SE537287C2 - En solcellsstruktur och en metod för tillverkning av densamma - Google Patents

Abstract

SAMMANDRAG Uppfinningen avser en solcellsstruktur och en metod for dess tillverkning, dar strukturen innefattar en array av avlanga nanotradar utforda i ett halvledarmaterial med ett direkt bandgap. Vardera nanotrad har kminstone en forsta och en andra sektion. Namnda struktur vidare innefattar ett fOrsta elektrodlager som realiserar ohmsk kontakt mot atminstone en del av vardera forsta sektion, ett andra, optiskt transparent elektrodlager som realiserar kontakt mot kminstone en del av vardera andra sektion, ett adhesivt lager anordnat under det forsta elektrodlagret, och ett isolerande lager som elektriskt separerar de forsta och andra elektrodlagren. Vardera nanotrad innefattar ett utarmningsomrade intill en toppyta far nanotraden som utstracker sig ahninstone i nanotradens longitudinella riktning. Avstandet mellan nanotradens toppyta och den Owe gransen fen- namnda utarmningsomrade understiger 180 nm.

Description

537 287 EN SOLCELLSSTRUKTUR OCH EN METOD FOR TILL VERKNING AV DENSAMMA Beskrivningen hanfor sig i huvudsak till en solcellsstruktur innefattande en array (ett ordnat mOnster) av avlanga nanotradar tillverkade av halvledarmaterial med ett direkt bandgap.

Marknaden felt- solceller domineras fOr narvarande av tva konkurrerande tekniker — kiselbaserade solceller och tunnfilmssolceller. FOr denna ansiikan skall en solcell forstas som en enkel diod utformad for fotovoltaiska applikationer, innefattande dess elektriska kontakter och stromspridande skikt.

Attraktiva materialegenskaper (sarskilt vad avser materialrenhet och passivering), valutvecklad och enkel processteknik samt lagt ramaterialpris har drivit utvecklingen av kiselbaserade solceller, da de kombinerar hog verkningsgrad med lag kostnad. Rent strukturellt kan Si-baserade solceller vara anordnade pa olika vis. Som ett exempel kan en Si-skiva (wafer) vara omkring 200wn tjock, ha en mOnstrad yta och en antireflexbelaggning (exempelvis av SiNx). Skivan är oftast av p-typ med en grund emitter som vetter mot solen, och med ett baksidescalt genererat av in-diffusion av Al eller annat dopamne av p-typ. Ett stort antal Si-solceller ansluts typiskt seriellt für att minska de resisitiva forlusterna till foljd av hog strOmstyrka. Huvudsakliga nackdelar med solceller baserade pa mono- eller poly-kristallina kiselskivor är aft fOrhallandevis hog energi- och materialatgang i produktionen, vilket leder till rang tid innan man kan sakerstalla lOnsamhet. Med termen monokristallin avses bar kisel med kontinuerliga, dvs. obrutna, kristallgitter, medan termen poly-kristallina avser material material som bestir av sma kiselkristaller. Vidare saknas for kisel en tydlig fardplan for aft fOrbattra effektiviteten i nagon stOrre grad fOrbi det som idag utgOr en rekordniva pa drygt 25% energieffektivitet.

Den andra signifikanta marknadsandelen innehas av solceller enligt tunnfilmstekniken, av vilka den mest framganmgsrika till dags dato är en solcell baserad pa kadmiumtellurid (CdTe). mom tunnfilmssolceller deponeras ett material med hOgre ljusabsorptionsegenskaper an kisel som en tunn film pa ett substrat av lag kostnad 1 537 287 (exempelvis glas). Filmens tjocklek är ungefar 1% av tjockleken for en konventionell kiselbaserad solcell. Da solcellen skapas i ett material som normalt sett deponeras ovanpa substratet, exempelvis genom kemisk angdeponering (Chemical Vapor Deposition, CVD) eller fOrstoftning (sputtering), snarare an aft utgOra substratet i sig, är tunnfilmstekniker normalt sett inte begransade av skivformfaktorer utan kan utfOras i stora skikt. Dessutom, da ttumfilmsemittern typiskt sett mindre konduktiva an kiselemittrar, maste en transparent konduktiv oxid (transparent conductive oxide, TCO) deponeras pa den sida som vetter mot solen. JamfOrt med kiselbaserade solceller erbjuder tunnfilmstekniken kostnadsfOrdelar sasom lag materialatgang och skalningsfOrdelar, dá stOrre substrat kan anvandas, men lider av en ldgre effektivitet an kiselbaserade solceller, som en foljd av en samre materialkvalitet.

