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WO2013050563A2 - Halbleiterbauelement im mehrschichtaufbau und hieraus gebildetes modul - Google Patents

Halbleiterbauelement im mehrschichtaufbau und hieraus gebildetes modul Download PDF

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WO2013050563A2
WO2013050563A2 PCT/EP2012/069776 EP2012069776W WO2013050563A2 WO 2013050563 A2 WO2013050563 A2 WO 2013050563A2 EP 2012069776 W EP2012069776 W EP 2012069776W WO 2013050563 A2 WO2013050563 A2 WO 2013050563A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solar cell
semiconductor component
layer
component according
bypass diode
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2012/069776
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English (en)
French (fr)
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WO2013050563A3 (de
Inventor
Maike Wiesenfarth
Wolfgang Guter
Henning HELMERS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of WO2013050563A2 publication Critical patent/WO2013050563A2/de
Publication of WO2013050563A3 publication Critical patent/WO2013050563A3/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
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    • H10F10/142—Photovoltaic cells having only PN homojunction potential barriers comprising multiple PN homojunctions, e.g. tandem cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10F19/70—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules comprising bypass diodes
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor device in the multilayer structure, in which a bypass diode is monolithically integrated into the semiconductor device. Likewise, the invention relates to modules which are constructed from a plurality of these semiconductor components. The invention particularly relates to multiple solar cells in photovoltaics.
  • the interconnection can be monolithic or mechanical.
  • the p-n junctions consist of semiconductor materials with different bandgap, mostly of germanium and / or so-called III-V compound semiconductors, which are material compositions of the elements of III. and V. main group, e.g. gallium arsenide,
  • Gallium indium arsenide or gallium indium phosphide or other semiconductors, such as II-VI compound semiconductors.
  • the band gap energy of the pn junctions increases from the lowest to the highest solar cell.
  • a solar module several multiple solar cells are often connected in series. When connected in series in a module, the current intensity is limited by the solar cell with the lowest current generation, while the voltages of the interconnected solar cells add up. If a solar cell now supplies less than the other solar cells connected in series, or no power at all, the current flow is limited or completely interrupted. In order to prevent this, the current flow is ensured in the module by the use of bypass diodes and the shaded solar cell is protected against destruction.
  • a bypass diode is a diode that is anti-parallel to the solar cell.
  • a further current path is opened. In the case of reducing current generation of a solar cell within a PV module, e.g. due to shading or defect, this shaded solar cell is not loaded in breakthrough and could be destroyed, but the current flows through the bypass diode. In the case of shading (or other reason for low current generation in the solar cell), the voltage drop across the bypass diode increases until its
  • Threshold voltage is reached. Then the current flows through the bypass diode. In this case, a small voltage loss is generated.
  • the power of the shaded / defective solar cell connected in parallel with the bypass diode is absent in the overall yield, but the defective / shaded solar cell is protected.
  • the bypass diode blocks to prevent losses. gen. It flows a very low reverse current.
  • Concentrator modules with high current densities and series connection ideally each solar cell is protected by a bypass diode.
  • Multiple solar cells are used in terrestrial applications. There, concentrated light is converted into electricity.
  • the concentration of light is realized by reflective or refractive optics, such as mirrors or lenses.
  • the light is focused on the solar cell.
  • the concentration factor of light is up to 50-fold in low-concentration systems, 50 to 200-fold in medium concentrations, and 100 to more than 1500 times in high-concentration systems. Due to the concentration of light, the solar cell area can be reduced by about the concentration factor. Through the use of cost-effective optics costs can be minimized.
  • the second major area of application concerns space applications.
  • the materials of compound semiconductors of the 3rd and 5th main group are used due to their high radiation stability and their lower temperature dependence compared to silicon. Due to the high efficiencies of the multiple solar cells also results in a lower weight for the generation of a given electrical power.
  • Multiple solar cells consist of several pn junctions, which are connected in common series.
  • the layers of the multiple solar cells are usually by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE, metal organic vapor phase expitaxy) or others epitaxial processes, such as LPE (liquid phase epitaxy) or MBE molecular beam epitaxy) grown on a substrate (doped or undoped) in crystalline layers.
  • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
  • LPE liquid phase epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy molecular beam epitaxy
  • Tunnel diodes are highly doped diodes, which are inversely connected to the solar cells. This means that the n-doped layer of the solar cell is followed by the highly doped n-layer (usually written n ++ ) of the tunnel diode. After the highly doped p-layer (p ++ ) of the tunnel diode, the p-doped layer follows the next solar cell.
  • Typical dopants of the tunnel diodes are in the range of 1 * 10 19 to over 1 * 10 20 1 / cm 3 .
  • the dopants of the solar cells are in the range of 1 * 10 16 and 8 * 10 18 1 / cm 3 .
  • additional layers such as barrier layers, window layers and passivation layers.
  • each single multiple solar cell in a series connection is protected by a bypass diode.
  • separate protective diodes are usually connected to one another by metal contacts. This means that the solar cell and the bypass diode are mounted on a substrate and then, e.g. be connected electrically via wire bonding processes.
  • bypass diode When the bypass diode is placed next to the cells to be protected, the bypass diode is in the area of concentrated radiation. Then active area that could otherwise be used to generate electricity is lost. However, when the bypass diodes are mounted in the periphery, contacting the individual solar cells in the center of the module and focusing is difficult.
  • Another . Technology is mostly used in space photovoltaic modules and integrates the layers of the p-n junction of the bypass diode directly on or under the solar cell. This can be achieved either by chip bonding techniques or by growing the additional epitaxial layers on or under the solar cell layers or the substrate. This is e.g. in US 6,316,716 and US 6,452,086.
  • bypass diodes when bypass diodes are grown by additional layers on the wafer substrate, is that the surface of the bypass diode partially shadows the solar cell and a loss of area in the irradiated area arises. Also in US 6,316,716, in which additional layers are grown on the wafer substrate, the area of the bypass diode means a loss of active area.
  • bypass diode on the back by bonding processes. This creates an additional thermal resistance and the thermal connection to the substrate deteriorates. A very good thermal connection is important because almost the entire heat flow is dissipated via the substrate, which hits the solar cell and is not reflected or converted into electrical energy.
  • Another disadvantage is that the electrical serial connection of the solar cell with the next solar cell is difficult to implement.
  • the underside of the bypass diode must be electrically isolated from the back of the multiple solar cell and contacted with the front of the multiple solar cell. This means that areas on the bottom must be electrically isolated.
  • an additional tunnel diode is incorporated to change the polarity of the material.
  • the current flows through the p-n junctions of the multiple cell (or the p-n junction in single solar cells).
  • the current flows across the antiparallel, i. parallel and backward, switched p-n junction of the bypass diode (R. Löckenhoff: "Development,
  • Integrated modules can only be realized using semi-insulating substrate material because the segments must be electrically isolated from each other.
  • the current state of the art for MIMs is a single or dual solar cell.
  • the prior art for multiple cells is the triple solar cell.
  • the applications and developments go even more towards four or more pn junctions, as higher efficiencies can be achieved.
  • materials having a low band gap energy are commonly used in multi-junction solar cells having three or more pn junctions for the lowest pn junction.
  • a larger part of the incident spectrum can be absorbed.
  • germanium with a band gap of 0.7 eV is suitable.
  • the Ge subcell is typically generated by diffusion activation of a p-Ge substrate with group V elements from the III-V epitaxy.
  • group V elements from the III-V epitaxy.
  • an arsenide or phosphide layer for example GaAs or GalnP, is deposited over the substrate.
  • group V atoms from this layer diffuse into the substrate and overcompensate for the existing p-doping until the top layer of the substrate is finally n-doped and a pn junction is formed.
  • the substrate material in this case is not electrically insulating, as is necessary for MIMs. This means that on n- or p-germanium substrates no MIMs and thus also no triple solar cell MIMs can be produced.
