne bzw. das Well 650 mit nicht leitenden Materialien gefüllt werden, wie beispielsweise nicht reflektierende Materialien. Es sei bemerkt, dass die Breite des Spalts oder Raums, der durch die Wanne bzw. das Well 650 erzeugt wird, zwischen dem aktiven Teil der Solarzelle und der Bypassdiode von der Halbleitertechnologie abhängt.
Der Nebenschluss 630 ist über die Wanne 650 hinweg abgeschieden, wobei eine Seite des Nebenschlusses 630 in Kontakt mit dem Substrat steht und eine andere Seite des Nebenschlusses 630 mit der seitlichen Leitungsschicht 610 in Kontakt steht. Bei einem Ausführungsbeispiel steht eine Seite des Nebenschlusses 630 auch in Kontakt mit einem Teil der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur 640, welche die Bypassdiode 620 enthält. Mit anderen Worten schließt der Nebenschluss 630 bei diesem Ausführungsbeispiel einen Teil der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur kurz, der unterhalb der Bypassdiode 620 liegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Nebenschluss 630 aus Metall, um zu ermöglichen, dass er elektrischen Strom von dem Substrat zu der Bypassdiode 620 leitet, und zwar mit minimalen Stromverlust.
Ein Vorteil der Verwendung eines Nebenschlusses liegt darin, dass er die Notwendigkeit für externe Schweißbrücken oder Kurzschlussverbindungen, welche die Verlässlichkeit der Solarzelle beeinträchtigen, reduziert.
7 ist ein Logikdiagramm 700, dass eine Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur und eine Bypassdiode 620 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Logikdiagramm 700 umfasst eine obere Zelle 608, eine mittlere Zelle 606, eine untere Zelle 604, eine Bypassdiode 620, einen Widerstandsblock 702 und vier Pfade 710 bis 716. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Widerstandsblock 702 einen Widerstand aus dem kurzgeschlossenen Teil der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur, der unterhalb der Bypassdiode 620 angeordnet ist, und dem Widerstand von dem Nebenschluss 630.
Während eines normalen Ansatzes (z.B. sind die Solarzellen 604 bis 608 Sonnenlicht, Solarlicht, Licht, Strahlung, und/oder Photonen ausgesetzt) sind die Solarzellen 604 bis 608 in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Sie wandeln Solarenergie in elektrische Energie um und leiten elektrischen Strom zwischen den benachbarten Solarzellen hindurch, die in Serie geschaltet sind. Es sei bemerkt, dass die Begriffe Sonnenlicht, Solarlicht, Licht, Strahlung, und/oder Photonen hier austauschbar verwendet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Solarzellen in Serie angeordnet. Während die Solarzellen 604 bis 608 in Durchlassrichtung vorgespannt sind, ist die Bypassdiode 620 in Sperrrichtung vorgespannt, da die Bypassdiode 620 eine entgegengesetzte Polarität gegenüber den Solarzellen besitzt. Wenn sich die Bypassdiode 620 in dem Sperrvorspannungsmodus befindet, geht kein elektrischer Strom durch die Bypassdiode 620 hindurch.
Wenn elektrischer Strom, der von den benachbarten Solarzellen erzeugt wird, an den Solarzellen 604 bis 608 über den Pfad 710 ankommt, leiten die Solarzellen 604 bis 608 den gesamten elektrischen Strom, der Strom umfasst, der durch die Solarzellen 604 bis 608 umgewandelt wird und Strom der von benachbarten Solarzellen über den Pfad 710 ankommt, und zwar zu dem Pfad 716 über den Pfad 712. Der Pfad 716 kann mit einer weiteren Solarzelle und/oder anderen elektrischen Geräten verbunden sein.
Während der Situation, in der sich die Solarzellen 604 bis 608 jedoch in einem Sperrvorspannungsmodus befinden, wenn z.B. die Solarzellen 604 bis 608 abgeschattet sind, dann wird die Bypassdiode 620 in Durchlassrichtung vorgespannt. In dieser Situation wird die Bypassdiode 620 aktiv und leitet den Strom von den benachbarten Solarzellen über den Pfad 710 zum Pfad 716 und zwar über den Pfad 714. Mit anderen Worten wird die Bypassdiode 620 in Durchlassrichtung vorgespannt und verwendet den Pfad 714 zum Hindurchleiten des Stroms von dem Pfad 710 zu dem Pfad 716, wenn sich die Solarzellen 604 bis 608 in dem Sperrvorspannungsmodus befinden.
