INTEGRATED ARRAY OF SERIAL-CONNECTED SOLAR CELLS

Abstract: 1. An integrated solar cell arrangement in which a number of solar cells with semiconductor zone sequences forming PN-junctions and built up perpendicularly of the plane of a semiconductor substrate are arranged at intervals from one another and in a row parallel to said plane in said semiconductor substrate and are connected in series by conductor paths arranged on the semiconductor substrate and contacting the semiconductor zones, characterized in that the two surfaces of a highly resistive semiconductor substrate each have arranged on them a row or strip-like, alternately p**+- and n**+- conducting semiconductor zones arranged parallel to one another at intervals apart, in such a way that an n**+- conducting semiconductor substrate zone on one surface of the semiconducteur faces a p**+- conducting semiconductor zone on the other surface and in that conductor paths each connecting a solar cell zone sequence to an adjacent solar cell zone sequence are alternately arranged on one surface and the other surface of the semiconductor substrate.

Description: Integrierte Serien-Solarzelle Erfindungsbeschreibung 1. Problemstellung Solarzellen liefern bekanntlich eine Spannung, die durch die Bandlücke des verwendeten Halbleiters begrenzt ist, im Regelfall etwa 50 bis 80% der Bandlücke. Siliziumsolarzellen liefern z.B. bei einer Si-Bandlücke von 1.1 eV eine Leerlaufspannung von etwa 0.6 V. Diese niedrige Spannung der Solarzellen ist in der Praxis ausserordentlich hinderlich, da für jede mögliche Anwendung eine höhere Spannung gefordert wird, d.h. man muss immer eine Reihe von Solarzellen hintereinanderschalten. Das mühselige Verschalten jeder einzelnen Zelle verursacht einen erheblichen Anteil der Kosten des Gesamtsystems. In der vorliegenden Erfindung soll eine Solarzellenstruktur beschrieben werden, die in integrierter Form die Serienschaltung von vielen Zellen auf einem Substrat ermöglicht. Dadurch könnte man für viele Anwendungen mit nur einer Solarzelle auskommen und für grössere Anlagen den Verschaltungsaufwand wesentlich herabsetzen. 2. Stand der Technik Es sind bereits einige Vorschläge bekannt, wie man eine monolithische Serienschaltung von Zellen erreichen kann, die sich jedoch alle wegen technischer Schwierigkeiten bisher nicht durchsetzen konnten. Sehr alt ist der in [ 1 ] beschriebene Vor schlag, der im wesentlichen auf eine Verschaltung von Einzelzellen in Hybridtechnik auf einem mit Leiterbahnen versehenen Substrat hinausläuft. Ein anderer Vorschlag ist die horizontal multi junction cell [2]. In dieser PS wird eine Anordnung beschrieben, bei der in einem Halbleitersubstrat eine Anzahl Solarzellen mit p-n-Ubergängen bildenden, senkrecht zu der Halbleitersubstratebene aufgebauten Halbleiterzonenfolgen in einer Reihe und in Abständen voneinander parallel zur Halbleitersubstratebene angeordnet und durch auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachte, die Halbleiter zonen kontaktierenden Leiterbahnen in Serie geschaltet sind. Die Realisierung dieser Struktur ist technologisch möglich für Halbleitermaterialien mit hohem Absorptionskoeffizient für die umzuwandelnde elektromagnetische Strahlung, d.h. für Halbleiter mit direkter Bandstruktur, für die eine geringe Schichtdicke des Materials von einigen ijm ausreicht. Grosse technologische Schwierigkeiten ergeben sich bei indirekten Halbleitermaterialien, zu denen auch das Silizium gehört, welche zur ausreichenden Absorption der Strahlung eine Schichtdicke von mindestens 50 ssm, besser aber mehr als 100 ssm aufweisen müssen. Um die Zelle nach Vorschlag [ 2 ] zu realisieren, muss nämlich an den Verknüpfungsstellen eine hochdotierte Zone von der Oberfläche der Zelle bis zur zuunterst liegenden poder n-Schicht geschaffen werden. Nach dem heutigen Stand der Technik kann dies nur durch Diffusion der p- oder n-Dotierung erfolgen, wobei die Diffusion durch derartige Schichtdicken äusserst zeitaufwendig ist. Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich auch dadurch, dass die Diffusion nicht nur in Richtung senkrecht zur Substratebene verläuft, sondern dass die hochdotierte Zone sich auch gleichmässig nach beiden Seiten horizontal ausbreitet, was zu einem erheblichen Platzbedarf für n - oder p -Zonen führt. Da diese Fläche nicht zur aktiven Solarzelle gehört, wird der Umwandlungswirkungsgrad erheblich vermindert. Eine weitere Solarzelle, die in diesem Zusammenhang wichtig ist, ist die "interdizitated solar cell" [ 3 ] . Sie beruht auf der Erkenntnis, dass in hochohmigem Halbleitermaterial die durch die Bestrahlung im Gleichgewicht erzeugte Ladungsträgerdichte höher ist als die von der Dotierung herrührende. Durch nebeneinander eindiffundierte p - und n -Zonen erfolgt eine Trennung der photogenerierten Ladungsträger - die Photospannung kann zwischen diesen Zonen abgenommen werden. Voraussetzung für das Funktionieren der Anordnung ist, dass die Schichtdicke des Halbleiters und die Entfernung der hochdotierten Zonen voneinander nicht grösser ist, als Diffusionslänge der Ladungsträger. Eine Anordnung nach Vorschlag [ 3 ] kann allerdings nicht direkt zur Serienschaltung verwendet werden, da daraus nur Kurzschlüsse resultieren würden. Von besonderer Bedeutung sind Serien-Solarzellen für konzentrierte Systeme, in denen Sonnenlicht durch Linsen oder andere Vorrichtungen auf eine Solarzelle konzentriert wird. Wegen der hohen, in Konzentratorzellen auftretenden Stromdichten spielen ohmsche Widerstände eine besondere Rolle. Der Einfluss dieser Widerstände lässt sich reduzieren, indem durch Serienschaltung in der Zelle die Spannung auf Kosten des Stroms erhöht wird. Neben den Konzentratorsystemen, die auf der Basis der geometrischen Optik mit Linsen und Spiegeln arbeiten, wurde in letzter Zeit auch ein Konzept bekannt, das die Konzentration von diffusem Licht durch einen Fluoreszenzeffekt erlaubt [ 4 ] , nämlich der Fluoreszenzkollektor. Die hier vorgeschlagene neue Struktur ist besonders für diese Art Kollektoren geeignet. Eine Ubersicht über Solarzellen für Konzentratoren gibt H.J. Hovel [5]. 3. Beschreibung der integrierten Serien-Solarzelle In der hier beschriebenen Erfindung werden die Nachteile der bisher bekannten Lösungen vermieden. Es wird eine Solarzelle vorgestellt, die trotz erheblicher Dicke des Halbleitermaterials nur das Einbringen sehr dünner dotierter Zonen erfordert und die durch oberflächliche Leiterbahnen die Verschaltung zur monolithischen Serienzelle ermöglicht. In Fig. 1 ist gezeigt, wie aus der Serienschaltung von einzelnen Solarzellen eine integrierte Solarzelle entsteht. Man + sich die ni + stellt sich die n p p -Zellen abwechselnd umgedreht vor und vereinigt diese Anordnung zu einer monolithischen Struktur mit Metallkontakten, die die Serienschaltung bewirken. Diese Strukturen funktionieren dann, wenn das Substrat - die Zone zwischen p und n - möglichst hochohmig ist, so dass im Betriebsfall die durch Licht generierten Ladungsträger eine höhere Konzentration als die aus der Dotierung resultierenden haben. Es ist ausserdem vorauszusetzen, dass die Dicke der Solarzelle kleiner ist als die Ladungsträgerdiffusionslänge. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, hat die integrierte Solarzelle auch den Vorteil, dass sie entweder nur von einer Seite oder von beiden Seiten beleuchtet werden kann. Das ist insbesondere von Vorteil für die Anwendung in Fluoreszenzkollektoren. Nun hat aber die integrierte Solarzelle, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, einen Nachteil: Zwischen jeweils zwei nicht durch Metallkontakte verknüpften p - und n -Zonen liegt die doppelte Spannung, die in einer einzelnen Zelle erzeugt wird, in Flussrichtung. Dadurch fliesst ein Injektionsstrom zwischen den beiden Zonen, der als parasitischer Strom dem Nutzstrom entgegenfliesst. Daher müssen Massnahmen getroffen werden, um diese Zonen elektrisch zu separieren. Da die kritischen Bereiche von den Anregungsstrahlen mit erfasst werden, entsteht dadurch die normale Photo spannung zwischen den Oberflächenzonen, die der Injektionsspannung entgegengesetzt ist, so dass die effektive Injektionsspannung gleich der einer einzelnen Solarzelle ist. Mehrere Wege können begangen werden, um dre Separation zu erzielen. Diese sollen nun kurz beschrieben werden. 