Ovan angivna nackdelar, i synnerhet hog atgang av energi och material i produktionen, mildras signifikativt av solceller ljusuppsamling drivs av III-V-halvledarmaterial.

Narmare bestamt astadkoms en hOgre konversionseffektivitet i kombination med en lag materialanvandning med hjalp av solceller tillverkade av tunnfilmer i singelkristall av III-V-halvledare, sasom GaAs. Energieffektiviteten fOr dessa celler Overstiger 28% fOr de hOgst presterande cellerna.

Med fortsatt hanvisning till anvandning av GaAs i solcellsapplikationer, sa är GaAs det lampliga materialvalet for solceller med enkelovergangar tack vare dess bandgap och hOga fotonabsorption. Med hansyn till produktionsovervaganden ar GaAs ett lampligt material fOr solceller med enkelovergangar tack vare dess laga etsningstakt i fluorvatesyra. GaAs är ocksa ett av basmaterialen few tandemsolceller med hog effektivitet, dvs. solceller innefattande flera pn-Overgangar dar vardera Overgang kan vara anpassad fOr olika ljusvaglangder. Dessa ar typiskt baserade pa Ge/GaAs/InGaP och likartade material, vilka ger en indikation om aft derma teknik kan utvecklas mot en effektivitet som klart Overstiger 40%. I detta sammanhangkan namnas aft sadana extrema nivaer av effektivitet redan uppnatts for bulk-planaratandemsolceller fOr rymdapplikationer.

Nar III-V-halvledarmaterial anvands fOr ljusinsamling kan ytterligare framsteg gOras med anvandande av solceller baserade pa nanotradar, avlanga strukturer i nanostorlek. 2 537 287 Som ett exempel kan solceller baserade ph GaAs-nanotradar, fOretradesvis anordnade i en array, reducera materialhtgangen med nastan en storleksordning jamfOrt med tunnfilmssolceller i samma material. Diametern IN- en sadan nanotrad är ofta 150-200 m, och dess langd spanner mellan 1-3 p.m. Dessa nanotradar ar typiskt utfOrda i GaAs, men aven i InP och andra lampliga kompositioner med ett direkt bandgap. Noterbart är aft nanotradssolceller tillhandahaller flera mojligheter fOr tandemcellkonstruktioner. Trots aft denna teknik är relativt omogen, visar hi5ga kosrtslutningsstrOmmar som observerats i III-V-nanotradar som utsatts for direkt solljus aft vad galler fOnnagan aft samla in ljus i fOrhallande till materialanvandningen, sá Overtraffar nanotradarna tunrifilmstekniken klart. Ett exempel pa en shdan nanotrad beskrivs i den vetenskapliga artikeln benamnd "InP Nanowire Array Solar Cells Achieving 13.8% Efficiency by Exceeding the Ray Optics Limit" av Wallentin et al.

Strukturellt, och detta galler oavsett vilket material som anvands, kan man urskilja tva typer av nanotradar som anvands fOr solcellsapplikationer, baserat pa placeringen av pnOvergangen. Den fOrsta typen ar en nanotrad med en axiellt anordnad pn-Overgang, dvs. pn-Overgangen är sã beskaffad aft den huvudsakliga riktningen fOr strOmflodet Over pnOverghngen sammanfaller med nanotrAdens axiella utstrackning. Den andra typen ar nanotradar med radiellt anordnade pn-Overgangar, dvs. pn-Overgangen är sh beskaffad aft itminstone en del av strOmflodet Over pn-Overghngen loper vinkelratt mot nanotra'dens axiella utstrackning, sá aft arean fOr Overgangens som motsvarar namnda del av strOmflodet är stone an arean fOr &riga delar av Overgangen. Vidare har Overgangen en i huvudsak radiell symmetri. I samband med vad som anges ovan, och i synnerhet nar det galler GaAs, är nanotradar med radiellt anordnad pn-Overgang vanligare.