Es sei bemerkt, dass das zugrunde liegende Konzept der vorliegenden Erfindung anwendbar ist, wenn zusätzliche Solarzellen und Bypassdioden zum Logikdiagramm 700 hinzugefügt werden.
8 ist ein Blockdiagramm 800, das eine detaillierte schematische Schnittansicht darstellt, die eine Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur 640 mit einer Bypassdiode 620 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß 8 umfasst das Blockdiagramm 800 ein Substrat 602, eine Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur 640, eine Bypassdiode 620, eine Wanne bzw. ein Well 650 und einen Nebenschluss 630. Die Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur 640 umfasst ferner untere, mittlere und obere Teil- bzw. Subzellen 604 bis 608. Das Blockdiagramm 800 umfasst auch Kontaktpads 802 bis 806, wobei das Kontaktpad 806 über einer seitlichen Leitungsschicht 610 abgeschieden ist und das Kontaktpad 804 über der Bypassdiode 620 abgeschieden ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat ein p-Typ-Germanium-("Ge")-Substrat 602, das über einem Metallkontakpad 802 ausgebildet ist. Die untere Zelle 604 enthält eine p-Typ-Ge-Basisschicht 810, eine n-Typ-Ge-Emitterschicht 812 und eine n-Typ-GaAs-Keimbildungsschicht 814. Die Basisschicht 810 ist über dem Substrat 602 abgeschieden. Die Keimbildungsschicht 814 ist über der Basisschicht 810 abgeschieden, die in einem Ausführungsbeispiel durch Diffusion von einer Emitterschicht 812 ausgebildet sein kann. Nachdem die untere Zelle 604 abgeschieden ist, werden p-Typ und n-Typ Tunnelübergangsschichten 816, die auch dafür bekannt sind, dass sie eine Struktur bilden, die manchmal als eine Tunneldiode bezeichnet wird, abgeschieden.
Die mittlere Zelle 606 umfasst ferner eine Back-Surface-Field-("BSF")-Schicht 820, eine p-Typ-GaAs-Basisschicht 822, eine n-Typ-GaAs-Emitterschicht 824 und ein n-Typ-Galliumindiumphosphid₂-("GaInP₂")-Fensterschicht bzw. Window Layer 826. Die Basisschicht 822 ist über der BSF-Schicht 820 abgeschieden, sobald die BSF-Schicht 820 über den Tunnelübergangsschichten 816 abgeschieden wird. Die Window Layer 826 wird nachfolgend auf der Emitterschicht 824 abgeschieden, nachdem die Emitterschicht 824 auf der Basisschicht 822 abgeschieden ist. Die BSF-Schicht 820 wird verwendet zum Reduzieren des Rekombinationsverlustes in der mittleren Zelle 606. Die BSF-Schicht 820 treibt Minoritätsträger aus einem stark dotierten Bereich in der Nähe der Rückseite heraus, zum Minimieren des Effekts eines Rekombinationsverlustes. Mit anderen Worten reduziert eine BSF-Schicht 820 einen Rekombinationsverlust an der Rückseite der Solarzelle und reduziert dadurch die Rekombination in dem Emitterbereich.
Die Window Layer 826, die in der mittleren Zelle 606 verwendet wird arbeitet auch zum Reduzieren des Rekombinationsverlustes. Die Window Layer 826 verbessert auch die Passivierung der Zellenoberfläche der unterliegenden Übergänge. Es sollte für den Fachmann offensichtlich sein, dass eine oder mehrere zusätzliche Schichten hinzugefügt oder in dem Blockdiagramm 800 entfernt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Vor der Abscheidung der oberen Zelle 608, werden p-Typ und n-Typ Tunnelübergangsschichten 830 über der mittleren Zelle 606 abgeschieden.
