Bezeichnung

Rückseitenkontaktierte Si-Dünnschicht-Solarzelle Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine rückseitenkontaktierte Si-Dünnschicht-Solarzelle, mindestens aufweisend eine kristalline Si-Absorberschicht sowie eine auf der kristallinen Si-Absorberschicht angeordnete Emitterschicht aus

Halbleitermaterialien gegensätzlicher p- und n-Typ Dotierung, und bei der rückseitig auf der Emitterschicht ein Kontaktsystem zur Sammlung von durch Lichteinfall in der Absorberschicht erzeugten Überschussladungsträger angeordnet ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Bei einseitig kontaktierten Solarzellen sind beide Kontaktsysteme zum

Abfließen der durch einfallendes Licht am Übergang von zwei

Halbleitermaterialien unterschiedlicher Leitfähigkeit (Absorber und Emitter) erzeugten Ladungsträger auf einer Seite angeordnet. Die Ladungsträger werden am pn-Übergang zwischen Emitter- und Absorberschicht getrennt und dem entsprechenden Kontaktsystem zugeführt.

Bei der Rückseitenkontaktierung werden Abschattungsverluste durch ein Kontaktsystem vermieden, wodurch die Effizienz der Solarzelle erhöht wird. Außerdem kann die Möglichkeit genutzt werden, auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite der Solarzelle weitere funktionelle Schichten vorzusehen.

Dünnschicht-Solarzellen benötigen im Vergleich zu Wafer-basierten

Solarzellen nur einen Bruchteil der Menge des Halbleitermaterials und können direkt auf ein preiswertes Glassubstrat aufgebracht werden.

Den meisten Veröffentlichungen aus dem Stand der Technik ist zu

entnehmen, dass auf ein Glassubstrat mittels Flüssigphasenkristallisation eine Si-Absorberschicht aufgebracht wird, die p-leitend ist (s. beispielsweise Amkreutz et al. in Solar Energy Materials & Solar Cells 123 (2014) 13-16; Haschke et al. in Solar Energy Materials & Solar Cells 1 15 (2013) 7-10; Dore et al. in EPJ Photovoltaics 4, 40301 (2013)), da dieser Leitfähigkeitstyp durch die aus dem Glassubstrat in den weiteren Verfahrensschritten, insbesondere eben auch durch die Flüssigphasenrekristallisation einer amorphen oder nanokristallinen Silizium-Schicht, diffundierenden Verunreinigungen unterstützt wird.

Auch bei den in DE 40 25 31 1 A1 oder in DE 20 2005 019 799 U1

vorgeschlagenen Dünnschicht-Solarzellen wird ebenfalls eine p-leitende Absorberschicht beschrieben.

Alle diese dem Stand der Technik nach bekannten Anordnungen erreichen jedoch keine Leerlaufspannungen > 600 mV.

Sowohl in DE 2005 025 125 B4 als auch in DE 10 2010 007 695 A1 sind unterschiedliche Kontaktierungssysteme für rückseitenkontaktierte Si- Dünnschicht-Solarzellen beschrieben. Diese Solarzellen weisen mindestens eine Absorberschicht und eine rückseitig angeordnete Emitterschicht aus Halbleitermaterialien gegensätzlicher p- und n-Typ-Dotierung auf.

In DE 2005 025 125 B4 ist für die Dünnschicht-Solarzelle weiterhin eine Passivierungs-/Deck-/Antireflexionsschicht auf der Seite des Lichteinfalls beschrieben. Auf der entgegengesetzten Seite des Absorbers, der dem Lichteinfall abgewandten Seite, ist eine die rückseitige Kontaktsstruktur bedeckende Pufferschicht (a-Si:H) zur besseren Passivierung der Grenzfläche zwischen Emitter und Absorber vorgesehen.

Für die Weiterbildung des in DE 2005 025 125 B4 beschriebenen

Kontaktierungssystems, so wie es in DE 10 2010 007 695 A1 dargestellt ist, weist die dort beschriebene Dünnschicht-Solarzelle eine intrinsisch leitfähige Passivierschicht (a-Si:H, intrinsisch) zwischen der Absorberschicht und der rückseitig angeordneten Emitterschicht auf. Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine weitere rückseitenkontaktierte Si- Dünnschicht-Solarzelle der eingangs genannten Art anzugeben, die im Vergleich zum erwähnten Stand der Technik verbesserte Parameter, insbesondere eine erhöhte Leerlaufspannung, aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen rückseitenkontaktierten Si-Dünnschicht- Solarzelle.

