Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovolta ikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie ge mäß Anspruch 1 .

Zur Wandlung einfallender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie ist die Verwendung von Photovoltaikzellen bekannt. Abhängig von der Anwen dung werden Photovoltaikzellen auch als Solarzelle (insbesondere zur Umwand lung von Sonnenlicht in elektrische Energie), photonische Leistungswandler (photonic power Converter), Laserleistungszellen (laser power Converter), photo- voltaic power Converter, oder Phototransducer bezeichnet.

In Systemen zur optischen Leistungsübertragung werden Photovoltaikzellen ein gesetzt, um elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie umzuwandeln, welche von einer Strahlungsquelle erzeugt wird. Hierbei spielt der Wirkungsgrad der Photovoltaikzelle für den Gesamtwirkungsgrad des Systems eine essenzielle Rolle.

Typische Photovoltaikzellen in solchen Systemen weisen eine aus einem direk ten Halbleiter ausgebildete Absorberschicht auf, welche sich gegenüber einer Schicht, welche aus einem indirekten Halbleiter gebildet ist, durch eine bei glei cher Dicke der Absorberschicht erheblich höhere Absorption der einfallenden Strahlung auszeichnet.

Typische Photovoltaikzellen zur Wandlung von einfallender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie, welche in Systemen zur optischen Leistungs und/oder Signalübertragung verwendet werden, weisen an einer der einfallen den Strahlung zugewandten Vorderseite metallische Kontaktstrukturen auf, um Ladungsträger abzuführen. Bei der Ausgestaltung dieser metallischen Kontaktstruktur sind zwei gegenläu fige Effekte zu berücksichtigen: Einerseits ist ein hoher Bedeckungsgrad der Vorderseite durch die metallische Kontaktierungsstruktur erwünscht, um Serien widerstandsverluste zu verringern. Andererseits wird an der durch die metalli sche Kontaktierungsstruktur bedeckten Vorderseite keine Strahlung in die Pho- tovoltaikzelle eingekoppelt, sodass optische Verluste entstehen. Hieraus ergibt sich ein bekanntes Optimierungsproblem, welches bei typischen Photovoltaik- zellen auftritt.

Die Relevanz der vorgenannten Verluste steigt zudem mit der auf die Photovol- taikzelle auftreffende Leistung, da die Verlustleistung quadratisch mit dem zu erwartenden Photostrom der Photovoltaikzelle steigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagneti scher Strahlung in elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, welches eine kosteneffiziente Herstellung von Photovoltaikzellen mit geringer Abschattung der Photovoltaikzelle und damit hoher Lichteinkopplung bei gleichzeitig geringen Serienwiderstandsverlusten bei Ableiten von Ladungsträgern an der Vorderseite der Photovoltaikzelle ermöglicht.

Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Un teransprüchen.

Das eingangs erwähnte Optimierungsproblem bei Ausgestaltungen einer metalli schen Kontaktierungsstruktur an der Vorderseite einer Photovoltaikzelle wurde bisher durch eine Minimierung der Gesamtverluste unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen der Photovoltaikzelle, insbesondere der photo-generierten Stromstärke und der Verteilung der Stromflüsse innerhalb der Photovoltaikzelle gelöst. Optimiert wurden dabei die Menge, insbesondere Dicke, und Anordnung der metallischen Kontaktierungsstruktur.

Typische Metallisierungsstrukturen weisen daher eine sogenannte Kammstruktur auf, bei welcher ausgehend von einem geradlinigen Busbar mit einer höheren Querschnittsfläche sich senkrecht zu dem Busbar parallel liegende Metallfinger mit geringerer Querschnittsfläche erstrecken. Für Photovoltaikzellen, bei wel chen in einem definierten Empfangsbereich elektromagnetische Strahlung auf- tritt, insbesondere Photovoltaikzellen zur Verwendung bei der Leistungsübertra gung in Kombination mit einer Strahlungsquelle oder Konzentrator-Photovoltaik- zellen, sind außerhalb des Empfangsbereichs angeordnete Busbars, auch konti nuierlich umlaufende Busbars, insbesondere ringförmige Busbars bekannt, wo bei sich ausgehend von den Busbars die Metallfinger in die von dem Busbar ein gegrenzte Fläche erstrecken.