Die obere Zelle 608 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst eine p-Typ-Indiumgalliumaluminiumphosphid₂-("InGaAlP₂")-BSF-Schicht 840, eine p-Typ-GaInP₂-Basisschicht 842, eine n-Typ-GaInP₂-Emitterschicht 844 und eine n-Typ-Aluminiumindiumphosphid₂-("AlInP₂")-Window Layer 846. Die Basisschicht 842 wird auf der BSF-Schicht 840 abgeschieden, sobald die BSF-Schicht 840 über den Tunnelübergangsschichten 830 abgeschieden ist. Die Window Layer 846 wird nachfolgend auf der Emitterschicht 844 abgeschieden, nachdem die Emitterschicht 844 auf der Basisschicht 842 abgeschieden ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine n-Typ-GaAs-Cap Layer bzw. Abdeckschicht 850 verwendet zum Fördern eines besseren Kontaktes mit Metallmaterialien. Die Cap Layer 850 ist über der oberen Zelle 608 abgeschieden. Die seitliche Leitungsschicht 610, die aus n-Typ-GaAs geformt ist, wird über der Cap Layer 850 abgeschieden. Eine n-Typ-GaInP₂-Ätzstoppschicht ist über der seitlichen Leitungsschicht 610 abgeschieden. Nachdem die Ätzstoppschicht abgeschieden ist, wird die Bypassdiode epitaxial abgeschieden.
Die Bypassdiode 620 umfasst eine n-Typ-GaAs-Schicht 860, eine i-Typ-GaAs-Schicht 862 und eine p-Typ-GaAs-Schicht 864. Die n-Typ Schicht 860 ist über der Ätzstoppschicht 612 abgeschieden. Die i-Typ Schicht 862 ist über der n-Typ Schicht 860 abgeschieden. Die p-Typ Schicht 864 ist über der i-Typ Schicht 862 abgeschieden. Nachdem die Schicht 864 abgeschieden wurde, wird ein Kontakt Pad 806 über der Bypassdiode 620 abgeschieden. Sobald das Kontatkpad 804 ausgebildet ist, wird eine p-i-n-Bypassdiode mit einer p-auf-n Polarität über der Solarzelle ausgebildet. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann auch ein n-i-p-Bypass mit einer n-auf-p Polarität Bypassdiode über einer Solarzellenstruktur ausgebildet werden, und zwar unter Verwendung ähnlicher Prozesse, wie der oben beschriebenen.
Es sei für den Fachmann bemerkt, dass eine oder mehrere zusätzliche Schichten in der Bypassdiode 620 hinzugefügt oder weggelassen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Metallnebenschluss 630 über eine Wanne 650 hinweg abgeschieden. Eine Seite des Nebenschlusses 630 ist mit dem Substrat 602 verbunden und eine andere Seite des Nebenschlusses 630 ist mit der seitlichen Leitungsschicht 610 verbunden und einem Teil der Dreifachübergangszelle 644. Eine Antireflexionsbeschichtung kann über bestimmten Teilen der Solarzelle abgeschieden sein, um die Leistung der Solarzelle zu verbessern.
Es sei bemerkt, dass die Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur ausgebildet sein kann durch irgendeine Kombination von Gruppe III bis V Elementen, die im Periodensystem aufgelistet sind, wobei die Gruppe III Elemente Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In), und Thallium (Tl) umfassen. Die Gruppe IV umfasst Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Ge und Zinn (Sn). Die Gruppe V umfasst Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) und Wismuth (Bi).
Die 9A bis 9E sind Blockdiagramme, welche einen Herstellungsprozess für eine Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur 640 mit einer Bypassdiode 620 und einem Nebenschluss 630 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. 9A illustriert eine Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur 900 mit einer integralen Bypassdiode 602, die epitaxial an der Dreifachübergangs-Solarzellenstruktur 900 ausgebildet ist. Die Dreifachübergangs-Solarzelle 900 umfasst eine untere, eine mittlere und eine obere Zelle 604 bis 608.