Nanotradhalvledare enligt dagens teknik, for anvandning i solceller, vaxes typiskt pa dyra substrat, ofta kallad skiva (wafer), varefter aterstiende komponenter for solcellen integreras pa detta substrat, vilket gOr denna teknik valdigt kostsam, i synnerhet vad galler en III-V-skiva shsom GaAs. I detta sammanhang ar det vanligast aft materialet for nanotrAden ar det samma, eller liknande, som substratet den vaxes frail och är integrerad med. GaAs-nanotradar vaxes exempelvis ofta pa GaAs-substrat. Vidare kan man, RV alt reducera tillverkningskostnaden, vaxa III-V-nanotradar, t ex. InP eller GaAs, pa ett 3 537 287 substrat som dr en konventionell kiselskiva. Det är i detta sammanhang vart aft notera aft kiselbaserade nanotradhalvledare, som vanligtvis ocksa \Taxes pa en kiselskiva, är valkanda inom teknikomradet, men den kunskap som hittills insamlats vad avser deras tillverkning och integration i solceller inte direkt kan Oversattas till omradet nanotradhalvledare i III-V-material, och andra material. Med bakgrund av det som angivits ovan och i syfte aft reducera tillverkningskostnadema, har olika metoder for aft kervinna substratet efter aft nanotradama avlagsnats darifran fbrslagits.

En annan nackdel fOrenad med skiv-baserad solcellsteknik (bade kisel- och GaAs- skivor) är aft skivarean i sig definierar cellarean, vilket i sin tur relaterar till strOmnivan.

Saledes kan ytterligare metallisering behovas for aft minimera resistiva fOrluster i ledande spridningslager sasom emittrar eller transparenta ledare. I detta sammanhang, och som diskuterats ovan i korthet, ar det slutliga substratet inom tunnfilmstekniken for solceller typiskt passivt och icke-ledande, exempelvis glas, sa aft segmentering av tunnfilmen kan goras for aft reducera strOmnivaema. Detta separerar den fysiska storleken pa det anvanda substratet fran stromnivan som uppnas i solcellen, vilket resulterar i flera fOrdelar — exempelvis Oppnar man upp for de ekonomiska fOrdelama med skalning samt mojligheten aft skraddarsy strOmnivaer i syfte aft minimera resistiva fOrluster i emittrar eller ledande skikt. Vidare kan behovet av matallmOnster elimineras.

En annan detalj med nanotradssolceller integrerade pa ett halvledarsubstrat dr aft ljuset som transmitteras genom nanotradarrayen gar till spillo som varme sa snail det absorberats i halvledarsubstratet savida inte en separat, annorlunda justerad solcell tillverkas pa sj diva substratet — en avsevard utmaning men tanke pa svarighetema med integration av olikartade material.

Atminstone nagra av de ovan diskuterade nackdelama associerade med skiv/substrat- baserade solcellstekniker skulle kurma adresseras med hjdlp aft nanotradsbaserade solceller under fOrutsattning aft en kristallin skiva kan undvikas i slutprodukten. Detta kan astadkommas antingen genom aft, vid nagot Winne, separera nanotradama fran det kristallina substratet (och med fOrdel ateranvanda substratet senare), eller genom aft helt och hallet undvika aft anvdnda substratet under tillverkningsprocessen for strukturen. Exempelvis kan man, genom aft anvanda substratfria tillvaxttekniker sasom Aerotaxymi 4 537 287 som visas i de internationella patentansakningarna PCT/SE2011/050599, PCT/SE2013/050594 och/eller vatskebaserad teknik far inriktning av nanotradar som visas i den intemationella patentansakningen PCT/SE2013/050389, vars innehall harmed infogas i sin respektive helhet genom hanvisning, eller genom aft mekaniskt separera tradarna fran eft substrat, sa kan tradarna istallet inriktas inuti ett overforingsmaterial — i regel en polymer eller annat liknande material. Dock maste den kritiska fragan om behMlning av inriktningen av sidana substratfria tradar fortfarande lasas.