3.1 Ätzung von Separationsgräben In Fig. 2 ist gezeigt, wie durch geeignete geätzte Einschnitte zwischen den Zellenbereichen die Injektionsströme eleminiert werden können. Wegen der vorhin erwähnten Generationsgegen spannung genügt es, die Gräben durch das halbe Substrat zu ätzen. Dadurch bleibt die mechanische Stabilität der Serien Solarzelle erhalten. Die hier beschriebene Ätzung kann mit den heute bekannten Methoden der Halbleitertechnologie bewerkstelligt werden, z.B. mit kristallanisotroper Sätze oder mit Plasmaätzung. Durch die nur teilweise Durchätzung des Substrats bleibt die Integrität des Bauelements erhalten, wodurch sich diese Lösung von [ 1 ] unterscheidet. 3.2 Dotierung mit Rekombinationszentren bzw. Traps Eine einfache, wenn auch nicht ganz so effektive Separation kann durch Dotierung mit Rekombinationszentren bzw. Traps erreicht werden (Fig. 3). Bekanntlich ist in perfekten p-n Ubergängen der Strom bei vorherrschender Trägerinjektion durch I =# eqV/kT gegeben (Io =Sperrstrom, V = anliegende Spannung). Wenn Raumladungsrekombination vorherrscht, wird diese Beziehung I = Io qV/2kT d.h. der Exponentialfaktor ist um den Faktor 2 reduziert. Zusammen mit der Photogegenspannung erhält man daher einen kleineren parasitären Strom. Die eingebrachten Störtermen sollten mehr als Traps denn als Rekombinationszentren wirken. Eine sehr einfache Methode zur Einbringung der Störterme bietet Bestrahlung mit Elektronenstrahlen. Die Separation von Einzelkomponenten integrierter Schaltungen durch Rekombinationszentren ist an sich aus [ 6 ] bekannt. Das dort beschriebene Verfahren von Gold oder anderen Rekombinationszentren kommt aber aus zwei Gründen für die hier betrachtete Anwendung nicht in Frage. 1.: Gold oder andere Rekombinationszentren sind für Solar zellen ausserordentlich schädlich, da sich die Diffusions längen reduzieren. Es ist erfahrungsgemäss nicht möglich, die Diffusion dieser Rekombinationszentren auf einen engen Bereich zu beschränken. Daher sollten hier die eingebrachten Zentren nicht als Rekombinationszentren wirken, sondern als tiefe Traps, was durch stark unter schiedliche Einfangquerschnitte für Elektronen bzw. Löcher bewirkt wird. 2.: Aus den bereits oben erwähnten Gründen würde eine Diffu sion der Störstellen einen zu hohen Flächenbedarf er fordern. 3.3 Schutzringe Eine weitere Methode, um den vorgenannten Zweck zu erreichen, besteht in der Anordnung von nichtkontaktierten Zwischenzonen (p+ oder n+). Dadurch wird die Spannung unterteilt und ebenfalls der Injektionsstrom reduziert (Fig. 4). Die Anwendung von Schutzringen in der integrierten Schaltungstechnik ist zwar bekannt (siehe z.B. [ 7 ] ), wird dort aber nur für Zwecke des Channelstops verwendet. Auf hochohmigen Substraten vom p-Typ bilden sich häufig unerwünschte Inversionsschichten von n-Typ, die durch derartige p -Zonen unterbrochen werden können. Mit den beschriebenen Separationsverfahren kann auch die interdigitated cell in Serienschaltung angewandt werden. Zu diesem Zweck ist die Zelle in Untereinheiten zu unterteilen, wobei innerhalb einer Einheit jeweils gleiche Leitfähigkeitszonen miteinander verbunden werden, die dann wieder in Serie mit den weiteren Einheiten verbunden werden (Fig. 5). 4. Anwendung und Ausführungsformen Die Anwendung der integrierten Serien-Solarzelle kann sowohl als Flachzellen als auch als Konzentratorzellen geschehen. Die Hauptanwendung wird jedoch in Konzentratoren gesehen. Die hier beschriebene Serienzelle hat den besonderen Vorteil, dass sie auf beiden Seiten lichtempfindlich ausgestaltet werden kann, da sie eine diesbezüglich symmetrische Struktur darstellt. Dadurch kann sie vorteilhaft für konzentrierende Systeme eingesetzt werden. Diese können konventioneller Art sein [ 8 ] oder als Fluoreszenzkollektoren [ 4 ] ausgebildet sein. Beschreibung der Abbildungen Fig. 1 zeigt das Entstehen der