9B illustriert, dass ein Teil 922 der Bypassdiode 602 weggeätzt wurde. 9C illustriert, dass eine Wanne 932 durch einen Ätzprozess erzeugt wurde, wie beispielsweise ein Mesa-Ätzverfahren. 9D illustriert, dass ein zweiter Teil 942 der Bypassdiode 620 weggeätzt ist. Die Ätzstoppschicht 612 wird in einem Ausführungsbeispiel verwendet, zum Steuern des Ätzvorgangs zum Entfernen des Teils 942 der Bypassdiode 620 zum Erzeugen eines Nebenschlusskontaktpads 652. 9E illustriert den nächsten Schritt zur Bildung des Nebenschlusses 952. Es sollte für den Fachmann klar sein, dass zusätzliche Schichten und Schritte hinzugefügt oder einige weggelassen werden könnten, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
10 ist ein Flussdiagramm 1000, dass ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur mit einer Bypassdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Im Block 1010 scheidet der Prozess ein Germanium-Substrat ab. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Germanium Substrat über einer Kontaktschicht abgeschieden. Sobald das Substrat ausgebildet ist, geht der Prozess zum Block 1012.
Im Block 1012 scheidet der Prozess eine Solarzelle ab. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Solarzelle eine Dreifachübergangs-Solarzelle, welche eine untere, eine mittlere und einer obere Subzelle umfasst. Darüber hinaus kann die untere Subzelle eine Germanium-Solarsubzelle und die mittlere Subzelle kann einen GaAs-Solarsubzelle sein. Die obere Subzelle kann eine GaInP₂-Solarsubzelle sein. Es sei bemerkt, dass nicht vom Umfang der Erfindung abgewichen wird, wenn die Homoübergangssubzellen mit Heteroübergangssubzellen ersetzt werden. Nachdem die Zelle ausgebildet ist, geht der Vorgang zum Block 1014.
Im Block 1014 scheidet der Prozess eine seitliche Leitungsschicht über der Solarzelle ab. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die seitliche Leitungsschicht eine n-dotierte GaAs-Schicht, die als das Nebenschlusskontaktpad verwendet wird. Sobald die seitliche Leitungsschicht abgeschieden ist, geht der Prozess zum Block 1016.
Im Block 1016 scheidet der Prozess eine Bypassdiode über der seitlichen Leitungsschicht ab. Bei einem Ausführungsbeispiel wird nachdem eine Ätzstoppschicht auf der seitlichen Leitungsschicht abgeschieden wird, eine n-Typ-GaAs-Schicht über der Ätzstoppschicht abgeschieden. Nachdem eine i-Typ-GaAs-Schicht über der n-Typ-Schicht abgeschieden ist, wird eine p-Typ-GaAs-Schicht über der i-Typ-Schicht abgeschieden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Konzentration der n-Dotierung in der n-Typ-GaAs-Schicht zwischen 10¹⁷ bis 10¹⁸. Wie bei der n-Typ-Schicht ist die Konzentration der p-Dotierung in der p-Typ-GaAs-Schicht zwischen 10¹⁷ bis 10¹⁸. Im Gegensatz hierzu ist die Konzentration der Dotierung für die i-Typ-GaAs-Schicht kleiner als 10¹⁶. Sobald die Bypassdiode ausgebildet ist, geht der Prozess zum Block 1018.
Im Block 1018 wird eine Wanne oder ein Spalt oder Freiraum erzeugt zum Vorsehen einer elektrischen Trennung zwischen der Bypassdiode und der Solarzelle. Die Wanne erlaubt auch, dass der Nebenschluss auf das Substrat zugreift. Nach der Erzeugung der Wanne geht der Prozess zum Block 1020.
Im Block 1020 wird ein Nebenschluss entlang eines Teils der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur abgeschieden, wobei eine Seite des Nebenschlusses mit dem Substrat verbunden ist und eine andere Seite des Nebenschlusses mit dem Nebenschlusskontaktpad verbunden ist.
In der vorhergehenden Beschreibung wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele hiervon beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass unterschiedliche Modifikationen und Änderungen daran durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind daher in einer darstellenden statt in einer einschränkenden Weise zu würdigen.