I detta sammanhang reses vidare fragan om kontrollerad kontaktering av nanotradar. Narmare bestamt skulle polymerfilmer som behavs fOr aft Overfara tradar fran inriktningsytan/substratet till det nya, typiskt icke-kristallina, substratet normalt sett deponeras med hjalp av billiga metoder som kommer aft resultera i viss variation av filmtjocklek. Vanligtvis avlagsnas senare en del av polymerfilmen, i vilken nanotradarna fir inbaddade. Med anledning av filmens ojamnhet samt nanotradarnas storlek och kanslighet, ar det tydligt aft sadant avlagsnande, i huvudsak genom, mekaniska metoder, inte kan utfaras utan en hog grad av omsorg om nanotradarnas ursprungliga inriktning skall bibehallas. Detta komplicerar i sin tur det processteg som innebar kontaktering av nanotradama med elektroder.

En annan aspekt av nanotradsbaserade solceller ar ett Mgt farhallande yta/volym jamfOrt med plana solceller enligt kand teknik. Detta gaiter sarskilt far manga kompositioner med direkt bandgap ur grupperna III och V. Tack vare dess ideala bandgap och relativa tekniska mogenhet är harvid GaAs av sarskilt intresse som solcellsmaterial, men det är valdokumenterat aft dess ytegenskaper är mycket daliga.

Narmare bestamt leder den haga tatheten av yttillstand till utarmning av ytan samt farorsakar rekombination av minoritetsbarare. Exempelvis vaxer man typiskt passiveringslager i heterostrukturer av AlGaAs, GaInP etc. pa den plana ytan av konventionellt utformade solceller av GaAs, i syfte aft reflektera minoritetsbarare, vilket pa ett effektivt salt reducerar ytinducerad rekombination. Paverkan pa ytorna är dnnu mera signifikant om de korsas av pn-Overgangen. Far nanotradbaserade solceller aterfirms den ytterliga ytan pa nanotradamas sidovaggar och utgar en majoritet av ytan. Faljaktligen korsar alla Overgartgar sidovaggsytorna fOr nanotradar med axiellt 537 287 anordnade pn-Overgangar. Detta är sarskilt skadligt for material sasom GaAs med dokumenterat svaga ytor. En Overvagande del av den hittills utfOrda forskningen pa solceller med nanotradar i GaAs, och manga andra III-V-solceller, har darfOr varit fokuserad pa nanotradar med radiellt anordnade pn-Overgangar. I en sadan konfiguration är pn-Overgangen mindre exponerad for ytorna, och da utarmningsregionen är vinkelrat mot solstralningen sa har kort materiallivslangd, som är en konsekvens av de svaga ytorna, mindre inverkan pa fOrmagan att samla upp bararna.

Mot bakgrund av det ovanstaende verkar nanotradsarrayer med nanotradar av axiellt sa val som radiellt anordnade pn-Overgangar vara lampliga kandidater fOr att hoja effektiviteten samtidigt som materialatgangen minskas i solceller. Ett antal utestaende fragor kvarstar dock i detta hanseende. Det star helt klart att nagra av de kriterium som maste tillfredsstallas for aft en hallbar lOsning skall kunna astadkommas är hog utfOrandehastighet och palitlighet. Vidare bOr energieffektiviteten fOr de nya strukturerna matcha motsvarande varden for standardsolceller som är tillgangliga pa solcellsmarknaden. Ytterligare en utmaning ligger i att bevara nanotradarnas inriktning samt att mina haven pa haven vid kontaktering med hansyn till topp- och bottenkontakter. Detta galler sarskilt da nanotradarna är vasentligt kortar an nagot supportmaterial som am/ands for att separera nanotradarna fran det ursprungliga substratet. Slutligen utgOr efterfiiljande kontrollerad integration av separerade nanotradar pa nya substrat, fOretradesvis av lAg kostnad, en enorm utmaning.