Beispiele für Ergebnisse solcher Optimierungen der metallischen Kontaktie rungsstrukturen sind beispeilsweise in C. Algora, “Very-High-Concentration Challenges of l ll-V Multijunction Solar Cells,” in Springer Series in Optical Sci ences, Concentrator Photovoltaics, A. L. Luque and V. M. Andreev (Hrsg.), Ber lin Heidelberg: Springer, 2007, pp. 89-111 und M. Steiner, S. P. Philipps, M. Hermle, A. W. Bett, F. Dimroth, “Validated front contact grid Simulation for GaAs solar cells under concentrated sunlight,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 19, no. 1 , pp. 73-83, 2010 aufgeführt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Bede ckungsgrad, mit welchem eine dem Strahlungseinfall zugewandte Vorderseite einer Photovoltaikzelle von einer metallischen Kontaktierungsstruktur bedeckt ist, erheblich reduziert werden kann, wenn nicht-metallische Elemente mit guter elektrischer Querleitungsfähigkeit vorgesehen werden, welche parallel zu der Vorderseite eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Transparenz ge genüber der umzuwandelnden elektromagnetischen Strahlung gegenüber der metallischen Kontaktierungsstruktur aufweisen. Erfindungsgemäß wird daher eine Halbleiter-Stromleitschicht vorgesehen, welche eine verglichen mit vorbe kannten Schichtstrukturen große Dicke aufweist.

Das Abscheiden einer Halbleiterschicht mit großer Dicke auf eine Halb leiterstruktur stellt jedoch einen kostenintensiven Verfahrensschritt dar. Erfin dungsgemäß erfolgt daher die Herstellung der Photovoltaikzelle in Superstrat- Konfiguration: Im Unterschied zu der typischerweise verwendeten Substrat-Kon figuration wird bei der Superstrat-Konfiguration die Solarzelle ausgehend von der dem Strahlungseinfall zugewandten Vorderseite hergestellt. Das Substrat, auf welchem die Schichten zur Ausbildung der Photovoltaikzelle aufgebracht werden, befindet sich somit bei der späteren Verwendung an der Vorderseite der Photovoltaikzelle und wird daher als Superstrat bezeichnet und erfüllt gleichzeitig die Funktion vorgenannten Halbleiter-Stromleitschicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung zumindest einer Photovoltaik zelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie weist folgende Verfahrensschritte auf:

A. Bereitstellen eines als Halbleitersubstrat ausgebildeten Superstrats;

B. Aufbringen von Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zur Ausbildung von Photovoltaikzellen mittelbar oder unmittelbar auf eine Rückseite des Superstrats, wobei die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zumin dest eine aus einem direkten Halbleiter ausgebildete Absorberschicht aufweisen; wobei das Superstrat als Stromleitschicht ausgebildet ist mit einer Dicke größer 10 pm und in Verfahrensschritt B die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten elektrisch leitend mit der Stromleitschicht verbunden ausgebildet werden, wobei zwischen Stromleitschicht und Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten eine meta- morphe Pufferstruktur mit einer oder mehrerer Pufferschichten angeordnet ist, und wobei die Bandlücke der Stromleitschicht und die Bandlücke der Puffer schicht um zumindest 10 meV, insbesondere zumindest 50 meV, bevorzugt zu mindest 100 meV größer ist als die Bandlücke der Absorberschicht.

