Многопереходный солнечный элемент в форме стопки с контактирующей с задней стороной передней стороной
Настоящее изобретение относится к многопереходному солнечному элементу в форме стопки с передней стороной, контактирующей с задней стороной, имеющему образующую заднюю сторону этого многопереходного солнечного элемента германиевую подложку, германиевый субэлемент и по меньшей мере два субэлемента из элементов III-V групп, следующие друг за другом в указанном порядке, а также по меньшей мере одно сквозное контактное отверстие, доходящее от передней стороны многопереходного солнечного элемента через субэлементы до задней стороны, и проходящий через это сквозное контактное отверстие металлический замыкающийся контакт, причем это сквозное контактное отверстие имеет сплошную боковую поверхность и овальный контур в поперечном сечении, причем диаметр сквозного контактного отверстия ступенчато уменьшается в направлении от передней стороны к задней стороне многопереходного солнечного элемента, причем передняя сторона германиевого субэлемента образует выступающую внутрь в сквозное контактное отверстие, огибающую его первую ступеньку, имеющую первую глубину выступа ступеньки, и при этом образуется выступающая внутрь в сквозное контактное отверстие, огибающая его вторая ступенька, имеющая вторую глубину выступа ступеньки, от области германиевого субэлемента, расположенной ниже р-n перехода этого германиевого субэлемента. Изобретение обеспечивает высокий уровень надежности в эксплуатации и эффективности при относительно низких затратах на изготовление. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к области технологии полупроводников, в частности, к многопереходному солнечному элементу в форме стопки с контактирующей с задней стороной передней стороной.
Чтобы уменьшить затенение передней стороны солнечного элемента, можно расположить на задней стороне как положительную, так и отрицательную внешнюю контактную поверхность. В случае так называемых солнечных элементов типа Metal Wrap Through (MWT) передняя сторона солнечного элемента контактирует с задней стороной, например, посредством сквозного контактного отверстия.
Известны различные способы изготовления отверстия или соответственно сквозного контактного отверстия в солнечном элементе, которые в результате соответственно приводят к различным сквозным контактным отверстиям.
Из диссертации «Die Metal Wrap Through Solarzelle - Entwicklung und Charakterisierung», F. Clement, Dissertation, Februar 2009, известен процесс изготовления одиночного солнечного элемента типа MWT из мультикристаллического кремния, причем сквозные контактные отверстия создаются с помощью УФ-лазера или ИК-лазера в слое подложки из мультикристаллического кремния.
Только после этого посредством диффузии фосфора вдоль верхней стороны, боковых поверхностей сквозного контактного отверстия и нижней части солнечного элемента создается эмиттерный слой. Сквозное контактное отверстие заполняется с помощью трафаретной печати проводящей соединяющей пастой, например серебряной пастой.
С помощью лазера в области сквозного отверстия может достигаться очень гладкая боковая поверхность, и кроме того, в процессе лазерной абляции не возникает никаких внутренник поднутрений. Однако создание отверстия в существующем р-n переходе с помощью лазерной абляции могло бы привести к короткому замыканию.
Из публикации «III-V multi-junction metal-wrap-through (MWT) concentrator solar cells», E. Oliva et al, Proceedings, 32nd European PV Solar Energy Conference and Exhibition, 
2016, стр. 1367 - 1371, известна инвертированно нарощенная структура солнечного элемента из GaInP/AlGaAs со сквозными контактными отверстиями, причем структура солнечного элемента с р-n переходами наращивается эпитаксиально, а только после этого посредством сухого травления создаются сквозные контактные отверстия. Затем боковая поверхность сквозного отверстия покрывается изоляционным слоем и это сквозное отверстие после этого заполняется нанесенной гальванически медью.
Из патента США US 9,680,035 B1 известен пакет из солнечных элементов из нескольких субэлементов III-V на подложке из GaAs с передней стороной, контактирующей с задней стороной, причем отверстие, проходящее от верхней стороны солнечного элемента сквозь субэлементы до слоя подложки, который еще не был утончен, изготавливается посредством процесса влажного химического травления.
Процесс травления основан на том, что скорости травления существенно не различаются, по крайней мере для применяемых различных III-V-материалов этого пакета солнечных элементов. Отверстие открывается вниз только за счет утончения слоя подложки. Пассивирование и металлизация передней стороны и отверстия проводится перед утончением слоя подложки. По сравнению с соответствующими процессами сухого травления влажное химическое травление имеет то преимущество, что боковые стенки отверстия имеют более гладкую поверхность, а пассивирующий слой может осаждаться одинаково равномерно и без дефектов.