  • a semiconductor component is provided in the multilayer structure which contains the following components:
  • At least one solar cell made of a substrate made of electrically conductive semiconductor material and having a base layer (the lower one)
  • Layer of the sun-oriented pn junction and above which has an emitter layer (the top layer of the sun-oriented pn junction), one layer being n-doped and the other layer being p-doped,
  • the bypass diode has a p-doped layer and an n-doped layer and is epitaxially integrated between the pn junctions of the at least two solar cells and contacted in parallel against the at least two other pn junctions.
  • the energy band gap of the solar cells decreases from the solar cell directly exposed to the solar radiation (uppermost pn junction) in the direction of the substrate (lowest solar cell).
  • the bypass diode is made of a material having an energy bandgap equal to or greater than the energy bandgap of the p-n junction deposited above the bypass diode.
  • the base layer and the emitter layer of the at least one bypass diode preferably have the same doping sequence of the p-n junctions as the other solar cells (towards the solar irradiated side to the substrate).
  • At least one electrically conductive layer is arranged as a transverse conductive layer, which has electrical contact with at least one adjacent layer and over which the current is conducted laterally. It is further preferred that the at least one transverse conductive layer has exposed contacting surfaces, via which electrical contacting can take place.
  • the transverse conductive layer has preferably a sheet resistance of less than 3 ⁇ .
  • a further preferred embodiment provides that the base (lowest layer) of the lowest p-n junction is electrically contacted with the emitter of the uppermost p-n junction.
  • the electrical contacts described above can be effected by means of bonding wire and / or by means of a conductor strip and / or by vapor deposition or galvanization of a conductive metal.
  • At least one tunnel diode is arranged between the transverse conductor layers and the bypass diode or solar cell for making electrical contact.
  • the semiconductor device has a full-area backside contact. This means that the rear side is metallised on all sides and the electric current can be distributed and conducted there with low ohmic losses.
  • the substrate is preferably made of doped compound semiconductor material, e.g. from the group consisting of III-V compound semiconductors, germanium, silicon or II-VI compound semiconductors. Particularly preferred here are germanium, silicon and gallium arsenide.
  • the semiconductor component preferably has lattice-matched partial solar cells and / or lattice mismatched te.
  • Partial solar cells in particular of silicon, germanium or elements of the III. and V. or II. and VI. Main group of elements, on.
  • the layers of the semiconductor device are formed by epitaxially grown layers.
  • the semiconductor component can have further layers, in particular selected from the group of barrier layers, window layers, passivation layers and combinations thereof.
  • a module of a plurality of series-connected semiconductor components, as described above, is likewise provided.
  • the semiconductor devices are contacted via the contact surfaces, in particular by wire bonds or conductor strips.
  • Figure 1 shows an equivalent circuit diagram of a triple solar cell and a bypass diode according to the prior art.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a single segment of a tandem MIM with two solar cells and a bypass diode connected in parallel.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram with a spatial arrangement of two series-connected triple solar cells according to the prior art.
  • FIG. 4 shows a circuit diagram with a spatial arrangement of two series-connected triple solar cells according to the present invention.
  • the difference with the prior art is the order of the interconnected sub-cells.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the structure and interconnection of a semiconductor component according to the invention.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of a semiconductor component according to the invention.
  • FIG. 7 shows an equivalent circuit diagram of a further semiconductor component according to the invention.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the structural interconnection of a further semiconductor component according to the invention.
  • FIG. 9 shows a solar cell structure according to the invention with contact grid.
  • FIG. 10 shows a further solar cell structure with contact grid.
  • FIG. 11 shows a further solar cell structure with contact grid.
  • FIG. 12 shows a further solar cell structure with contact grid.
  • FIG. 13 shows a further solar cell structure with contact grid without front side metallization.
  • FIG. 14 shows a further solar cell structure with contact grid.
  • FIG. 1 shows the equivalent circuit diagram of a triple solar cell (germanium Ge, gallium arsenide GaAs, gallium indium phosphide GalnP) with an anti-parallel bypass diode BP.
  • J is the current density and is drawn in the technical current direction.
  • R c are ohmic resistors at the contacts and TD the tunnel diodes to allow electron flow from n to p in monolithic structures (doping of the pn junction could be the other way round).
  • FIG. 2 shows the equivalent circuit diagram of a segment of an MIM with parallel-connected bypass diode.
  • tunnel diodes TD are installed.
  • transverse conduction layers QLS are provided for the monolithic interconnection and the contacting of the bypass diode BP.
  • the substrate of the solar cell consists of electrically conductive semiconductor material (eg doped germanium or silicon, or doped gallium arsenide).
  • the layers of the bypass diode are monolithically integrated in the layer sequence of the solar cell. That is, they have grown neither on the layers of solar cells nor under the substrate, but in between. To accomplish this, the order of series connected pn junctions is changed.
  • the bypass diode is integrated so that no additional pn junction is needed. shading occurs.
  • the radiation of the underlying solar cell is transmitted, ie the energy band gap is greater than or equal to the energy band gap of the GalnAs cell.
  • the epitaxial layers of the bypass diode are monolithically grown, eg with an MOVPE process.
  • materials are selected which transmit the absorption wavelength range of the underlying solar cell.
  • the bandgap energy of the pn junction of the bypass diode must therefore be greater than or equal to that of the pn junction of the overlying solar cells.
  • the energy E of the radiation decreases in proportion to l / ⁇ .
  • the p-n junction of the bypass diode is poled analogously to that of the solar cells.
  • the base of the solar cells is p-doped and the emitters are n-doped
  • the lower layer of the diode is also p-doped
  • the upper layer is n-doped (and vice versa).
  • FIG. 5 illustrates the position of the contacting surfaces. Adjacent multiple solar cells are contacted via metallic connectors 7a. For this purpose, surfaces with metallization 8a, 8b are applied to the transverse conductive layers 5a, 5b. This connection is referred to as "bond.” The base of the lowermost solar cell 3 is contacted via the rear side metallization 11 to the front side metallization 10 to the emitter of the uppermost solar cell 1.
  • middle solar cell s
  • solar cell 2 with at least one p-n junction emitter and base
  • the uppermost solar cell and the middle (one or more) solar cells are connected in series by tunnel diodes.
  • the presented type of connection connects the base of the lowermost subcell with the emitter of the uppermost subcell via the contact 7b.
  • the emitter of the lower subcell is connected to the base of the middle subcells via the contact 7a.
  • transverse conduction layers are implemented, which are transparent analogous to the layers of the bypass diode for usable in the lowest cell photons. These are inserted on the one hand between the lowest solar cell and bypass diode, on the other hand between the bypass diode and the middle solar cell. In these transverse conductive layers, the current is transported laterally to the metal contacts. In order to achieve the highest possible electrical conductivity for low power losses, the highest possible doping is required. In the case of gallium arsenide, for example, a doping of 1 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 19 1 / cm 3 can be achieved
  • the back of the solar cell is metallized over the entire surface.
  • the current is transported as lossless as possible to the contact of the base of the lowermost solar cell 3 with the emitter of the uppermost solar cell 1.
  • the bypass diode 6 is disabled in normal operation for a current flow.
  • the tunnel diode 5b serves only to change the polarity and conducts the current in both directions with a small voltage drop. In the case of shading (or other cause of low current generation in the solar cell), the voltage drop across the bypass diode increases until its threshold voltage is reached. Then the current no longer flows through the solar cell, but directly between the two cross-conducting layers through the bypass diode. Thus, the shaded / defective cell is protected by the bypass diode from damage.
  • bypass diode is connected by the contacting electrically on the transverse conducting layers parallel to the solar cells and is doped against the doping of the solar cells.
  • FIG. 6 the electrical equivalent circuit diagram of the monolithic structure and contacting proposed here is shown in FIG. 6 - by way of example for a triple-junction solar cell with a p-doped germanium substrate.
  • the contact (R c bond ) from the neighboring cell or the electrical connection is not contacted like conventional contacts with the backside metallization (p-contact) of the germanium cell (solar cell 3). Instead, it is contacted between the base of the solar cell 2 (here p-doped) and the emitter of the cell 3 (here n-doped).