Erfindungsgemäß wird zwischen Stromleitschicht und Photovoltaikzelle-Halb- leiterschichten eine metamorphe Pufferstruktur angeordnet. Eine solche Puf ferstruktur ermöglicht eine graduelle Anpassung der Gitterkonstante zwischen Stromleitschicht und der vorderseitig angeordneten Schicht der photovoltai- schen Schichtstruktur. Dies hat den Vorteil, dass Kristalldefekte wie Durchstoß versetzungen innerhalb der photovoltaischen Schichtstruktur reduziert werden können. Eine metamorphe Pufferstruktur an sich ist bei Photovoltaikzellen mit direkten Absorberschichten bekannt und beispielsweise in Materials Science Reports Volume 7, Issue 3, November 1991 , Pages 87-142, Dislocations in strained- layer epitaxy: theory, experiment, and applications, E.A. Fitzgerald, https://doi.Org/10.1016/0920-2307(91)90006-9,

M. T. Bulsara, C. Leitz, and A. Fitzgerald, “Relaxed InGaAs graded buffers grown with organometallic vapor phase epitaxy on GaAs,” Appl.

Phys. Lett. , vol. 72, pp. 1608-1610, 1998 und

Relaxed, high-quality InP on GaAs by using InGaAs and InGaP graded buffers to avoid phase Separation

Journal of Applied Physics 102, 033511 (2007); https://doi.Org/10.1063/1 .2764204 beschrieben.

Eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Photovoltaikzelle zeichnet sich somit dadurch aus, dass mittels der aus einem direkten Halbleiter ausgebildeten Absorberschicht eine effiziente Absorption elektromagnetischer Strahlung zur Umwandlung in elektrische Energie erfolgt, dass die Stromleit schicht mit einer Dicke größer 10 pm, welche aus einem Halbleitermaterial aus gebildet ist, eine elektrische Querleitung von Ladungsträgern ermöglicht und dass aufgrund der unterschiedlichen Bandlücke von Stromleitschicht und Absor berschicht eine Absorption einfallender elektromagnetischer Strahlung in der Stromleitschicht vermieden werden kann oder zumindest eine Optimierung hin sichtlich einer vorgegebenen einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit ei nem vorgegebenen Spektrum möglich ist, sodass die Absorption in Wesentli chen in der Absorberschicht und nicht oder nur geringfügig in der Stromleit schicht erfolgt.

Aufgrund der Querleitung von Ladungsträgern in der Stromleitschicht an der Vorderseite der Photovoltaikzelle wird somit die Funktion der metallischen Kon taktierungsstruktur an der Vorderseite vorbekannter Photovoltaikzellen bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Photovoltaikzelle zumindest teilweise durch die Stromleitschicht übernommen, sodass eine Reduzierung der metallischen Kontaktierungsstruktur, insbesondere eine Reduzierung des Bedeckungsgrades der Vorderseite der Photovoltaikzelle mit einer metallischen Kontaktierungs struktur ohne erhebliche Verluste aufgrund von Serienwiderstandseffekten er möglicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist darüber hinaus besonders kosteneffizient ausgebildet:

Bei der Herstellung von Photovoltaikzellen, insbesondere monolithischen Photo- voltaikzellen, wird wie vorangehend beschrieben typischerweise ein Substrat be nötigt, auf welches die Schichten der Photovoltaikzelle aufgebracht werden, ty pischerweise epitaktisch aufgebracht werden. Das Aufbringen einer dicken Schicht wie der Stromleitschicht stellt jedoch einen kostenintensiven Verfah rensschritt dar.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass ein Superstrat ver wendet wird, welches als Stromleitschicht Bestandteil der Photovoltaikzelle ist, so dass die Stromleitschicht nicht aufgebracht, insbesondere nicht epitaktisch aufgebracht werden muss. Das Superstrat befindet sich auf der bei Verwendung der Photovoltaikzelle der einfallenden Strahlung zugewandten Seite der Photo- voltaikzelle-Halbleiterschichten.