Die erfindungsgemäße Lösung ist dem Erzeugnisanspruch und den unabhängigen Verfahrensansprüchen zu entnehmen.

Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung ist auf einem Glassubstrat eine Barriereschicht angeordnet, die das Diffundieren von Verunreinigungen aus dem Substrat in die folgenden Schichten verhindern soll. Die Barriereschicht ist aus SiOx, SiNx, SiCx, TiO2, AlOx oder deren Mischlegierungen (zB: SixOyN, SixOyC) einzeln oder in Mehrfachschichten gebildet, die eine

Gesamtschichtdicke im Bereich von 50 nm bis 1 μιη in Abhängigkeit ihres Brechungsindexes aufweist. Auf der Barriereschicht ist mindestens eine Schicht zur optischen Vergütung (Reduzierung der Reflektivität) angeordnet. Diese Schicht wird aus SiNx, SiOx, SiCx, T1O2, AlOx oder deren

Mischlegierungen (zB: SixOyN, SixOyC) mit einer Gesamtschichtdicke von 20 nm bis 250 nm gebildet, und weist einen vom Substrat, von der

Barriereschicht und vom Halbleitermaterial abweichenden Brechungsindex auf. Darauf ist eine 0,5 nm bis 20 nm dünne Silizium und/oder Sauerstoff enthaltende Schicht auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der

Vergütungsschicht, unmittelbar an die kristalline Si-Absorberschicht angrenzend, angeordnet. Die kristalline Si-Absorberschicht ist herstellbar durch einen Flüssigphasenkristallisationsprozess, sie ist n-leitend und weist eine Schichtdicke zwischen 200 nm und 40 μιη mit einer homogenen

Dotierung zwischen 2-10 ¹⁵ cm ³ bis 5-10 ¹⁸ cnr ³ über die gesamte Dicke auf. Außerdem sind in der dünnen n-leitenden Si-Absorberschicht monokristalline Si-Körner ausgebildet, die in ihrer Ausdehnung mindestens so groß sind wie die Dicke der Absorberschicht. Zwischen der Silizium und/oder Sauerstoff enthaltenden Schicht und der Absorberschicht bildet sich während der Flüssigphasenkristallisation eine sehr dünne SiO2-Passivierschicht aus.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von einer n-leitenden kristallinen Si- Absorberschicht aus. Außerdem wird die Bildung einer sehr dünnen S1O2- Schicht während des Flüssigphasenkristallisationsprozesses der Si-Schicht beim Aufschmelzen der amorphen bzw. nanokristallinen Si-Schicht und einer darunter angeordneten mindestens Sauerstoff enthaltenden Schicht ausgenutzt. Die Bildung dieser dünnen SiO2-Schicht macht das Aufbringen eines n ⁺ -dotierten vorderseitigen Driftfeldes - wie aus dem Stand der Technik bekannt - überflüssig.

Die genannten erfindungswesentlichen Merkmale garantieren in ihrer

Kombination und in ihrer Wirkung mit den anderen erwähnten Schichten eine im Vergleich zum Stand der Technik bisher nicht erreichte Leerlaufspannung. Die in dem angegebenen Bereich liegende Dotierungskonzentration bewirkt eine höhere Querleitfähigkeit in der Absorberschicht, wodurch der horizontale Stromtransport in der erfindungsgemäßen Solarzelle verbessert wird. Dies wirkt sich positiv auf den Füllfaktor und die erreichbaren Leerlaufspannungen der Solarzelle aus. Weiterhin ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine gute Passivierung der dem Glassubstrat zugewandten Absoberschichtseite gewährleistet, wodurch Rekombinationsverluste verringert werden.