  • p-contact of the germanium cell is connected in series via a metallic contact (R c bond ) to the uppermost cell 1.
  • the p-contact of the uppermost solar cell 1 (made of gallium indium phosphide GalnP) is connected in series via a tunnel diode with the n-contact of the central solar cell 2 (for example of gallium arsenide GaAs).
  • the contact to the next multiple solar cell is made via the p-contact of the solar cell 2.
  • the bypass diode BP is connected in parallel and doped inversely to the solar cells.
  • the transverse conductive layers QLS2 and QLS1 are installed for contacting the solar cells and the bypass diode.
  • a tunnel diode is incorporated for contacting the p-contact of the bypass diode with the n-doped second transverse conduction QLS2 .
  • FIG. 7 again shows the equivalent circuit diagram of the invention for clarification. The components are drawn in the order they have grown.
  • FIG. 2 shows a second concept for realizing a monolithic contacting of the base of the solar cell 3 with the emitter of the solar cell 1.
  • the advantage is that the contacting takes place by processing the wafer and not only after sawing the wafer.
  • etching is carried out on the wafer into the substrate (solar cell 3) on the base in order to enable contacting of the base of solar cell 3.
  • the lateral, thereby exposed surfaces of the pn junctions of the remaining solar cells are electrically insulated via an insulating layer.
  • a suitable polyimide, silicon carbide (SiC), silicon nitride (SiN) or silicon dioxide (SiO 2 ) can be used.
  • the contacts 8a and 8b are led into the growth plane via a contact grid.
  • a contact grid In case of multiple In the presence of concentrated light, currents of up to 0.5 to 8 A must be conducted across the cross-conducting layer to the lateral contacts. In the case of the space solar cells ⁇ below the standard spectrum AMO), this is about 0.1 to 0.15 A. The current must flow via the transverse conducting layers and ohmic losses occur due to the sheet resistance of the transverse conducting layer. An additional contact grid reduces the loss of resistance in the crossover layers, as the current can travel a shorter distance.
  • the contact gratings are applied to the transverse conductive layers. For this purpose, grid-structured surfaces on the transverse conducting layers (eg by etching processes) must be exposed. The contact fingers are made of metal and therefore have better electrical conductivity.
  • FIGS. 9 to 13 The principle is shown in FIGS. 9 to 13 in different views.
  • the plan view of the solar cell can be seen in FIG.
  • the fingers of the contacts on the transverse conductive layers 8a and 8b and the front side metallization 10 can be seen.
  • FIG. 10 shows the layers of the solar cell and the contact on the second transverse conducting layer 8b.
  • Fig. 11 the view is directed to the contact of the first cross conduction layer 8a.
  • FIG. 12 shows a contacting form as shown in FIG. 8, but here the contacting of the emitter of the solar cell 1 is not at the edge but in the middle of the solar cell based on solar cell 3 led. Even so, the length over which the stream must flow becomes shorter.
  • FIG. 12 shows, in a sectional view, how the base of the lowermost solar cell 3 is contacted with the emitter of the uppermost solar cell 1.
  • etching is carried out from above through the entire layer sequence onto the base of the lowermost solar cell (or the substrate).
  • the etch edges are electrically isolated 9 (e.g., with polyimide or silicon nitride).
  • a metal connection is made between front side metallization and base of the lowest solar cell.
  • FIGS. 13a) and 13b the top view and side view of the solar cell are shown before the front side metallization and the electrical connection between the bottom and top solar cells have been applied.
  • Another optimization option is to apply the metallizations of the transverse conductive layers from below, as shown in FIGS. 14a) and 14b).
  • Trenches can also be etched from the back, thereby reducing the loss of active area in the upper cells. In terms of process technology, however, this is more difficult to realize for cells with a wafer substrate (for example germanium) since the entire substrate (layer thickness 130 to 500 ⁇ m) must be etched for this purpose. By contrast, the upper layer thicknesses are only 5 to 20 ⁇ m thick. This embodiment is particularly suitable for ultrathin solar cells, which consist only of the layers of the pn junction without stabilizing substrate.

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau, bei dem eine Bypass-Diode monolithisch in das Halbleiterbauelement integriert ist. Ebenso betrifft die Erfindung Module, die aus mehreren dieser Halbleiterbauelemente aufgebaut sind. Die Erfindung betrifft insbesondere Mehrfachsolarzellen in der Photovoltaik.

Description

Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau und hieraus gebildetes Modul
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau, bei dem eine Bypass-Diode monolithisch in das Halbleiterbauelement integriert ist. Ebenso betrifft die Erfindung Module, die aus mehreren dieser Halbleiterbauelemente aufgebaut sind. Die Erfindung betrifft insbesondere Mehrfachsolarzellen in der Photovoltaik.
In Mehrfachsolarzellen werden mehrere p-n-Übergänge elektrisch in Serie geschaltet. Die Verschaltung kann dabei monolithisch oder auch mechanisch erfolgen. Die p-n-Übergänge bestehen aus Halbleitermaterialien mit unterschiedlicher Bandlücke, meist aus Germanium und/oder sog. III-V-Verbindungshalbleitern, bei denen es sich um Materialkompositionen der Elemente der III. und V. Hauptgruppe, z.B. Galliumarsenid,
Galliumindiumarsenid oder Galliumindiumphosphid, bzw. anderen Halbleitern, wie II-VI-Verbindungshalbleitern, handelt. Die Bandlückenenergie der p-n-Über- gänge steigt dabei von der untersten zur obersten Solarzelle an.
In einem Solarmodul werden mehrere MehrfachsolarZellen häufig in Serie verschaltet. Bei der Serienschaltung in einem Modul wird die Stromstärke von der Solarzelle mit der niedrigsten Stromgeneration limitiert, während sich die Spannungen der verschalteten Solarzellen addieren. Falls eine Solarzelle nun weniger als die anderen Solarzellen in der Reihenschaltung, bzw. gar keinen Strom liefert, wird der Strom- fluss begrenzt oder vollständig unterbrochen. Um dies zu verhindern, wird im Modul der Stromfluss durch den Einsatz von Bypass-Dioden sichergestellt und die abgeschattete Solarzelle vor Zerstörung geschützt. Eine Bypass-Diode ist eine Diode, die anti-parallel zur Solarzelle geschaltet ist. So wird neben der Solarzelle ein weiterer Strompfad eröffnet. Im Falle einer reduzieren Stromgeneration einer Solarzelle innerhalb eines PV-Moduls, z.B. durch Verschattung oder Defekt, wird diese abgeschattete Solarzelle nicht in Durchbruch belastet und könnte zerstört werden, sondern der Strom fließt über die Bypass-Diode. Im Fall einer Verschattung (oder einem anderen Grund für geringe Stromgeneration in der Solarzelle) steigt der Spannungsabfall an der Bypass-Diode an, bis deren
Schwellspannung erreicht wird. Dann fließt der Strom durch die Bypass-Diode. Dabei wird ein geringer Spannungsverlust generiert. Die Leistung der parallel zur Bypass-Diode geschalteten abgeschatteten/defekten Solarzelle fehlt im Gesamtertrag jedoch ist die defekte/abgeschattete Solarzelle geschützt. Im Normalbetrieb (d.h. alle Zellen liefern den ähnlichen Strom) sperrt die Bypass-Diode, um keine Verluste zu erzeu- gen. Es fließt ein sehr geringer Sperrstrom. In
Konzentratormodulen mit hohen Stromdichten und Reihenschaltung wird idealerweise jede einzelne Solarzelle mit einer Bypass-Diode geschützt.