Zusammenfassung
Eine Solarzelle mit einer Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur mit einer Bypassdiode ist offenbart. Die Bypassdiode sieht einen Schutz gegenüber einer Sperrvorspannung für die Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur vor. In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur ein Substrat, eine Bodenzelle, eine Mittelzelle, eine obere Zelle, eine Bypassdiode, eine seitliche Verbindungsschicht und einen Nebenschluss. Eine seitliche Verbindungsschicht ist über die obere Zelle hinweg abgeschieden. Die Bypassdiode ist über der seitlichen Verbindungsschicht abgeschieden. Eine Seite des Nebenschlusses ist mit dem Substrat verbunden und eine andere Seite des Nebenschlusses ist mit der seitlichen Verbindungsschicht verbunden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die Bypassdiode eine i-Schicht zum Verbessern der Diodenleistung.

Claims

Ein Solarbauelement, das Folgendes aufweist: ein Substrat; eine Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur mit wenigstens ersten, zweiten und dritten Subzellen, die über dem Substrat abgeschieden sind; eine seitliche Leitungsschicht, die wenigstens über einem Teil der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur abgeschieden ist; und eine Bypassdiode mit p-Typ-, i-Typ- und n-Typ-Schichten, die über der seitlichen Leitungsschicht abgeschieden sind.
Solarbauelement nach Anspruch 1, das ferner eine Wanne in der Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur aufweist zum Vorsehen einer elektrischen Trennung zwischen den Subzellen und der Bypassdiode.
Solarbauelement, nach Anspruch 1 oder 2, das ferner einen Nebenschluss aufweist mit ersten und zweiten Kontaktenden, wobei das erste Kontaktende des Nebenschlusses mit der seitlichen Leitungsschicht verbunden ist und das zweite Kontaktende des Nebenschlusses mit dem Substrat verbunden ist, und zwar über die Wanne hinweg.
Solarbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Ätzstoppschicht aufweist, die über der seitlichen Leitungsschicht abgeschieden ist.
Solarbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner erste und zweite Kontaktschichten aufweist, wobei die erste Kontaktschicht benachbart zu der Bypassdiode abgeschieden ist und die zweite Kontaktschicht benachbart zu dem Substrat abgeschieden ist.
Solarbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei das Substrat ein Germanium-("Ge")-Substrat ist.
Solarbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrfachübergangs-Solarzellenstruktur eine Dreifachübergangs-Solarzelle ist.
Solarbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Subzelle eine untere Solarzelle ist, die zweite Subzelle eine mittlere Solarzelle ist und die dritte Subzelle eine obere Solarzelle ist.
Solarbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Solarzelle ferner Folgendes aufweist: eine p-dotierte Ge-Basisschicht, die über dem Ge-Substrat abgeschieden ist; eine n-dotierte Ge-Emitterschicht, die über der Basisschicht abgeschieden oder durch Diffusion ausgebildet ist; und eine n-dotierte Keimbildungsschicht, die über der Emitterschicht abgeschieden ist.
Solarbauelement nach Anspruch 9, wobei die mittlere Solarzelle ferner Folgendes umfasst: p-dotierte Back-Surface-Field-("BSF")-Schicht, die über der unteren Solarzelle abgeschieden ist; eine p-dotierte Galliumarsen-("GaAs")-Basisschicht, die über der BSF-Schicht abgeschieden ist; eine n-dotierte GaAs-Emitterschicht, die über der Basisschicht abgeschieden ist; und eine n-dotierte Indiumgalliumphosphid₂-("InGaP₂")-Fensterschicht bzw. Window Layer, die über der Emitterschicht abgeschieden ist.
Solarbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere Solarzelle ferner Folgendes umfasst: eine p-dotierte Indiumgalliumaluminiumphosphid-("InGaAlP")-Back-Surface-Field-("BSF")-Schicht, die über der mittleren Solarzelle abgeschieden ist; eine p-dotierte GaInP₂-Basisschicht, die über der InGaAlP-BSF-Schicht abgeschieden ist; eine n-dotierte GaInP₂-Emitterschicht, die über der InGaP₂-Basisschicht abgeschieden ist; und eine n-dotierte Aluminiumindiumphosphid₂-("AlInP₂")-Fensterschicht bzw. Window Layer, die über der GaInP₂-Emitterschicht abgeschieden ist.
Solarbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine n-dotierte GaAs-Cap-Layer bzw. Abdeckschicht aufweist, die zwischen der oberen Solarzelle und der seitlichen Leitungsschicht abgeschieden ist.
Solarbauelement nach Anspruch 12, wobei die seitliche Leitungsschicht eine n-dotierte GaAs-Schicht zum Leiten elektrischen Stroms ist.
Solarbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die p-Typ-Schicht der Bypassdiode eine p-dotierte GaAs-Schicht und die n-Typ-Schicht der Bypassdiode eine n-dotierte GaAs-Schicht ist.
Solarbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die i-Typ-Schicht eine leicht dotierte GaAs-Schicht zum Reduzieren eines Defect Breakdowns ist.
Solarbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die i-Typ-Schicht eine undotierte GaAs-Schicht zum Reduzieren eines Defect Breakdowns ist.
Eine Solarzellenstruktur, die Folgendes aufweist: wenigstens eine Solarzelle, die über einem Germanium-("Ge")-Substrat angeordnet ist; eine seitliche Leitungsschicht, die über einem Teil der Solarzellenstruktur abgeschieden ist; eine Bypassdiode, die über der seitlichen Leitungsschicht abgeschieden ist; und einen Nebenschluss mit ersten und zweiten Kontaktseiten, der zwischen der Solarzelle und der Bypassdiode ausgebildet ist, wobei die erste Kontaktseite des Nebenschlusses mit dem Substrat verbunden ist und die zweite Kontaktseite des Nebenschlusses mit der seitlichen Leitungsschicht verbunden ist.
Solarzellenstruktur nach Anspruch 17, die ferner eine Wanne bzw. ein Well aufweist, das zwischen der Solarzelle und der Bypassdiode angeordnet ist, wobei die Wanne eine elektrische Trennung zwischen der Solarzelle und der Diode vorsieht.
Solarzellenstruktur nach Anspruch 17 oder 19, die ferner eine Ätzstoppschicht aufweist, die über der seitlichen Leitungsschicht abgeschieden ist.
Solarzellenstruktur nach einem der Ansprüche 17 bis 18, die ferner erste und zweite Kontaktschichten aufweist, wobei die erste Kontaktschicht über der Bypassdiode und die zweite Kontaktschicht über dem Substrat angeordnet ist.
Solarzellenstruktur nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Solarzelle eine untere, eine mittlere und eine obere Subzelle enthält.
Solarzellenstruktur nach Anspruch 21, wobei die untere Subzelle ferner Folgendes umfasst: eine Ge-Basisschicht, die über dem Substrat abgeschieden ist; eine Ge-Emitterschicht, die über der Basisschicht abgeschieden oder durch Diffusion gebildet ist; und eine Keimbildungsschicht, die über der Emitterschicht abgeschieden ist.
Solarzellenstruktur nach Anspruch 21 oder 22, wobei die mittlere Subzelle ferner Folgendes umfasst: eine Back-Surface-Field-("BSF")-Schicht, die über der unteren Solarzelle abgeschieden ist; eine Galliumarsen-("GaAs")-Basisschicht, die über der BSF-Schicht abgeschieden ist; eine GaAs-Emitterschicht, die über der Basisschicht abgeschieden ist; und eine Indiumgalliumphosphid₂-("InGaP₂")-Fensterschicht bzw. Window Layer, die über der Emitterschicht abgeschieden ist.
Solarzellenstruktur nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die obere Subzelle ferner Folgendes umfasst: eine Indiumgalliumaluminiumphosphid-("InGaAlP")-Back-Surface-Field-("BSF")-Schicht, die über der mittleren Solarzelle abgeschieden ist; eine GaInP₂-Basisschicht, die über der InGaAlP-BSF-Schicht abgeschieden ist; eine GaInP₂-Emitterschicht, die über der InGaP₂-Basisschicht abgeschieden ist; und eine Aluminiumindiumphosphid₂-("AlInP₂")-Fensterschicht bzw. Window Layer, die über der GaInP₂-Emitterschicht abgeschieden ist.