In einer anderen Ausführungsform beträgt die homogene Dotierung der n- leitenden kristallinen Si-Absorberschicht über deren gesamte Dicke

1 ,5-10 ¹⁶ cm ³ bis 2-10 ¹⁸ cm ³ . Durch Vergleichmessungen und

Simulationsrechnungen für erfindungsgemäße Anordnungen ist die

Dotierungskonzentration ND bestimmbar durch

ND = Co ^■ 1 /d, wobei d die Dicke der Absorberschicht in Mikrometern bezeichnet, die zwischen 200 nm und 40 μιη liegt, und Co eine

flächenbezogene Dotierung kennzeichnet, deren Wert in einem Bereich zwischen 6-10 ¹⁷ μπναη ^"3 bis 8-10 ¹⁸ μπναττ ³ liegt. Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der dünnen n-leitenden kristallinen Si- Absorberschicht ist eine Absorberschicht mit ausreichend guter elektronischer Qualität realisierbar, dh die effektive Bulk-Diffusionslänge der Minoritäts- Ladungsträger ist wesentlich größer als die Schichtdicke der Absorberschicht. Es kann damit eine effektive Ladungsträgersammlung gewährleistet werden.

Anschließend werden nach einer Oberflächen-Reinigung der erzeugten n- leitenden Si-Absorberschicht eine a-Si:H(i)-Pufferschicht und eine a-Si:H(p)- Emitterschicht aufgebracht.

Die Rückseitenkontaktierung der erfindungsgemäßen Si-Dünnschicht- Solarzelle kann mit unterschiedlichen - dem Stand der Technik nach

bekannten - Mitteln auf der Emitterschicht ausgeführt werden (s.

beispielsweise Stangl, R. et al.: "Planar rear emitter back contact

amorphous/crystalline Silicon heterojunction solar cells (RECASH /

PRECASH)" in 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, CA, USA, May 1 1 -16, 2008).

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, eine Barriereschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 50 nm bis 1 μιη auf ein gereinigtes Glassubstrat aufzubringen. Das Material für die Barriereschicht wird

ausgewählt aus SiOx, SiN _x , SiCx, T1O2, AlOx oder deren Mischlegierungen (zB: SixOyN, SixOyC), wobei die Barriereschicht als einzelne Schicht oder in

Mehrfachschichten gebildet wird. Anschließend wird mindestens eine die optischen Eigenschaften verbessernde Schicht mit einer Schichtdicke von 20 nm bis 250 nm auf diese Barriereschicht aufgebracht. Als Material für die Vergütungsschicht wird SiNx, SiOx, SiCx, T1O2, AlOx oder deren

Mischlegierungen (zB: SixOyN, SixOyC) verwendet. Eine 0,5 nm bis 20 nm dünne Silizium und/oder Sauerstoff aufweisende Schicht wird auf die

Vergütungsschicht aufgebracht. Auf dieser Precursorschicht - beispielsweise aus SiOx, Si Nx, Si N _x O _y oder AI2O3 - wird eine amorphe oder nanokristalline Si-Schicht und darauf eine weitere Schicht als Dotierquelle für die n- Leitfähigkeit der Absorberschicht, beispielsweise enthaltend Phosphor oder Arsen oder Antimon, abgeschieden. Diese weitere als Dotierquelle dienende Schicht kann auch vor dem Aufbringen einer amorphen oder nanokristallinen Si-Schicht aufgebracht werden. In beiden Fällen wird anschließend die Si- Schicht mittels einer Linienenergiequelle durch Flüssigphasenkristallisation kristallisiert. Bei der Flüssigphasenkristallisation entsteht eine sehr dünne SiO2-Passivierschicht zwischen Precursorschicht und Siliziumabsorber. Bei Verwendung von SiN _x wird der zur Ausbildung der SiO2-Passivierschicht notwendige Sauerstoff in die amorphe und/oder nanokristalline Siliziumschicht durch direkte Deposition eingebracht. Auf dieser dünnen SiO2-Schicht wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine n-leitende kristalline Si- Absorberschicht mit einer Schichtdicke zwischen 200 nm und 40 μιη und einer homogenen Dotierung zwischen 2-10 ¹⁵ cm ³ bis 5-10 ¹⁸ cm ^~3 über die gesamte Dicke der Absorberschicht erzeugt. Bei der Herstellung dieser

Absorberschicht werden die Verfahrensparameter so gewählt, dass die in der Absorberschicht entstehenden einkristallinen Si-Körner in ihrer Ausdehnung mindestens so groß sind wie die Dicke der Absorberschicht.