Mehrfachsolarzellen werden zum einen in terrestrischen Anwendungen eingesetzt. Dort wird konzentriertes Licht in Strom umgewandelt. Die Konzentration des Lichts wird durch reflektive oder refraktive Optiken, wie Spiegel oder Linsen, realisiert. Das Licht wird auf die Solarzelle fokussiert. Der Konzentrationsfaktor des Lichts liegt dabei bei niedrig konzentrierenden Systemen bei bis zu 50-facher, bei mittleren Konzentrationen bei 50- bis 200-facher und bei Hochkonzentrationssystemen bei 100- bis mehr als 1500-facher Konzentration. Durch die Konzentration des Lichts kann die Solarzellenfläche um etwa den Konzentrationsfaktor reduziert werden. Durch den Einsatz von kostengünstigen Optiken können dabei Kosten minimiert werden.
Das zweite große Anwendungsgebiet betrifft den Einsatz im Weltraum. Hier werden die Materialien aus Verbindungshalbleitern der 3. und 5. Hauptgruppe auf Grund ihrer hohen Strahlungsstabilität und ihrer geringeren Temperaturabhängigkeit im Vergleich zu Sili- cium eingesetzt. Durch die hohen Wirkungsgrade der Mehrfachsolarzellen ergibt sich auch ein geringeres Gewicht für die Generation einer vorgegebenen elektrischen Leistung.
Mehrfachsolarzellen bestehen aus mehreren p-n-Über- gängen, die Üblicherwelse in Serie geschaltet werden. Die Schichten der Mehrfachsolarzellen werden meist durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, me- tal organic vapour phase expitaxy) oder andere epitaktische Verfahren, wie beispielsweise LPE (liquid phase epitaxy) oder MBE molecular beam epitaxy) , auf ein Substrat (dotiert oder undotiert) in kristallinen Schichten aufgewachsen. Als Substrat können z.B. Wafer aus Silicium, Germanium oder Galliumarse- nid eingesetzt werden. Auf der Vorderseite einer monolithischen Mehrfachsolarzelle wird eine partielle Metallisierung aufgebracht — das Kontaktgitter. Die Unterseite wird in der Regel ganzflächig metallisiert. Diese Metallisierungen dienen als Vorder- und RUckseitenkontaktierung. Mit ihnen werden die einzelnen Mehrfachsolarzellen elektrisch verschaltet. Dazu werden meist metallische Verbinder, wie Drahtbonds oder Metallbändern, verwendet. Durch die Serienschaltung mehrerer Solarzellen addieren sich die einzelnen Zellspannungen zu einer höheren Modulspannung auf. Durch den im Vergleich zur Parallelschaltung niedrigeren Gesamtstrom werden ohmsche Verluste reduziert.
Für die monolithische Serienverschaltung der einzelnen p-n-Übergänge muss ein Stromfluss zwischen dem n- dotierten Halbleitermaterial einer Teilzelle und dem p-dotierten Halbleitermaterial der nächsten Teilzelle ermöglicht werden. Dies wird in den Mehrfachsolarzel- len üblicherweise durch Interband-Tunneldioden realisiert. Tunneldioden sind hochdotierte Dioden, die umgekehrt zu den Solarzellen geschaltet sind. Das bedeutet, auf die n-dotierte Schicht der Solarzelle folgt die hochdotierte n-Schicht (üblicherweise geschrieben n++) der Tunneldiode. Nach der hochdotierten p-Schicht (p++) der Tunneldiode folgt die p- dotierte Schicht der nächsten Solarzelle. Übliche Dotierungen der Tunneldioden sind im Bereich von 1*1019 bis über 1*1020 1/cm3. Die Dotierungen der Solarzellen liegen im Bereich von 1*1016 und 8*1018 1/cm3. Zu den Schichten der Solarzellen und Tunneldioden kommen zu- sätzliche Schichten, wie Barriereschichten, Fensterschichten und Passivierungsschichten.
Bei den meisten Solarmodulen mit Solarzellen aus III- V-Halbleitermaterialen wird jede einzelne Mehrfachsolarzelle einer Reihenschaltung durch eine Bypass- Diode geschützt. In Konzentratormodulen für terrestrische Anwendungen werden dazu meist separate Schutzdioden fertigungstechnisch mit Metallkontakten miteinander verbunden. Das bedeutet, dass die Solarzelle und die Bypass-Diode auf einem Trägermaterial montiert und dann z.B. über Drahtbondprozesse elektrisch miteinander verbunden werden.
Der Nachteil bei diesen Kontaktierungsverfahren der Bypass-Dioden ist, dass fertigungstechnische Prozessschritte notwendig sind (z.B. Setzverfahren, Verbindungstechnologien, Bondprozesse) . Diese sind zeit- und kostenaufwändig.
In Receivern für Spiegelsysteme hat die separate Montage noch einen weiteren Nachteil: In Spiegelsystemen wird die Strahlung durch Parabolspiegel oder parabo- loide Spiegel auf einen zentralen Receiver gebündelt. Im Fokus werden Strahlungsdichten von 50 bis >100 W/m2 erreicht, weshalb die Receiver meist aktiv gekühlt werden. Bei großflächigen Parabolspiegeln mit Flächen mit einem oder mehreren m2 werden auf der bestrahlten Fläche im Fokus typischerweise mehrere miteinander verschaltete Solarzellen angebracht. Die Solarzellen werden so eng wie möglich nebeneinander platziert und seriell oder parallel verschaltet. Um eine hohe Modulspannung zu erreichen, werden die Zellen vorzugsweise zumindest teilweise in Serie geschaltet. Die Zellen in der Reihe müssen mit Bypass- Dioden geschützt werden. Dabei ist die jeweilige Po- sitionierung von einzelnen Bypass-Dioden sehr schwierig. Wenn die Bypass-Diode direkt neben den zu schützenden Zellen angebracht wird, befindet sich die Bypass-Diode im Bereich der konzentrierten Strahlung. Dann geht aktive Flache, die ansonsten zur Stromgeneration genutzt werden könnte, verloren. Wenn die Bypass-Dioden jedoch im Randbereich angebracht werden, ist die Kontaktierung mit den einzelnen Solarzellen im Zentrum des Moduls und Fokus schwierig.
Eine andere . Technik wird meist in Weltraumphotovol- taikmodulen eingesetzt und integriert die Schichten des p-n-übergangs der Bypass-Diode direkt auf oder unter der Solarzelle. Das ist entweder über Chipbondtechniken oder Aufwachsen der zusätzlichen epitaktischen Schichten auf oder unter die Solarzellenschichten bzw. das Substrat realisierbar. Dies ist z.B. in US 6,316,716 und US 6,452,086 beschrieben.
Der Nachteil bei der Anwendung, wenn Bypass-Dioden durch zusätzliche Schichten auf das Wafersubstrat gewachsen werden, ist, dass die Fläche der Bypass-Diode die Solarzelle teilweise abschattet und ein Flächenverlust im bestrahlten Bereich entsteht. Auch in der US 6,316,716, in der zusätzliche Schichten auf das Wafersubstrat gewachsen werden, bedeutet die Fläche der Bypass-Diode einen Verlust von aktiver Fläche.
Bei der Anwendung, dass die Solarzelle auf der Rückseite aufgebracht wird, gibt es den Nachteil des Flä- chenverlusts nicht. Für Zellen, bei denen Schichten auf ein Substrat gewachsen werden, ist die fertigungstechnische Realisierung technisch schwierig zu lösen.
Es ist denkbar, eine Bypass-Diode auf der Rückseite durch Bondprozesse anzubringen. Dadurch entsteht ein zusätzlicher thermischer Widerstand und die thermische Anbindung an das Substrat verschlechtert sich. Eine sehr gute thermische Anbindung ist wichtig, da über das Substrat fast der gesamte Wärmestrom abgeführt wird, der auf die Solarzelle trifft und nicht reflektiert oder in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein weiterer Nachteil ist, dass die elektrische Serienverschaltung der Solarzelle mit der nächsten Solarzelle schwierig zu realisieren ist. Zum Beispiel muss die Unterseite der Bypass-Diode von der Rückseite der Mehrfachsolarzelle elektrisch isoliert werden und mit der Vorderseite der Mehrfachsolarzelle kontaktiert werden. Das bedeutet, dass Bereiche auf der Unterseite elektrisch isoliert werden müssen.