В связи с этим, задача изобретения состоит в том, чтобы предоставить сведения об устройстве, которое усовершенствует предшествующий уровень техники.
Эта задача решается с помощью многопереходного солнечного элемента в форме стопки с передней стороной (10.1), контактирующей с задней стороной, имеющего германиевую подложку (14), образующую заднюю сторону (10.2) многопереходного солнечного элемента (10), германиевый субэлемент (16) и по меньшей мере два III-V-субэлемента (18, 20), следующие друг за другом в указанном порядке, а также по меньшей мере одно сквозное контактное отверстие (12), доходящее от передней стороны (10.1) многопереходного солнечного элемента (10) через субэлементы (16, 18, 20) до задней стороны, и один проходящий через сквозное контактное отверстие (12) металлический замыкающийся контакт (22),
- причем сквозное контактное отверстие (12) имеет сплошную боковую поверхность (12.1) и овальный контур в поперечном сечении,
- причем диаметр (D) сквозного контактного отверстия (12) ступенчато уменьшается в направлении от передней стороны (10.1) к задней стороне (10.2) многопереходного солнечного элемента (10),
- причем в проекции, направленной от верхней стороны (16.1) в направлении германиевого субэлемента (16),
- образуется выступающая внутрь в сквозное контактное отверстие (12), огибающая его по кругу первая ступенька (24), имеющая первую глубину выступа ступеньки (S1), и
- образуется выступающая внутрь в сквозное контактное отверстие (12), огибающая его по кругу вторая ступенька (26), имеющая вторую глубину выступа ступеньки (S2), от области германиевого субэлемента (16), расположенной ниже р-n перехода (16.2) германиевого субэлемента (16). Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов Формулы изобретения.
В соответствии с предметом изобретения предоставляется многопереходный солнечный элемент в форме стопки с передней стороной, контактирующей с задней стороной.
Многопереходный солнечный элемент имеет германиевую подложку, образующую заднюю сторону этого многопереходного солнечного элемента с германиевым субэлементом и по меньшей мере двумя субэлементами III-V, следующими друг за другом в указанном порядке.
Кроме того, многопереходный элемент имеет по меньшей мере одно сквозное контактное отверстие, доходящее от передней стороны этого многопереходного солнечного элемента через субэлементы до задней стороны, и проходящий через сквозное контактное отверстие металлический замыкающийся контакт.
Сквозное контактное отверстие имеет сплошную боковую поверхность и овальный контур в поперечном сечении.
Диаметр сквозного контактного отверстия ступенчато уменьшается в направлении от передней стороны к задней стороне многопереходного солнечного элемента, причем в проекции, направленной от верхней стороны в направлении германиевого субэлемента, образуется выступающая внутрь в сквозное контактное отверстие круговая первая ступенька, имеющая первую глубину выступа ступеньки.
Кроме того, образуется выступающая внутрь в сквозное контактное отверстие круговая вторая ступенька, имеющая вторую глубину выступа ступеньки, от области, расположенной ниже р-n перехода германиевого субэлемента.
Согласно дальнейшему усовершенствованию, многопереходный солнечный элемент имеет в точности два сквозных контактных отверстия.
Разумеется, что отдельные субэлементы многопереходного солнечного элемента в каждом случае имеют р-n переход, а слои, следующие за подложкой, изготовлены эпитаксиально друг над другом и/или соединяются друг с другом посредством соединения пластин.
Кроме того, разумеется, что германиевый субэлемент содержит германий или состоит из германия, причем слой, состоящий из германия, при необходимости, в дополнение к германию, также содержит еще другие вещества, в частности легирующие вещества, но также и примеси. Соответствующее относится также к субэлементам III-V, которые содержат один или несколько материалов из III-ей, а также V-ой главной подгрупп, или состоят из таких материалов или соответственно такой комбинации материалов.
Диаметр сквозного контактного отверстия, имеющий больший размер в области верхней стороны многопереходного солнечного элемента, и ступенчато сужающуюся книзу конфигурацию сквозного контактного отверстия, не имеет никаких боковых поднутрений, благодаря чему обеспечивается, чтобы покрытие, например изоляционный слой, могло наноситься простым способом, например, посредством осаждения из газовой фазы, надежно и без дефектов.