Eft syfte med fOreliggande uppfinning är darfOr aft tillhandahalla en solcellsstruktur som atminstone reducerar nagra av de nackdelar som är associerade med den kanda 25 tekniken.

Vidare har koncept fOr nanotradsolceller fram till idag, i synnerhet de tillverkade ur IIIV-material, anvant aktiva eller ledande substrat. FOreliggande uppfinning gor det mojligt att integrera flera anslutna solceller pa eft enda substrat, vilket resulterar i skalningsfOrdelar och reducerade fOrluster fran metalliserade lager. 6 537 287 Ovan namnda syfte uppfylls med hjalp av ett uppfinningskoncept innefattande en solcellsstruktur enligt det oberoende patentkravet, dess utforingsformer enligt de underordnade patentkraven samt en metod fOr aft tillverka namnda solcellsstruktur.

Narmare bestamt tillhandahaller en aspekt av uppfinningen en solcellsstruktur innefattande en array av avlanga nanotradar utforda i ett halvledarmaterial med ett direkt bandgap, varvid vardera nanotrad har atminstone en fOrsta och en andra sektion, dar den forsta sektionen har en forsta polaritet och en dopningsniva som atminstone overstiger 1*18/cm3, varvid namnda struktur vidare innefattar ett fOrsta elektrodlager som realiserar ohmsk kontakt mot atminstone en del av vardera fOrsta sektion, ett andra, optiskt transparent elektrodlager som realiserar kontakt mot atminstone en del av vardera andra sektion, ett adhesivt lager, eventuellt ledande, anordnat under det forsta elektrodlagret, och ett isolerande lager som elektriskt separerar det fOrsta och det andra elektrodlagret, dar vardera nanotrad vidare innefattar ett utarmningsomrade intill en toppyta fOr nanotraden och som utstracker sig atminstone i nanotradens longitudinella riktning, varvid avstandet mellan nanotradens toppyta och den Ovre gransen for namnda utarmningsomrade understiger 180 nm.

En andra aspekt av fOreliggande uppfinning avser en metod for aft tillverka en solcellsstruktur innefattande en array av avlanga nanotradar i ett halvledarmaterial med ett direkt bandgap, dar namnda metod innefattar stegen aft tillhandahalla en forsta struktur pa ett materiallager, dar namnda struktur innefattar nanotradsarrayen och en polymermatris, varvid namnda nanotradsarray är fullstandigt inbaddad i namnda polymermatris, separera polymermatrisen med de inbaddade nanotradarna frail namnda materiallager, avlagsna en del av polymermaterialet sa aft atminstone en fOrsta extremitet av respektive nanotrad sticker ut ur polymermatrisen, tillhandahalla ett ledande lager som tacker de utstickande extremiteterna av respektive nanotrad, tillhandahMla ett adhesivt lager under det ledande lagret, avlagsna polymermatrisen fullstandigt med ett losningsmedel, deponera ett elelctriskt isolerande lager, 7 537 287 - exponera en andra extremitet av vardera nanotrfid, - deponera ett optiskt transparent ledande lager.

Nedan presenteras positiva effecter och fordelar med foreliggande uppfinning med 5 hanvisning till den fOrsta och andra aspekten av uppfinningen.