Eine andere Möglichkeit wäre die Anfertigung von Käfern mit zusätzlich p-n-Übergängen auf der Unterseite des Substrats. Auch das ist fertigungstechnisch schwierig zu lösen. Bei einer epitaktischen Aufbringung der Schichten muss der Wafer in zwei Prozessen gewachsen werden (z.B. zuerst die Schichten der Rückseite, dann die Schichten der Vorderseite) . Das hat zur Folge, dass Prozessparameter, wie Temperaturen und Drücke, die Qualität der Schichten des ersten Prozesses negativ beeinflussen können, da sie den Prozessparametern des zweiten Prozesses ausgesetzt sind. Durch den zweiten Prozess wird die Herstellung auch teuer und zeitaufwändig.
Für die Integration einer Bypass-Diode in die epitaktischen Schichten einer Mehrfachsolarzelle wird in der DE 10 2004 055 225 die Möglichkeit der monolithisch integrierten serienverschalteten Module mit integrierter Bypass-Diode beschrieben (kurz: MIM). Bei diesen Modulen werden mehrere Solarzellensegmente in Serie geschaltet. Das bedeutet, die Fläche der Mehrfachsolarzelle wird in Segmente unterteilt. Durch physikalische oder photolithographische und chemische Prozessierung werden auf einem Wafer Segmente in Serie geschalten, d.h. monolithisch integriert serien- verschaltete Module hergestellt. Der Wafer besteht aus einem semi-isolierenden, also undotierten, Material und ist somit nicht elektrisch leitfähig. Es kann z.B. Galliumarsenid verwendet werden. Auf diesen Wafer werden zusätzliche Schichten epitaktisch gewachsen. Die epitaktischen Schichten, sind so angeordnet, dass zwei unterschiedliche Strompfade möglich sind. Dazu werden sog. Querleitschichten eingebaut, über die der Strom geleitet wird. Um höhere elektrische Leitfähigkeiten zu erreichen, sind die Querleitschichten meistens n-dotiert.
Um einen Stromfluss von p auf n zu ermöglichen, wird eine zusätzliche Tunneldiode eingebaut, um die Polarität des Materials zu ändern. Bei funktionierenden Segmenten fließt der Strom durch die p-n-Übergänge der Mehrfachzelle (oder den p-n-übergang bei Einfachsolarzellen) . Bei defekten oder abgeschatteten Segmenten fließt der Strom über den antiparallel, d.h. parallel und rückwärts, geschalteten p-n-Übergang der Bypass-Diode (R. Löckenhoff: "Development,
Characterisation and 1000 Suns Outdoor Tests of GaAs Monolithic Interconnected Module (MIM) Receivers" published in Progress in Photovoltalcs : research and applications, Res. Appl. 2008; 16; S. 101-102). Der p-n Ubergang der Bypass-Diode ist auch epitaktisch in die Struktur eingebaut. Durch dafür erforderliche Verschaltungsgräben entsteht ein zusätzlicher Ab- schattungsverlust. Es ergibt sich jedoch durch die monolithische Serienverschaltung der entscheidende Vorteil einer hohen Klemmenspannung der Bauteile bei kleinem Verlust von aktiver Zellfläche durch die Abschattung wegen der Verschaltung, als wenn separate Mehrfachsolarzellen nebeneinander montiert werden müssen.
Integrierte Module können nur unter Verwendung von semi-isolierendem Substratmaterial realisiert werden, da die Segmente elektrisch voneinander isoliert werden müssen. Der momentane Stand der Technik für MIMs ist eine Einfach- oder Zweifachsolarzelle. Stand der Technik für Mehrfachzellen ist aber die Dreifachsolarzelle. Die Anwendungen und Entwicklungen gehen sogar mehr in Richtung vier und mehr p-n-Übergänge, da so höhere Wirkungsgrade erreichbar sind. Da Licht mit einer Wellenlänge größer der Bandlücke der untersten Teilsolarzelle transmittiert wird und damit nicht genutzt wird, werden bei Mehrfachsolarzellen mit drei oder mehr p-n-Übergängen für den untersten p-n-Über- gang üblicherweise Materialien mit einer niedrigen Bandlückenenergie verwendet. So kann ein größerer Teil des einfallenden Spektrums absorbiert werden. Germanium mit einer Bandlücke von 0.7 eV bietet sich beispielsweise an. Somit wird Licht bis zu einer Wellenlänge von ca. 1800 nm absorbiert. Die Ge-Teilzelle wird in der Regel durch Diffusionsaktivierung eines p-Ge-Substrates mit Gruppe-V-Elementen aus der III-V- Epitaxie erzeugt. Dazu wird über dem Substrat eine Arsenid- bzw. Phosphid-Schicht, z.B. GaAs bzw. GalnP, abgeschieden. Bei den hohen Temperaturen im Reaktor diffundieren Gruppe-V-Atome aus dieser Schicht in das Substrat und überkompensieren die vorhandene p-potie- rung, bis die oberste Schicht des Substrates schließlich n-dotiert ist und ein p-n-Übergang entsteht. Das Substratmaterial ist in diesem Fall nicht elektrisch isolierend, wie es für MIMs nötig ist. Das bedeutet, dass sich auf n- oder p-Germanium-Substraten keine MIMs und somit auch keine Dreifachsolarzellen-MIMs herstellen lassen.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Halbleiterbauelemente bereitzustellen, die einen ausreichenden Schutz der Solarzellen durch Einsatz von Bypass-Dioden gewährleisten und wobei gleichzeitig das Gesamtsystem einfach herzustellen sein soll, es die Möglichkeit der Verschaltung von Solarzellen zu Modulen geben soll und Abschattungs- verluste durch die Anordnung von Bypass-Dioden minimiert werden.
Diese Aufgabe wird durch das Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau bereitgestellt, das die folgenden Komponenten enthält:
- mindestens eine Solarzelle aus einem aus elektrisch leitfähigem Halbleitermaterial bestehenden Substrat, das eine Basis-Schicht (die untere
Schicht des der Sonne ausgerichteten pn-Obergangs und oberhalb hiervon eine Emitter Schicht (die obere Schicht des der Sonne ausgerichteten pn- Obergangs) aufweist, wobei eine Schicht n-dotiert und die andere Schicht p-dotiert ist,
- mindestens eine Bypass-Diode und
- eine weitere, der Solarstrahlung unmittelbar ausgesetzte Solarzelle mit Emitter-Schicht und Basis- Schicht. Dabei weist die Bypass-Diode eine p-dotierte Schicht und eine n-dotierte Schicht und ist zwischen den p-n- Übergängen der mindestens zwei Solarzellen epitaktisch integriert und in Parallelschaltung entgegen den mindestens zwei anderen p-n-übergängen kontaktiert.
Es ist bevorzugt, dass die Energiebandlücke der Solarzellen von der der Solarstrahlung unmittelbar ausgesetzten Solarzelle (oberster pn-Übergang) in Richtung des Substrats abnimmt (unterste Solarzelle) .
Es ist weiterhin möglich, dass weitere Solarzellen darüber oder darunter angeordnet werden und mittels Tunneldioden elektrisch in Serie kontaktiert sind.
Vorzugsweise besteht die Bypass-Diode aus einem Material, das eine Energiebandlücke aufweist, die gleich oder größer als die Energiebandlücke des oberhalb der Bypass-Diode abgeschiedenen p-n-Übergangs ist.
Die Basis-Schicht und die Emitter-Schicht der mindestens einen Bypass-Diode weisen vorzugsweise die gleiche Dotierungsabfolge der p-n-Übergänge wie die anderen Solarzellen auf (in Richtung der mit Solarstrahlung bestrahlten Seite zum Substrat) .