Кроме того, это ступенчатое сквозное отверстие можно легко изготовить, например, с помощью двухстадийного процесса травления, который удаляет все р-n переходы без боковых поднутрений, и последующего процесса лазерной абляции, который дает возможность быстрого и простого разделения оставшегося субэлемента из германия (Ge) и подложки из Ge, даже если подложка из Ge еще не была утончена или была не особенно утончена.
Преимущество многопереходного солнечного элемента согласно изобретению заключается в особенно высоком уровне надежности в эксплуатации и эффективности при относительно низких затратах на изготовление.
Согласно первому варианту осуществления боковая поверхность сквозного контактного отверстия покрыта диэлектрическим изоляционным слоем.
Предпочтительно, металлический замыкающийся контакт выполнен в виде металлического контактного слоя, проходящего по диэлектрическому изоляционному слою от передней стороны до задней стороны многопереходного солнечного элемента.
В другом варианте осуществления субэлементы III-V имеют общую толщину слоя 5 -15 мкм или 6-8 мкм.
Согласно другому усовершенствованию сквозное контактное отверстие на передней стороне многопереходного солнечного элемента имеет диаметр по меньшей мере 300 мкм, или по меньшей мере 400 мкм, или по меньшей мере 450 мкм, причем этот диаметр не превышает 1 мм.
Согласно другому усовершенствованию, боковая поверхность сквозного контактного отверстия между ступеньками и/или выше первой ступеньки и/или ниже второй ступеньки имеет угол не более 10°, или не более 2°, либо не более 1°, либо не более 0,1°, в каждом случае по отношению к продольной оси сквозного контактного отверстия.
В другом варианте осуществления первая глубина выступа ступеньки для первой ступеньки составляет по меньшей мере 100 мкм или по меньшей мере 200 мкм.
В другом варианте осуществления вторая глубина выступа ступеньки для второй ступеньки составляет по меньшей мере 5 мкм или по меньшей мере 10 мкм.
В другом усовершенствовании германиевый субэлемент вместе с германиевой подложкой имеет толщину слоя 80-300 мкм, или 140-160 мкм, или 80-120 мкм.
Согласно другому варианту осуществления высота подъема от второй ступеньки к первой ступеньке составляет 1-4 мкм, или 1-3 мкм, или 2 мкм.
Согласно другому варианту осуществления многопереходный солнечный элемент включает в себя покрывающий III-V-слой, образующий переднюю сторону, например, из InGaP, с толщиной 150-500 нм и шириной запрещенной зоны по меньшей мере 1,86 эВ.
Настоящее изобретение также относится к любым комбинациям предпочтительных конфигураций и предпочтительных вариантов осуществления при условии, что они не являются взаимоисключающими.
Далее изобретение поясняется более подробно со ссылкой на чертежи. При этом детали одного типа описываются одинаковыми обозначениями. Представленные варианты осуществления являются очень схематичными, то есть, расстояния и боковые и вертикальные протяженности выполнены не в масштабе и, если не указано иное, также не имеют никаких геометрических соотношений друг с другом. На них показано:
Фигура 1 поперечное сечение для первого варианта осуществления согласно изобретению сквозного контактного отверстия многопереходного солнечного элемента в форме стопки с передней стороной, контактирующей с задней стороной.
Фигура 2 вид сверху для варианта осуществления согласно изобретению многопереходного солнечного элемента.
Фигура 3 задняя сторона для варианта осуществления согласно изобретению многопереходного солнечного элемента.
Фигура 4 поперечное сечение для другого варианта осуществления согласно изобретению сквозного контактного отверстия.
Изображение на Фигуре 1 показывает разрез многопереходного солнечного элемента в форме стопки 10 с передней стороной, контактирующей с задней стороной, в поперечном сечении. Этот многопереходный солнечный элемент имеет верхнюю сторону 10.1 и нижнюю сторону 10.2, а также сквозное отверстие 12, проходящее от верхней стороны 10.1 к нижней стороне 10.2.
Нижняя сторона 10.2 образована германиевой подложкой 14. На германиевой подложке в указанном порядке следуют германиевый субэлемент 16, первый III-V-субэлемент 18 и образующий верхнюю сторону 10.2 второй III-V-субэлемент 20.
Оба III-V-субэлемента 18 и 20 вместе имеют первую толщину слоя H1. Германиевая подложка 14 вместе с германиевым субэлементом имеет вторую толщину слоя H2.