Solarzellenstruktur nach einem der Ansprüche 21 bis 24, die ferner eine GaAs-Cap-Layer bzw. Abdeckschicht aufweist, die zwischen der oberen Subzelle und der seitlichen Leitungsschicht abgeschieden.
Solarzellenstruktur nach einem Ansprüche 17 bis 25, wobei die seitliche Leitungsschicht eine GaAs-Schicht zum Transportieren elektrischen Stroms ist.
Solarzellenstruktur nach einem der Ansprüche 17 bis 26, wobei die Bypassdiode ferne eine n-dotierte GaAs-Schicht aufweist, die über der seitlichen Leitungsschicht abgeschieden ist und eine p-dotierte GaAs-Schicht, die über der n-dotierten GaAs-Schicht der Bypassdiode abgeschieden ist.
Solarzellenstruktur nach einem der Ansprüche 17 bis 27, wobei die Bypassdiode ferner eine p-dotierte GaAs-Schicht umfasst, die über der seitlichen Leitungsschicht abgeschieden ist und eine n-dotierte GaAs-Schicht, die über der p-dotierten GaAs-Schicht der Bypassdiode abgeschieden ist.
Solarzellenstruktur nach Anspruch 28, wobei die Bypassdiode ferner eine i-Typ-Schicht umfasst, die eine leicht n-dotierte GaAs-Schicht ist und zwischen der n-dotierten GaAs-Schicht der Bypassdiode und der p-dotierten GaAs-Schicht der Bypassdiode angeordnet bzw. abgeschieden ist zum Reduzieren eines Defect Breakdowns.
Solarzellenstruktur nach Anspruch 28, wobei die Bypassdiode ferner eine i-Typ-Schicht umfasst, die eine undotierte GaAs-Schicht ist und die zwischen der n-dotierten GaAs-Schicht der Bypassdiode und der p-dotierten GaAs-Schicht der Bypassdiode angeordnet bzw. abgeschieden ist zum Reduzieren eines Defect Breakdowns.
Verfahren zur Herstellung eines Solarbauelements, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Abscheiden eines Germanium-("Ge")-Substrats; Abscheiden einer Solarzelle mit mehrfachen Übergängen auf dem Ge-Substrat; Abscheiden einer seitlichen Leitungsschicht an der Solarzelle; Abscheiden einer Bypassdiode über der seitlichen Leitungsschicht; Ätzen einer Wanne zwischen der Bypassdiode und der Solarzelle; und Abscheiden eines Nebenschlusses zwischen dem Ge-Substrat und der Bypassdiode über die Wanne hinweg, wobei eine Seite des Nebenschlusses mit dem Ge-Substrat verbunden ist und die andere Seite des Nebenschlusses mit der seitlichen Leitungsschicht verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 31, das ferner das Abscheiden einer Ätzstoppschicht zwischen der seitlichen Leitungsschicht und der Bypassdiode aufweist.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, das ferner das Abscheiden einer ersten Metallschicht an der Bypassdiode für ein Kontaktpad und das Abscheiden einer zweiten Metallschicht an dem Ge-Substrat für ein Kontaktpad aufweist.
Verfahren nach einen der Ansprüche 31 bis 33, wobei die Abscheidung einer Bypassdiode ferner die folgenden Schritt umfasst: Abscheiden einer n-dotierten Galliumarsen-("GaAs")-Basisschicht über der Ätzstoppschicht; Abscheiden einer i-dotierten GaAs-Schicht über der n-dotierten GaAs-Basisschicht; und Abscheiden einer p-dotierten GaAs-Emitterschicht über der i-dotierten GaAs-Schicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, wobei die Abscheidung einer Solarzelle ferner die folgenden Schritte umfasst: Abscheiden einer unteren Subzelle des Ge-Typs einschließlich einer Keimbildungsschicht; Abscheiden einer mittleren Subzelle eines GaAs-Typs über der unteren Subzelle; und Abscheiden einer oberen Subzelle eines GaInP₂-Typs über der mittleren Subzelle.
Verfahren nach Anspruch 35, das ferner das Abscheiden einer GaAs-Abdeckschicht bzw. Cap Layer zwischen der oberen Subzelle und der seitlichen Leitungsschicht aufweist.