Vorzugsweise ist oberhalb und/oder unterhalb der Bypass-Diode mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht als Querleitschicht angeordnet, die zu mindestens einer benachbarten Schicht elektrischen Kontakt besitzt und über die der Strom lateral geleitet wird. Es ist dabei weiter bevorzugt, dass die mindestens eine Querleitschicht freiliegende Kontaktie- rungsflächen aufweist, über die eine elektrische Kon- taktierung erfolgen kann. Die Querleitschicht weist dabei vorzugsweise einen Schichtwiderstand kleiner als 3 Ω auf.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Basis (unterste Schicht) des untersten p-n- Übergangs mit dem Emitter des obersten p-n-Ubergangs elektrisch kontaktiert ist.
Die zuvor beschriebenen elektrischen Kontaktierungen können mittels Bonddraht und/oder mittels eines Leiterbandes und/oder durch Aufdampfen oder Galvanisieren eines leitfähigen Metalls erfolgen.
Vorzugsweise ist zwischen Querleitschichten und By- pass-Diode oder Solarzelle zur elektrischen Kontaktierung mindestens eine Tunneldiode angeordnet.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Halbleiterbauelement eine vollflächige Rückseitenkontaktierung aufweist. Das bedeutet die Rückseite ist vollseitig metallisiert und der elektrische Strom kann dort mit niedrigen ohmschen Verlusten verteilt und geleitet werden.
Das Substrat besteht vorzugsweise aus dotiertem Verbindungshalbleitermaterial ausgewählt z.B. aus der Gruppe bestehend aus III-V-Verbindungshalbleitern, Germanium, Silicium oder II-VI-Verbin- dungshalbleitern. Besonders bevorzugt sind hier Germanium, Silicium und Galliumarsenid.
Das Halbleiterbauelement weist vorzugsweise gitteran- gepasste Teilsolarzellen und/oder gitterfehlangepass- te. Teilsolarzellen, insbesondere aus Silicium, Germanium oder Elementen aus der III. und V. oder II. und VI. Hauptgruppe der Elemente, auf. Vorzugsweise sind die Schichten des Halbleiterbauelementes durch epitaktisch gewachsene Schichten gebildet.
Das Halbleiterbauelement kann weitere Schichten aufweisen, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der Barriereschichten, Fensterschichten, Passivierungs- schichten und Kombinationen hiervon.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Modul aus mehreren seriell verschalteten Halbleiterbauelementen, wie sie zuvor beschrieben wurden, bereitgestellt.
Vorzugsweise sind in den Modulen die Halbleiterbauelemente über die Kontaktflächen kontaktiert, insbesondere durch Drahtbonds oder Leiterbänder.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Dreifachsolarzelle sowie einer Bypass-Diode nach dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Einzelsegments eines Tandem-MIMs mit zwei Solarzellen sowie parallel geschalteter Bypass-Diode.
Figur 3 zeigt ein Schaltbild mit räumlicher Anordnung von zwei in Serie verschalteten Dreifach-Solarzellen gemäß dem Stand der Technik. Figur 4 zeigt ein Schaltbild mit räumlicher Anordnung von zwei in Serie verschalteten Dreifach-Solarzellen gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Unterschied zum Stand der Technik ist die Reihenfolge der verschalteten Teilzellen.
Figur 5 zeigt anhand einer schematischen Darstellung die Struktur und Verschaltung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes .
Figur 6 zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes.
Figur 7 zeigt ein Ersatzschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes .
Figur 8 zeigt anhand einer schematischen Darstellung die Strukturverschaltung eines weiteren erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes .
Figur 9 zeigt eine erfindungsgemäße Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter.
Figur 10 zeigt eine weitere Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter.
Figur 11 zeigt eine weitere Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter.
Figur 12 zeigt eine weitere Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter.
Figur 13 zeigt eine weitere Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter ohne Vorderseitenmetallisierung. Figur 14 zeigt eine weitere Solarzellenstruktur mit Kontaktgitter.
In Figur 1 ist das Ersatzschaltbild einer Dreifachsolarzelle (Germanium Ge, Galliumarsenid GaAs, Gallium- indiumphosphid GalnP) mit anti-parallel geschalteter Bypass-Diode BP dargestellt. J ist die Stromdichte und ist in technischer Stromrichtung eingezeichnet. Rc sind ohmsche Widerstände an den Kontakten und TD die Tunneldioden, um in monolithischen Strukturen einen Elektronenfluss von n auf p zu ermöglichen (die Dotierung des pn Übergangs könnte auch anders herum sein) .
In Figur 2 ist das Ersatzschaltbild eines Segments eines MIMs mit parallel geschalteter Bypass-Diode dargestellt. Für die Kontaktierung der n-dotierten Schicht auf die p-dotierte Schicht sind Tunneldioden TD eingebaut. Zusätzlich sind für die monolithische Verschaltung und die Kontaktierung der Bypass-Diode BP Querleitschichten QLS vorgesehen.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird dargestellt, wie ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit integriert parallel geschalteter Bypass-Diode realisiert werden kann. Dabei besteht das Substrat der Solarzelle aus elektrisch leitfähigem Halbleitermateri- al (z.B. dotiertem Germanium oder Siliclum, oder dotiertem Galliumarsenid) . Die Schichten der Bypass- Diode sind monolithisch in der Schichtabfolge der Solarzelle integriert. Das heißt, sie sind weder auf den Schichten der Solarzellen noch unter dem Substrat gewachsen, sondern dazwischen. Um dies zu erreichen, wird die Reihenfolge der in Serie geschalteten p-n- Übergänge geändert. Die Bypass-Diode ist so integriert, dass durch den zusätzlichen p-n-Übergang kei- ne Abschattung entsteht. Die Strahlung der unterhalb liegenden Solarzelle wird transmittiert, d.h. die Energiebandlücke ist größer oder gleich der Energiebandlücke der GalnAs-Zelle.
In den Figuren 3 und 4 ist die Reihenfolge der verschalteten Komponenten von zwei Mehrfachsolarzellen skizziert.
In Figur 3 sind zwei Mehrfachsolarzellen mit jeweils drei Teilzellen in Serie geschaltet und übereinander angeordnet. Jede Mehrfachsolarzelle wird durch eine Bypass-Diode geschützt.
In Figur 4 sind zwei Mehrfachsolarzellen mit jeweils drei Teilzellen nach der hier dargestellten Erfindung in Serie geschaltet und räumlich angeordnet. Jede Mehrfachsolarzelle wird durch eine Bypass-Diode geschützt, die in die Struktur der Mehrfachsolarzelle integriert ist.
Zwischen den p-n-Ubergangen zweier Solarzellen werden die epitaktischen Schichten der Bypass-Diode monolithisch gewachsen, z.B. mit einem MOVPE-Prozess. Dafür werden Materialien gewählt, die den Absorptionswellenlängenbereich der darunter liegenden Solarzelle transmittieren. Die Bandlückenenergie des p-n-Über- gangs der Bypass-Diode muss daher grüßer oder gleich sein, als die des p-n-Übergangs der darüber liegenden Solarzellen. Entsprechend des Anstiegs der Wellenlänge λ der Strahlung, nimmt die Energie E der Strahlung proportional zu l/λ ab. So werden Photonen mit geringen Hellenlängen (und damit hoher Energie) bereits in den oberen Schichten absorbiert, die langwelligeren Photonen kleinerer Energie werden jedoch transmittiert und von der untersten Solarzelle zur Stromgene- ration genutzt.
Der p-n-Übergang der Bypass-Diode ist analog zu dem der Solarzellen gepolt. Wenn die Basis der Solarzellen p-dotiert und die Emitter n-dotiert sind, ist die untere Schicht der Diode ebenfalls p-dotiert, die obere Schicht n-dotiert (und umgekehrt) .