Сквозное отверстие 12 имеет боковую поверхность 12.1, причем эта боковая поверхность 12.1 выполнена сплошной в виде боковой поверхности цилиндра и имеет овальную форму в поперечном сечении, например, круглую или эллиптическую.
Сквозное отверстие 12, кроме того, имеет две ступеньки 24 и 26. Первая ступенька 24 образована передней стороной 16.1 германиевого субэлемента 16, причем эта верхняя сторона 16.1 образует круговую поверхность выступа с глубиной выступа ступеньки S1, постоянной в радиальном направлении.
Вторая ступенька 26 расположена в области германиевого субэлемента 16, ниже р-n перехода 16.2 этого германиевого субэлемента 16 и имеет круговую поверхность выступа с глубиной выступа ступеньки S2.
Боковая поверхность 12.1 сквозного контактного отверстия 12, а также примыкающие к сквозному отверстию 12 область верхней стороны 10.1, а также нижней стороны 10.2, покрыты диэлектрическим изоляционным слоем 28.
Металлический замыкающийся контакт 22 выполнен в виде металлического контактного слоя, который проходит от примыкающей к диэлектрическому изоляционному слою 28 области верхней стороны 10.1 многопереходного солнечного элемента 10 по диэлектрическому изоляционному слою 28 через сквозное контактное отверстие, и до покрытой диэлектрическим изоляционным слоем 28 области нижней стороны 10.2 многопереходного солнечного элемента.
Металлический контактный слой 22 соединен сплошным соединением как с верхней стороной 10.1 многопереходного солнечного элемента 10, так и с диэлектрическим изоляционным слоем 28.
На изображении на Фигуре 2 представлен другой вариант осуществления многопереходного солнечного элемента на виде сверху на переднюю сторону 10.1. Ниже поясняются только отличия от изображения на Фигуре 1.
Многопереходный солнечный элемент 10 имеет ровно два сквозных контактных отверстия 12, причем оба сквозных контактных отверстия 12 в каждом случае расположены на одном конце сборной шины, а металлические контактные слои 22 в каждом случае имеют электропроводящее соединение с контактной шиной.
Через равные промежутки, перпендикулярно к сборной шине, над верхней стороной 10.1 многопереходного солнечного элемента проходят контактные пальцы, причем каждый контактный палец имеет электропроводящее соединение со сборной шиной и/или одним из контактных слоев 22.
На изображении на Фигуре 3 представлен другой вариант осуществления многопереходного солнечного элемента на виде сверху на заднюю сторону 10.2. Ниже поясняются только отличия от изображения на Фигуре 1.
Многопереходный солнечный элемент 10 имеет ровно два сквозных контактных отверстия 12. Оба эти сквозные контактные отверстия окружены сплошным диэлектрическим изоляционным слоем 28.
На изображении на Фигуре 4 представлено поперечное сечение в области сквозного отверстия другого варианта осуществления многопереходного солнечного элемента, причем ниже поясняются только отличия от изображения на Фигуре 1.
Диэлектрический слой 28, а также металлический контактный слой 22 ради ясности не представлены.
Многопереходный солнечный элемент имеет на втором III-V-субэлементе 20 покрывающий III-V-слой 30, например, слой из InGaP, который образует верхнюю сторону 10.1 многопереходного солнечного элемента 10.
Сквозное отверстие, полученное, например, с помощью двух процессов травления и одного процесса лазерной абляции, имеет три области, разделенные соответственно одной из ступенек S1 или S2.
Первая область простирается от верхней стороны 10.1 многопереходного солнечного элемента 10 до верхней стороны 16.2 германиевого субэлемента, причем эта первая область имеет постоянный или лишь незначительно уменьшающийся в направлении германиевого субэлемента диаметр D1.
Вторая область простирается от верхней стороны 16.1 германиевого субэлемента 16 вглубь этого германиевого субэлемента 16 и имеет постоянный или уменьшающийся в направлении германиевой подложки 14 диаметр D2.
Третья область простирается от второй ступеньки S2 до нижней стороны 10.2 многопереходного солнечного элемента и имеет постоянный или лишь незначительно уменьшающийся в направлении нижней стороны 10.2 диаметр D3.