Die homogene Dotierung für die n-Leitfähigkeit der Absorberschicht kann auch durch in-situ Dotierung während der Deposition der Silizium-Schicht erzeugt werden, wie in einem weiteren unabhängigen Verfahrensanspruch vorgesehen. Dies kann beispielsweise durch eine konstante Dotierung während der Deposition einer amorphen oder nanokristallinen Si-Schicht erfolgen oder auch durch lokale Dotierung, dh durch kurzzeitiges Zufügen erwähnter Dotanden an einem bestimmten Ort.

In Ausführungsformen ist vorgesehen, die Dotierungskonzentration der Absorberschicht in einem Bereich von 1 ,5-10 ¹⁶ cm ³ bis 2-10 ¹⁸ cm ³ zu erzeugen bzw. die Dotierungskonzentration ND der Absorberschicht in

Abhängigkeit ihrer Dicke gemäß ND = Co ^■ 1 /d einzustellen, wobei d die Dicke der Absorberschicht in Mikrometern bezeichnet, die zwischen 200 nm und 40 μιη liegt, und Co eine flächenbezogene Dotierung kennzeichnet, deren Wert in einem Bereich zwischen 6-10 ¹⁷ μπναη ^"3 bis 8-10 ¹⁸ πναη ^"3 liegt. Die Oberfläche der so hergestellten n-leitenden kristallinen Absorberschicht wird anschließend gereinigt, auf ihr wird eine a-Si:H(i)-Pufferschicht und eine a-Si:H(p)-Emitterschicht aufgebracht. Die Rückseitenkontaktierung erfolgt - wie bereits erwähnt - mit dem Stand der Technik nach bekannten Mitteln.

Verfahren zur Flüssigphasenkristallisation unter Verwendung einer

Linienenergiequelle sind bekannt und beispielsweise in DE 2012 004 314 A1 oder in Solar Energy Materials & Solar Cells 123 (2014) 13 - 16 von Amkreutz et al. beschrieben.

Die Erfindung wird in folgendem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

Auf ein Glassubstrat wird mittels reaktivem Kathodenzerstäuben eine 250 nm dicke SiOx-Barriereschicht abgeschieden. Darauf wird zunächst eine SiNx- Vergütungsschicht mit 70 nm Dicke mittels reaktivem Kathodenzerstäuben aufgebracht. Das Aufbringen der Schichten kann auch mittels chemischer Gasphasenabscheidung erfolgen. Anschließend wird eine 20 nm dünne SiOx- Schicht mittels reaktivem Kathodenzerstäuben aufgebracht. Darauf wird eine 10 μιη dicke nanokristalline Si-Schicht abgeschieden, auf dieser eine phosphorhaltige Schicht einer Dicke von 2,5 nm als Dotierquelle.

Anschließend wird die Si-Schicht mittels einer Linienenergiequelle durch Flüssigphasenkristallisation kristallisiert. Dadurch wird auf diesem

Schichtstapel eine kristalline n-leitende Absorberschicht erzeugt, die eine Dicke von 10 μιη, eine Dotierkonzentration von 1 -10 ¹⁷ cm ³ und einkristalline Si-Körner mit einer vertikalen Ausdehnung von > 10 μιη aufweist. An der Grenzfläche Absorberschicht/Vergütungsschicht entsteht während der

Flüssigphasenkristallisation eine dünne - nur wenige nm dicke - S1O2- Passivierschicht. Anschließend werden nach einer nasschemischen

Reinigung der Absorberschicht eine a-Si:H(i)-Pufferschicht und eine a-Si:H(p)- Emitterschicht aufgebracht, die dann mit einem dem Stand der Technik nach bekannten rückseitigen Kontaktierungssystem versehen werden. Die Dotierungskonzentration der Absorberschicht ND kann in einem

ausgewählten Parameterbereich bestimmt werden durch die Gleichung

ND = Co ^■ 1/d,

wobei d die Dicke der Absorberschicht bezeichnet, die zwischen 200 nm und 40 μιη liegt, und Co eine flächenbezogene Dotierung kennzeichnet, deren Wert in einem Bereich zwischen 6-10 ¹⁷ μπναττ ³ bis 8-10 ¹⁸ μπναη ^"3 liegt. Die entsprechenden Parameterbereiche sind in der Figur 1 dargestellt.

Messungen haben bestätigt, dass erfindungsgemäße rückseitenkontaktierte Solarzellen Leerlaufspannungen oberhalb von 625 mV aufweisen, wenn die angegebenen Parameter eingehalten werden. Dieses Ergebnis ist in Figur 2 dargestellt.