In Figur 5 wurde der Einfachheit halber eine Mehrfachsolarzelle mit 3 Teilzellen 1, 2, 3 auf p- dotiertem Substrat und integrierter Bypass-Diode 6 gewählt. Es ist jedoch möglich, zusätzliche p-n- Übergänge über oder unterhalb der Bypass-Diode einzubauen. Die Größenverhältnisse in den Zeichnungen sind nicht maßstäblich dargestellt. Die Flächen von Metallisierung 10 und Kontaktierung 8 werden in der Realität minimiert, um Verluste durch Abschattung zu minimieren. Figur 5 veranschaulicht die Position der Kontaktierungsflächen. Benachbarte Mehrfachsolarzellen werden über metallische Verbinder 7a kontaktiert. Dazu sind auf den Querleitschichten 5a, 5b Flächen mit Metallisierung 8a, 8b aufgebracht. Diese Verbindung wird als „bond" bezeichnet. Die Basis der untersten Solarzelle 3 wird über die Rückseitenmetallisierung 11 auf die Vorderseitenmetallisierung 10 zum Emitter der obersten Solarzelle 1 kontaktiert.
In Figur 5 sind folgende Komponenten enthalten;
1. oberste Solarzelle, Solarzelle 1 mit p-n-Über- gang (Emitter und Basis hier ein n-Emitter mit p-Basis, ist aber auch anders herum möglich),
2. mittlere Solarzelle (n) , Solarzelle 2 mit mindestens einem p-n-Übergang (Emitter und Basis) ,
3. unterste Solarzelle (n) , Solarzelle 3 und Substrat mit mindestens einem p-n-Übergang, 4. a) Tunneldiode zwischen der obersten und mittleren Solarzelle,
b) Tunneldiode zwischen der mittleren
Solarzelle und der ersten Querleitschicht, c) Tunneldiode zwischen der Bypass-Diode und der zweiten Querleitschicht,
5. a) erste Querleitschicht QLS1,
b) zweite Querleitschicht QLS2,
6. Bypass-Diode mit Emitter und Basis,
7. a) elektrischer Kontakt zwischen zwei benachbarten Mehrfachsolarzellen (bond) , b) elektrischer Kontakt zwischen oberstem und unterstem p-n-übergang (bond) ,
8. Kontaktmetallisierung (Metall-Halbleiter- Kontakt) auf der ersten Querleitschicht 8a und auf der zweiten QuerleitSchicht 8b,
9. elektrische Isolierschicht,
10. Vorderseiten-Kontaktmetallisierung für Stromtransport,
11. Rückseitenmetallisierung für die Stromverteilung.
Die oberste Solarzelle und die mittleren (eine oder mehrere) Solarzellen sind durch Tunneldioden in Serie geschaltet.
Die vorgestellte Verschaltungsart verbindet die Basis der untersten Teilzelle mit dem Emitter der obersten Teilzelle über den Kontakt 7b. Der Emitter der unte- ren Teilzelle ist mit der Basis der mittleren Teilzellen Über den Kontakt 7a verbunden. Obwohl die Bandlücke des Zellstapels von oben nach unten abnimmt, ist die unterste Teilzelle mit der obersten Teilzelle somit direkt in Serie verschalten.
Für die metallische Kontaktierung auf der Basis der mittleren Teilzelle und dem Emitter der untersten Zellen werden zusätzliche Querleitschichten implementiert, die analog zu den Schichten der Bypass-Diode für in der untersten Zelle nutzbare Photonen transparent sind. Diese werden zum einen zwischen der untersten Solarzelle und Bypass-Diode, zum anderen zwischen Bypass-Diode und der mittleren Solarzelle eingefügt. In diesen Querleitschichten wird der Strom lateral zu den Metallkontakten transportiert. Um größtmögliche elektrische Leitfähigkeit für geringe Leistungsverluste zu erreichen, ist eine möglichst hohe Dotierung erforderlich. Dabei ist z.B. bei Gal- liumarsenid eine Dotierung von 1*1017 bis 1*10191/cm3 realisierbar
Die Rückseite der Solarzelle ist vollflächig metallisiert. So wird der Strom möglichst verlustfrei zu dem Kontakt der Basis der untersten Solarzelle 3 mit dem Emitter der obersten Solarzelle 1 transportiert.
Die Bypass-Diode 6 ist im Normalbetrieb für einen Stromfluss gesperrt. Die Tunneldiode 5b dient nur zum Andern der Polarität und leitet den Strom in beide Richtungen mit einem geringen Spannungsabfall. Im Fall einer Verschattung (oder einem anderen Grund für geringe Stromgeneration in der Solarzelle) steigt der Spannungsabfall an der Bypass-Diode an, bis deren Schwellspannung erreicht wird. Dann fließt der Strom nicht mehr durch die Solarzelle, sondern direkt zwischen den beiden Querleitschichten durch die Bypass- Diode. So ist die verschattete/defekte Zelle durch die Bypass-Diode vor Beschädigung geschützt.
Die Reihenfolge (z.B. unten p-dotiert, darüber n- dotiert) , wie der p-n-Übergang der Bypass-Diode gewachsen ist, ist gleich wie die Reihenfolge der So- larzellen. Trotzdem wird die Bypass-Diode durch die Kontaktierung elektrisch auf den Querleitschichten parallel zu den Solarzellen geschaltet und ist entgegen der Dotierung der Solarzellen dotiert.
Zur Verdeutlichung ist in Figur 6 das elektrische Ersatzschaltbild der hier vorgeschlagenen monolithischen Struktur und Kontaktierung dargestellt — beispielhaft für eine Dreifachsolarzelle mit p-dotiertem Germaniumsubstrat. Der Kontakt (Rc bond) von der Nachbarzelle oder dem elektrischen Anschluss wird nicht wie herkömmliche Kontaktierungen mit der Rückseitenmetallisierung (p-Kontakt) der Germaniumzelle (Solarzelle 3) kontaktiert. Stattdessen wird er zwischen der Basis der Solarzelle 2 (hier p-dotiert) und dem Emitter der Zelle 3 (hier n-dotiert) kontaktiert.
Der. p-Kontakt der Germaniumzelle (Solarzelle 3) ist über einen metallischen Kontakt (Rc bond) mit der obersten Zelle 1 in Serie geschaltet. Der p-Kontakt der obersten Solarzelle 1 (aus Galllumindiumphosphid GalnP) ist über eine Tunneldiode mit dem n-Kontakt der mittleren Solarzelle 2 (z.B. aus Galliumarsenid GaAs) in Serie geschaltet. Der Kontakt zur nächsten Mehrfachsolarzelle wird über den p-Kontakt der Solarzelle 2 hergestellt.
Die Bypass-Diode BP ist parallel geschaltet und umgekehrt zu den Solarzellen dotiert. Für die Kontaktierung der Solarzellen und der Bypass-Diode sind die Querleitschichten QLS2 und QLS1 eingebaut. Um einen Kontakt der n-dotierten QuerleitSchicht QLS1 mit dem p-Kontakt der mittleren Zelle (Solarzelle 2) herzustellen, wird eine Tunneldiode eingebaut. Zur Kontaktierung des p-Kontaktes der Bypass-Diode mit der n- dotierten zweiten Querleitschicht QLS2 ist ebenfalls eine Tunneldiode vorgesehen.
Figur 7 zeigt zur Verdeutlichung nochmals das Ersatzschaltbild der Erfindung. Die Komponenten sind in der Reihenfolge gezeichnet, wie sie gewachsen sind.
Im Vergleich zu Figur 1 und Figur 6 wird deutlich, dass die Reihenfolge der Serienverschaltung der Solarzelle geändert ist, obwohl in der epitaktischen Struktur der Mehrfachsolarzelle der Erfindung nach wie vor Solarzelle 3 auf Solarzelle 2 und dann Solarzelle 1 gewachsen werden. Die Verschaltung wird durch Prozessierung des Wafers nach dem Wachstum der monolithischen Schichten realisiert. Die Bypass-Diode wird über die Solarzelle 3 gewachsen. Sie schützt jedoch die gesamte Mehrfachsolarzelle, d.h. die Gesamtheit der serienverschalteten Teilzellen.