Vorteilhafterweise werden die Stromleitschicht, die metamorphe Pufferstruktur und die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten monolithisch ausgebildet. Hier durch ergibt sich ein robuster Aufbau und es werden Verfahrensschritte zum Zu sammenfügen einzelner Bauelemente vermieden. Es ist daher vorteilhaft, dass metamorphe Pufferstruktur und die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten auf dem Superstrat erzeugt werden. Hierdurch entfällt der Verfahrensaufwand des Transfers dieser Elemente von einem Ausbildungssubstrat auf die Stromleit schicht. In einer besonders verfahrensökonomischen bevorzugten Ausgestaltung werden metamorphe Pufferstruktur und die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten auf dem Superstrat abgeschieden, insbesondere bevorzugt epitaktisch abge schieden, bevorzugt mittels CVD (Chemical vapour deposition).

Um eine Querleitfähigkeit der Stromleitschicht zu gewährleisten, weist die Stromleitschicht bevorzugt eine Dotierung mit einem Dotierstoff des n-Dotie- rungstyps, oder des entgegengesetzten p-Dotierungstyps auf. Die Dotierkon zentration ist bevorzugt größer 10 ¹⁶ cm ^-3 , weiter bevorzugt größer 5x10 ¹⁶ cm ^-3 , insbesondere größer 10 ¹⁷ cm ^-3 . Insbesondere ist es vorteilhaft, als Stromleitschicht eine GaAs-Schicht zu ver wenden, bevorzugt ein n-dotiertes Gallium-Arsenidsuperstrat. Die n-Dotierung des Superstrats liegt hierbei bevorzugt im Bereich 1x10 ¹⁶ cm ^-3 bis 5x10 ¹⁸ cm ^-3 , insbesondere im Bereich 5x10 ¹⁶ cm ^-3 bis 3x10 ¹⁷ cm ^-3 .

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Stromleitschicht eine Dotierkon zentration auf, welche kleiner ist als 10 ¹⁹ cm ^-3 , bevorzugt kleiner als 5x10 ¹⁸ cm ^-3 , insbesondere kleiner 5x10 ¹⁷ cm ^-3 . Die freie Ladungsträgerabsorp tion einer dotierten Halbleiterschicht hängt von der Dotierung ab. Eine niedri gere Dotierung führt somit zu einer geringeren Absorption in der Stromleit schicht verglichen mit einer höheren Dotierung.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Photovoltaikzelle ist wie vorbekannte Photovoltaikzellen verwendbar. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung der erfindungsgemäßen Photovoltaikzelle in Kombination mit räumlich begrenzter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere fokussierter und/oder konzentrierter Strahlung.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Photovoltaik zelle in einem Übertragungssystem zur Energie- und/oder Signalübertragung mittels elektromagnetischer Strahlung.

Solche Systeme weisen zumindest eine Strahlungsquelle zur Erzeugung elektro magnetischer Strahlung auf. Die Strahlung der Strahlungsquelle trifft zumindest teilweise auf einen Empfangsbereich einer Photovoltaikzelle des Übertragungs systems, sodass Energie und/oder Signale mittels der elektromagnetischen Strahlung übertragen werden können. Wie vorangehend beschrieben, ist der Empfangsbereich derjenige Bereich der Oberfläche der Solarzelle, in welchem die einfallende Strahlung auftrifft oder zumindest der energetisch wesentliche Anteil der einfallenden Strahlung.

Bei einer Verwendung in solchen Übertragungssystemen ist das Spektrum der Strahlungsquelle typischerweise bekannt. Ein solches Spektrum ist typischer weise schmalbandiger als das Sonnenspektrum, d.h. es weist eine geringere Breite der Spektralverteilung (full width at half maximum, FWHM) auf. Eine gän gige Kenngröße eines solchen Spektrums ist die dominante Photonenenergie, d.h. derjenige Energiewert im Spektrum, an welchem die größte Anzahl an Pho tonen emittiert wird.