1. Многопереходный солнечный элемент (10) в форме стопки с контактирующей с задней стороной передней стороной (10.1), имеющий образующую заднюю сторону (10.2) многопереходного солнечного элемента (10) германиевую подложку (14), германиевый субэлемент (16) и по меньшей мере два субэлемента (18, 20) из элементов III-V главных подгрупп, следующие друг за другом в указанном порядке, а также по меньшей мере одно сквозное контактное отверстие (12), доходящее от передней стороны (10.1) многопереходного солнечного элемента (10) через субэлементы (16, 18, 20) до задней стороны, и проходящий через это сквозное контактное отверстие (12) металлический замыкающийся контакт (22),
- причем сквозное контактное отверстие (12) имеет сплошную боковую поверхность (12.1) и овальный контур в поперечном сечении,
- причем диаметр (D) сквозного контактного отверстия (12) ступенчато уменьшается в направлении от передней стороны (10.1) к задней стороне (10.2) многопереходного солнечного элемента (10),
- причем в проекции, направленной от верхней стороны (16.1) в направлении германиевого субэлемента (16),
- образована выступающая внутрь в сквозное контактное отверстие (12) огибающая его первая ступенька (24), имеющая первую глубину выступа ступеньки (S1), и
- образована выступающая внутрь в сквозное контактное отверстие (12) огибающая его вторая ступенька (26), имеющая вторую глубину выступа ступеньки (S2), от области германиевого субэлемента (16), расположенной ниже р-n перехода (16.2) германиевого субэлемента (16).
2. Многопереходный солнечный элемент (10) в форме стопки по п. 1, отличающийся тем, что боковая поверхность (12.1) сквозного контактного отверстия (12) покрыта диэлектрическим изоляционным слоем (28), а металлический замыкающийся контакт (22) выполнен в виде проходящего от передней стороны (10.1) до задней стороны (10.2) многопереходного солнечного элемента (10) металлического контактного слоя на диэлектрическом изоляционном слое (28) и на примыкающей к изоляционному слою (28) области верхней стороны (10.1) многопереходного солнечного элемента.
3. Многопереходный солнечный элемент (10) в форме стопки по п. 1, отличающийся тем, что субэлементы (18, 20) из элементов III-V главных подгрупп имеют общую толщину слоя (H1), составляющую 5-15 мкм или 6-8 мкм.
4. Многопереходный солнечный элемент (10) в форме стопки по п. 1, отличающийся тем, что сквозное контактное отверстие (12) на передней стороне (10.1) многопереходного солнечного элемента (10) имеет диаметр (D1), составляющий по меньшей мере 300 мкм, или по меньшей мере 400 мкм, или по меньшей мере 450 мкм, причем этот диаметр (D1) не превышает 1 мм.
5. Многопереходный солнечный элемент (10) в форме стопки по п. 1, отличающийся тем, что боковая поверхность (12.1) сквозного контактного отверстия (12) между ступеньками (24, 26) и/или выше первой ступеньки (24) и/или ниже второй ступеньки (26) имеет угол не более 10°, или не более 2°, или не более 1°, или не более 0,1° в каждом случае по отношению к продольной оси сквозного контактного отверстия (12).
6. Многопереходный солнечный элемент (10) в форме стопки по п. 1, отличающийся тем, что глубина выступа ступеньки (S1) первой ступеньки (24) составляет по меньшей мере 100 мкм или по меньшей мере 200 мкм.
7. Многопереходный солнечный элемент (10) в форме стопки по п. 1, отличающийся тем, что глубина выступа ступеньки (S2) второй ступеньки (26) составляет по меньшей мере 5 мкм или по меньшей мере 10 мкм.
8. Многопереходный солнечный элемент (10) в форме стопки по п. 1, отличающийся тем, что германиевый субэлемент (16) вместе с германиевой подложкой (14) имеет толщину слоя (H2), составляющую 80-300 мкм, или 140-160 мкм, или 80-120 мкм.
9. Многопереходный солнечный элемент (10) в форме стопки по п. 1, такой, что высота подъема от второй ступеньки (26) до первой ступеньки (24) составляет 1-4 мкм, или 1-3 мкм, или 2 мкм.
10. Многопереходный солнечный элемент (10) в форме стопки по одному из пп. 1-9, отличающийся тем, что этот многопереходный солнечный элемент (10) включает в себя покрывающий III-V-слой (30), образующий переднюю сторону (10.1), с толщиной 150-500 нм и шириной запрещенной зоны по меньшей мере 1,86 эВ.