In Figur Θ wird ein zweites Konzept zur Realisierung einer monolithischen Kontaktierung von der Basis der Solarzelle 3 mit dem Emitter der Solarzelle 1 präsentiert. Der Vorteil ist, dass die Kontaktierung durch Prozessierung des Wafers geschieht und nicht erst nach dem Sägen des Wafers. Dazu wird auf dem Wafer in das Substrat (Solarzelle 3) auf die Basis geätzt, um eine Kontaktierung der Basis von Solarzelle 3 zu ermöglichen. Die seitlichen, dadurch offen liegenden Flächen der p-n-Übergänge der restlichen Solarzellen werden über eine Isolierschicht elektrisch isoliert. Dazu kann z.B. ein geeignetes Polyimid, Silicium- carbid (SiC) , Siliciumnitrid (SiN) oder Silicium- dioxid (SiO2) verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform (Figuren 9 bis 13) werden die Kontakte 8a und 8b über ein Kontaktgitter in die Wachstumsebene hineingeführt. Bei Mehrfachso- larzellen müssen unter konzentriertem Licht Ströme von bis zu 0,5 bis 8 A über die Querleitschicht bis zu den seitlichen Kontakten geleitet werden. Bei den Weltraumsolarzellen {unter dem Norm-Spektrum AMO) sind es etwa 0,1 bis 0,15 A. Der Strom muss Uber die Querleitschichten fließen und durch den Flächenwiderstand der Querleitschicht entstehen ohmsche Verluste. Durch ein zusätzliches Kontaktgitter werden die WiderStandsverluste in den Querleitschichten reduziert, da der Strom einen kürzeren Weg zurücklegen kann. Die Kontaktgitter werden auf den Querleitschichten aufgebracht. Dazu müssen gitterstrukturierte Flächen auf den Querleitschichten (z.B. durch Atzprozesse) freigelegt werden. Die Kontaktfinger bestehen aus Metall und haben daher eine bessere elektrische Leitfähigkeit.
Das Prinzip ist in den Figuren 9 bis 13 in unterschiedlichen Ansichten dargestellt.
Dabei ist in Figur 9 die Draufsicht auf die Solarzelle zu sehen. Dabei sind die Finger der Kontakte auf den Querleitschichten 8a und 8b und die Vorderseitenmetallisierung 10 zu sehen.
In Figur 10 sind die Schichten der Solarzelle und der Kontakt auf der zweiten Querleitschicht 8b dargestellt.
In Figur 11 ist die Ansicht auf den Kontakt der ersten Querleitschicht 8a gerichtet.
In Figur 12 ist eine Kontaktierungsform wie in Figur 8 dargestellt, jedoch ist hier die Kontaktierung des Emitters der Solarzelle 1 nicht am Rand, sondern in der Mitte der Solarzelle auf der Basis von Solarzelle 3 geführt. Auch so wird die Länge, über die der Strom fließen muss, kürzer.
In Figur 12 ist in einer Schnittansicht gezeigt, wie die Basis der untersten Solarzelle 3 mit dem Emitter der obersten Solarzelle 1 kontaktiert wird. Dabei wird von oben durch die gesamte Schichtabfolge auf die Basis der untersten Solarzelle (bzw. das Substrat) geätzt. Die Atzflanken werden elektrisch isoliert 9 (z.B. mit Polyimid oder Siliziumnitrid) . An- schließend wird eine Metallverbindung zwischen Vorderseitenmetallisierung und Basis der untersten Solarzelle hergestellt.
In Figur 13a) und 13b) ist dazu die Draufsicht und seitliche Ansicht der Solarzelle dargestellt, bevor die Vorderseitenmetallisierung sowie die elektrische Verbindung zwischen unterster und oberster Solarzelle aufgebracht wurden.
Eine weitere Optimierungsmöglichkeit ist, die Metallisierungen der Querleitschichten von unten aufzubringen, wie in den Figuren 14a) und 14b) dargestellt.
Gräben können auch von der Rückseite geätzt werden, dadurch ist der Verlust an aktiver Fläche in den oberen Zellen reduziert. Prozesstechnisch ist dies für Zellen mit Wafersubstrat (z.B. Germanium) allerdings schwieriger zu realisieren, da dazu das gesamte Substrat (Schichtdicke 130 bis 500 um) geätzt werden muss. Dagegen sind die oberen Schichtdicken nur 5 bis 20 um dick. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für ultradünne Solarzellen, die nur aus den Schichten des pn-Übergangs ohne stabilisierendes Substrat bestehen.

Claims

Patentansprüche 1. Halbleiterbauelement im Mehrschichtaufbau enthaltend
- mindestens eine Solarzelle aus einem aus
elektrisch leitfähigem Halbleitermaterial bestehenden Substrat (3) , das eine Basis- Schicht und oberhalb hiervon eine Emitter- Schicht aufweist, wobei' eine Schicht n- dotiert und die andere Schicht p-dotiert ist,
- mindestens eine Bypass-Diode (6) und
- eine weitere, der Solarstrahlung unmittelbar ausgesetzte Solarzelle (1) mit Emitter- Schicht und Basis-Schicht,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Bypass-Diode (6) eine p-dotierte
Schicht und eine n-dotierte Schicht aufweist und zwischen den p-n-Übergängen der mindestens zwei Solarzellen epitaktisch integriert und in Parallelschaltung entgegen den mindestens zwei anderen p-n-Übergängen kontaktiert ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Energiebandlücke der Solarzellen von der der Solarstrahlung unmittelbar ausgesetzten Solarzelle in Richtung des Substrats (3) abnimmt.
3. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass übereinander angeordnete Solarzellen mittels Tunneldioden (4a, 4b, 4c) elektrisch in Serie kontaktiert sind.
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bypaas-Diode aus einem Material besteht, das eine Energiebandlücke aufweist, die gleich oder größer als die Energiebandlücke des oberhalb der Bypass- Diode abgeschiedenen p-n-Übergangs ist.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-Schicht und die Emitter-Schicht der mindestens einen Bypass-Diode die gleiche Dotierungsabfolge der p- n-Übergänge wie die anderen Solarzellen aufweisen.
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb und/oder unterhalb der Bypass-Diode mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht als Querleitschicht angeordnet ist, die zu mindestens einer benachbarten Schicht elektrischen Kontakt besitzt und über die der Strom lateral geleitet wird.
7. Halbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Querleitschicht freiliegende Kontaktierungsflächen aufweist, über die eine elektrische Kontaktierung erfolgen kann.
8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtwiderstand der Querleitschicht im Bereich von 0,1 bis 3 Ω beträgt.
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des untersten p-n Übergangs mit dem Emitter des obersten p-n Übergangs elektrisch kontaktiert ist.
10. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktierungen mittels Bonddraht und/oder mittels eines Leiterbandes und/oder durch Aufdampfen oder Galvanisieren eines leitfähigen Metalls erfolgt.
11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Querleitschichten und Bypass-Diode oder Solarzelle zur elektrischen Kontaktierung mindestens eine Tunneldiode angeordnet ist.
12. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine vollflächige Rückseitenkontaktie- rung aufweist.
13. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus dotiertem Halbleitermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Germanium, Silicium, Gal- liumarsenid besteht.
14. Halbleiterbauelement (eine Mehrfachsolarzelle} nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement gitterangepasste Teilsolarzellen und/oder gitterfehlangepasste Teilsolarzellen, insbesondere aus Silicium, Germanium oder Elementen aus der III. und V. Hauptgruppe oder II. und VI. Hauptgruppe der Elemente, aufweist.
15. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten durch epitaktisch gewachsene Schichten gebildet sind.
16. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbau- element weitere Schichten, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der Barriereschichten, Fensterschichten, Passiviexungsschichten und Kombinationen hiervon, aufweist.
17. Modul aus mehreren seriell verschalteten Halbleiterbauelementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
18. Modul nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterbauelemente über die Kontaktflächen kontaktiert sind, insbesondere durch Drahtbonds oder Leiter bänder.
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