Vorteilhafterweise erfolgt daher eine Optimierung der Umwandlung elektromag- netischer Strahlung in elektrische Energie hinsichtlich der Intensität und des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle. Insbeson dere erfolgt bevorzugt eine Optimierung der Bandlücken von Superstrat und Ab sorberschicht abhängig von einer vorgegebenen dominanten Photonenenergie. Es ist daher vorteilhaft, dass das Superstrat eine Bandlücke aufweist, welche größer, insbesondere um 10 meV bis 500 meV, größer ist als eine vorgegebene dominante Photonenenergie und dass die Absorberschicht mit einer Bandlücke ausgebildet wird, welche kleiner, insbesondere um 1 meV bis 150 meV, bevor zugt um 10 meV bis 80 meV kleiner ist als die dominante Photonenenergie.

Es ist somit insbesondere vorteilhaft, dass das Superstrat eine Bandlücke auf weist, welche größer, insbesondere um einen Wert im Bereich 51 meV bis 650 meV, bevorzugt im Bereich 60 meV bis 580 meV größer ist als die Bandlü cke der Absorberschicht.

Ausgehend von Strahlungsquellen für typische Anwendungen eines Übertra gungssystems liegt die vorgegebene dominante Photonenenergie bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 eV und 2,5 eV, besonders bevorzugt im Bereich 0,74 eV und 1 ,55 eV, insbesondere in einem der Bereiche 1 ,38 eV bis 1 ,55 eV, 1 , 13 eV bis 1 ,38 eV, 0,88 eV bis 1 ,00 eV, und 0,74 eV bis 0,88 eV.

Insbesondere ist es vorteilhaft, die Absorberschicht mit Materialien abhängig von dem vorgegebenen Bereich der dominanten Photonenenergie auszubilden, gemäß der folgenden Tabelle:

Die Breite der vorgegebenen Spektralverteilung (FWHM) ist für typische Strah lungsquellen kleiner 150 nm.

Wie zuvor erläutert, übernimmt die Stromleitschicht aufgrund der Querleitfähig keit für Ladungsträger zumindest teilweise die Funktion einer metallischen Kon taktstruktur bei vorbekannten Photovoltaikzellen. Zur Verschaltung der Photo- voltaikzelle mit einem externen Stromkreis und/oder zur Unterstützung der Querleitfähigkeit der Stromleitschicht ist es vorteilhaft, an einer Vorderseite des Superstrats eine metallische Vorderseitenkontaktierungsstruktur ausgebildet wird, welche mittelbar oder unmittelbar an der Vorderseite des Superstrats an geordnet und mit dem Superstrat elektrisch leitend verbunden wird. Die Vorder seite des Superstrats ist die den Photovoltaik-Halbleiterschichten abgewandte Seite des Superstrats.

Die Stromleitschicht weist bevorzugt einen wie zuvor beschriebenen Empfangs bereich zum Empfang einfallender elektromagnetischer Strahlung auf. Die me tallische Vorderseitenkontaktierungsstruktur wird bevorzugt derart ausgebildet, dass der Bedeckungsgrad der Vorderseitenkontaktierungsstruktur im Empfangs bereich < 5 %, insbesondere < 3 %, bevorzugt < 1 %, weiter bevorzugt < 0,2 % ist. Wenn ein wesentlicher Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strah lung im Empfangsbereich auf die Stromleitschicht auftrifft, erfolgt somit nur eine geringe Abschattung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung durch die Vorderseitenkontaktierungsstruktur. Eine Bedeckung der Stromleitschicht mit der metallischen Vorderseitenkontaktierungsstruktur außerhalb des Empfangs bereichs führt hingegen zu keinen oder nur zu geringfügigen Verlusten aufgrund von Abschattung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung. Insbesondere ist es daher vorteilhaft, dass die metallische Vorderseitenkontak tierungsstruktur an einer oder bevorzugt mehreren Seiten des Empfangsbe reichs metallische Kontaktierungselemente aufweisend ausgebildet wird. Insbe sondere ist es vorteilhaft, dass die metallische Vorderseitenkontaktierungsstruk tur mit einem metallischen Kontaktierungselement ausgebildet wird, welches umlaufend um den Empfangsbereich ausgebildet ist. Diese metallischen Kontak tierungselemente an den Seiten bzw. umlaufend um den Empfangsbereich kön nen somit eine hohe Querschnittsfläche vergleichbar mit vorbekannten Busbars aufweisen.