Genom aft hfilla aystandet mellan nanotradens toppyta och den Ovre gransen for utarmningsomradet kort erhfills solcellsstrukturen enligt uppfinningen, som ar atminstone lika energieffektiv som konventionella strukturer. Detta galler strukturer med en axiellt saval som en radiellt anordnad pn-overgang. Om avstandet mellan nanotradens toppyta och den Ovre gransen fOr pn-Overgangen, vilken mer eller mindre sammanfaller med omfattningen av det hOgdopade omradet, är mindre an 180 nm sä har Wallentin et al. visat (se i synnerhet Fig. 3b) aft strOmmen reducerades till omkring 70% av den observerade maximala strOmmen och till och med en hOgre andel av de simulerade toppvardena for strOmmen. Vid implementering i framtida nanotrAdbaserade solceller skulle denna %dust begransa effektiviteten till nivaer som enkelt kan uppnfis aven med gangse tekniker for multikristallina kiselsolceller, vilket allvarligt shine begransa framtida kommersiella utsikter for sadana celler. Avstandet mellan nanotrfidens toppyta och den Ovre gransen fOr utarmningsomradet styrs av tjockleken av ett hogdopat omrfide nara tradens topp. Detta omrade skall lianas kort — i en utforingsform dr den mindre an 150 nm, i syftet aft bibehalla strOmresponsen. I en vidare utfOringsform är tjockleken av det hOgdopade omradet mindre an 180 mn. I alla handelser skall denna tjocklek inte Overstiga 240 nm. Detta är en viktig frfiga for skivfria nanotradbaserade solceller, cla lager som anvands fOr aft uppratthalla inriktning och tillhandahfilla mekaniskt stOd är mycket tjockare an nanotradens langd, och kan ha ojamnheter som Overstiger 240 nm.

Eft extremt salt aft minimera avstandet mellan nanotradens Oversta del till den Ovre gransen for den fotoinsamlande Overgfingen fir aft tillhandahalla en SchottkyOvergfing 30 som toppkontakt. I eft sAdant fall Overensstammer den Ovre gransen for utarmningsomradet med kontaktgranssnittet. 8 537 287 Vidare maste processteg fOr aft tunna ut sadana lager avslutas med mycket hog tolerans. Dessutom är lager som anvands fOr aft (WedOra nanotradar sarmolikt inte det basta valet ur andra aspekter Mrande integration, sasom palitlighet i stranga omgivningsfOrhallanden. Tack vare fOreliggande uppfinning mOjliggOrs avlagsnande av sadana polymerlager med billiga vatstrippningsprocesser genom aft introducera en strukturell design for det undre ledande lagret och anvanda en anslutningsmatris som i ndr de kombineras ar kapabla stOdja tradarna och uppratthalla inriktning aven under vatstrippningssteg. Den efterfOljande integrationen mOjliggOr anvd ndning av additiva tunna lager med bibehallen inriktning och fOrbattrad styrning for aft mOta solcellens utmanande toleranskrav.

Det star klart aft den erhallna solcellsstrukturen är enkelt OverfOringsbar till valfritt substrat, och aft risken fOr kontaminering av den slutliga strukturen av spar fran material som harrOr fran OyerfOringspolymeren har eliminerats, da polymermatrisen avlagsnas fullstandigt med hjalp ay ett lesningsmedel.

Vidare astadkoms strukturen med godtyckligt aystand mellan tradarna, dvs. det ar inte erforderligt aft tradarrayerna ar tatt packade fOr aft nanotradamas inriktning skall uppratthallas.

Slutligen, eftersom fOreliggande uppfinning tydligt inte ar direkt anordnad for ett givet substrat eller metod for aft tillhandahalla nanotradarna, star det klart aft den erhallna strukturen kan skraddarsys till valbar storlek och form.

Ytterligare fOrdelar och sardrag for utfOringsformer kommer aft framga nar fOljande detaljerade beskrivning lases tillsammans med ritningarna.

Fig. 1 och 2 visar en axiell respektive en radiell implementation av den nanotradsbaserade solcellen enligt tva utthringsformer av fOreliggande uppfinning. Den axiella implementationen enligt Fig. 1 har en 3-segmentsnanotrad, medan den radiella implementationen enligt Fig. 2 ocksa har en 3-segmentsnanotrad, dar det nedersta segmentet endast utstracker sig i axiell led. 9

Claims (20)

1. 537 287 Figurema 3-15 visar steg av en icke begransande metod fOr tillverkning av solcellsstrukturen enligt fOreliggande uppfinning. Figurema 16-visar ett satt alt ansluta solceller seriellt.