Serien-Solarzelle aus dis kreten, hintereinander geschalteten Einzelzellen (1a). In 1b sind die Einzelzellen so rotiert, dass die Verknüpfung auf jeweils einer Seite möglich ist. In 1c ist schliesslich diese Struktur monolithisch mit aufgedampften Leiterbahnen realisiert. Fig. 2 zeigt die elektrische Separation der Einzelzellen durch geätzte Gräben. Fig. 3 zeigt die Separation durch Dotierung mit Störtermen (schraffierte Bereiche). Die Störterme können entweder durch Elektronenbestrahlung oder Diffusion eingebracht werden. Fig. 4 zeigt die Separierung durch nichtkontaktiert n und p + -Zonen. Fig. 5 zeigt die Serienschaltung einer interdigitated solar cell. Innerhalb der Zelleneinheiten sind n - und p Zonen miteinander verbunden, zwei Einheiten werden dann so verbunden, dass eine Serienschaltung entsteht. Die Beschaltung ist als Leiterbahnensystem auf der Unterseite der Zelle zu verstehen. Literatur [1] US-PS 3370986 [2] R.M. Warner US Patent 3, 994, 012 (1976) [3] M.P. Lammert and R.J. Schwarz IEEE Trans ED-24, 337 (1977) [4] A. Goetzberger and W. Greubel Appl. Phys. 14, 123 (1977) [5] H.J. Hovel IBM J. Res. Dev. 22, 112 (1978) [6] GB-PS 1052 857 [ 7 ] Papers of the 24 th Electronic Components Conf. Wash. USA, (1974) S. 262 [ 8 ] FR-OS 2 342 558

Claims: Ansprüche 1. Integrierte Solarzellenanordnung, bei der in einem Halbleitersubstrat eine Anzahl Solarzellen mit PN übergängen bildenden, senkrecht zur Halbleitersub stratebene aufgebauten Halbleiterzonenfolgen in Ab ständen voneinander und in einer Reihe parallel zur Halbleitersubstratebene angeordnet und durch auf dem Halbleitersubstrat angebrachte, die Halbleiterzonen kontaktierenden Leiterbahnen in Serie geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Oberflächen eines hochohmigen Halbleitersubstrats je eine Reihe von streifenförmigen, zueinander parallelen, vonein ander Abstände aufweisenden, abwechselnd p - und n leitenden Halbleiterzonen derart angeordnet sind, dass jeweils einer p+-leitenden Halbleiterzone an der einen Oberfläche des Halbleitersubstrats eine n+ -leitende Halbleiterzone an der anderen Oberfläche gegenüber liegt, und dass abwechselnd auf der einen und der an deren Oberfläche des Halbleitersubstrats Leiterbahnen angeordnet sind, die je eine Solarzellen-Zonenfolge mit einer benachbarten in Serienschaltung verbinden. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht durch Leiterbahnen verknüpften Zonen durch Spalte im Substrat separiert sind, deren Tiefe minde stens die halbe Dicke des Substrats beträgt. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gei#ani#zeicnne-L-, da### - zwischen die nicht durch Leiterbahnen verknüpften Zonen tiefe Störniveaus eingebracht werden. 4. Anordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung von Störniveaus durch Elektronen bestrahlung erfolgt. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den nicht durch Leiterbahnen verknüpften p und + und n -Zonen schmale, nicht elektrisch verbundene n und/oder p -Zonen angeordnet sind. 6. Anordnung nach Anspruch 1 und 2 oder 1, 3 und 4 oder 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle von beiden Seiten bestrahlt wird. 7. Interdigitated Solarzelle, bestehend aus einem hoch ohmigen Halbleitersubstrat auf dessen dem Licht ab gewandter Oberfläche eine Anzahl von abwechselnd p - und n leitenden Halbleiterzonen angeordnet sind und durch Leiterbahnen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet , dass auf einem Substrat mehrere solcher Zelleneinheiten, bestehend aus mehreren p - und leitenden Halbleiterzonen durch Leiterbahnen in Serie geschaltet werden und dass die Zelleneinheiten durch eine der Massnahmen nach Anspruch 2 bis 5 sepa riert werden. 8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiter Silizium verwandt wird. 9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Verbindung mit einem Fluoreszenzkollektor angewandt wird.

Inventors: GOETZBERGER, ADOLF, DR. PROF.
Applicants: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.
Application year: 1980
Main classification: H01L27
IPC codes: H01L27