Der Empfangsbereich ist bevorzugt derart ausgebildet, dass er eine Kreisfläche mit einer Fläche im Bereich 0,01 cm ² bis 1 cm ² überdeckt. Insbesondere ist es vorteilhaft, den Empfangsbereich kreisförmig auszubilden.

Vorteilhafterweise wird an einer der Stromleitschicht abgewandten Rückseite der photovoltaischen Schichtstruktur mittelbar oder unmittelbar eine Spiegel struktur zur zumindest teilweisen Reflexion der elektromagnetischen Strahlung angeordnet. Die Spiegelstruktur wird elektrisch leitend ausgebildet, sodass rück seitig Ladungsträger über die Spiegelstruktur abgeführt werden können. Insbe sondere ist es vorteilhaft, dass die Spiegelstruktur mit einem Element oder meh reren Elementen aus der Gruppe

Metallschicht, insbesondere Silberschicht oder Goldschicht; dielektrische Schichtstruktur mit zumindest einer dielektrischen Schicht und zumindest einer Metallschicht;

Bragg-Spiegel (distributed Bragg reflector); ausgebildet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Photovoltaik- zelle-Halbleiterschichten nicht von einem Substrat gelöst werden müssen, son dern auf dem als Stromleitschicht ausgebildeten Superstrat aufgebracht werden, welches somit funktionaler Bestandteil der Photovoltaikzelle ist.

Insbesondere bei der vorbeschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung mit Anord nen einer Spiegelstruktur ist dies vorteilhaft, da die Spiegelstruktur bei der typi schen vorbekannten Herstellung einer Photovoltaikzelle mit Spiegelstruktur das Aufbringen der Spiegelstruktur nach Ablösen der Solarzelle von dem Substrat erfolgt und somit besondere Anforderungen für den Ablöseprozess vorliegen müssen. Bei der vorliegenden Herstellung der Photovoltaikzelle in Superstrat- Konfiguration erfolgt die Herstellung der Schichten hingegen „von oben nach un ten“, d.h. beginnend mit den an der Vorderseite liegenden Schichten und ein Ab lösen ist nicht notwendig, so dass keine Beschränkungen bei Ausbilden der Spiegelstruktur vorliegen.

Eine optisch spiegelnde und gleichzeitig elektrisch leitfähige Rückseite weist den Vorteil auf, dass einerseits elektromagnetische Strahlung, welche in der photovoltaischen Schichtstruktur zunächst nicht absorbiert wurde, durch die Spiegelstruktur zumindest teilweise reflektiert wird und hierdurch noch eine Ab sorption dieser Strahlungsanteile in der Absorberschicht erfolgen kann. Bei sehr dünnen Absorberschichten (wenige Mikrometer, insbesondere wenige 100 Na nometer, bis weniger als 100 Nanometer) kann zudem bei geeigneter Auslegung der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten durch eine spiegelnde und bevorzugt auch optische streuende, optische beugende oder auf andere Weise Licht-um- lenkende Rückseite eine Erhöhung des Absorptionsgrads erzielt werden. Die elektrische Leitfähigkeit ermöglicht darüber hinaus das an sich bekannte Abfüh ren von Ladungsträger an der Rückseite der Schichtstruktur.

Die metamorphe Pufferstruktur wird bevorzugt mit einer ausgehend von der Stromleitschicht in Richtung der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten abneh menden Bandlücke ausgebildet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die metamorphe Pufferstruktur eine Pufferschicht mit kontinuierlich abnehmender, insbesondere streng monoton abnehmender Bandlücke auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die metamorphe Pufferstruk tur mehrere Pufferschichten auf, wobei die Pufferschichten ausgehend von der Stromleitschicht in Richtung der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten abneh mende Bandlücken aufweisen. Vorteilhafterweise, werden die einzelnen Puffer schichten mit konstanter Bandlücke ausgebildet, so dass eine stufenartige Ab nahme der Bandlücke in der Pufferstruktur in Richtung der Photovoltaikzelle- Halbleiterschichten ausgebildet wird. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass eine oder mehrere Pufferschichten der metamorphen Pufferstruktur eine kontinuierlich abnehmende, insbesondere streng monoton abnehmende Bandlü cke aufweisen. Die metamorphe Pufferstruktur wird bevorzugt mit einer ausgehend von der Stromleitschicht in Richtung der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zuneh menden Gitterkonstante ausgebildet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die metamorphe Pufferstruktur eine Pufferschicht mit kontinuierlich zunehmen der, insbesondere streng monoton zunehmender Gitterkonstante auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die metamorphe Pufferstruk tur mehrere Pufferschichten auf, wobei die Pufferschichten ausgehend von der Stromleitschicht in Richtung der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zuneh mende Gitterkonstanten aufweisen. Vorteilhafterweise, werden die einzelnen Pufferschichten mit konstanter Gitterkonstante ausgebildet, so dass eine stufen artige Zunahme der Gitterkonstante in der Pufferstruktur in Richtung der Photo- voltaikzelle-Halbleiterschichten ausgebildet wird. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass eine oder mehrere Pufferschichten der metamorphen Puf ferstruktur eine kontinuierlich zunehmende, insbesondere streng monoton zu nehmende Gitterkonstante aufweisen.

Vorteilhafterweise weist die metamorphe Pufferstruktur an der den Photovoltaik- zelle-Halbleiterschichten zugewandten Seite eine Überschussschicht auf, wel che eine größere Gitterkonstante aufweist als die dann folgenden Photovoltaik- zelle-Halbleiterschichten. Bevorzugt grenzt die Überschussschicht unmittelbar an die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten an.

Die spezifische Dicke der Pufferstruktur benennt das Verhältnis aus der Dicke der Pufferstruktur in Nanometern zur Abweichung der Gitterkonstante in Picom- etern zwischen Superstrat (als Startschicht) und Photovoltaikzelle-Halbleiter- schichten(als Zielschicht). Die Pufferstruktur wird bevorzugt mit einer spezifi schen Dicke von zumindest 100 nm/pm, insbesondere zumindest 200 nm/pm ausgebildet. Die Pufferstruktur wird bevorzugt mit einer spezifischen Dicke klei ner 500 nm/pm, insbesondere kleiner 400 nm/pm ausgebildet.

Vorteilhafterweise weisen alle in der metamorphen Pufferstruktur verwendeten Materialien eine Bandlücke größer der dominanten Photonenenergie auf. Insbe sondere weist vorteilhafterweise das Material der Überschussschicht eine Band lücke größer der dominanten Photonenenergie auf. Vorteilhafterweise wird die metamorphe Pufferstruktur zumindest mit mehreren GalnP Schichten mit stufenweisem Anstieg des Indium-Gehaltes ausgehend von der Stromleitschicht in Richtung der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten aus- gebildet, wie zum Beispiel in France et al. beschrieben (IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS 1 Design Flexibility of Ultrahigh Efficiency Four-Junction Inverted Metamorphic Solar Cells

Ryan M. France, John F. Geisz, Ivan Garcia, Myles A. Steiner, William E. McMahon, Daniel J. Friedman,

Tom E. Moriarty, Carl Osterwald, J. Scott Ward, Anna Duda, Michelle Young, and Waldo J. Olavarria).

Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die metamorphe Pufferstruktur mit ei- nem kontinuierlich steigenden, insbesondere einem streng monoton steigenden Indium-Gehalt ausgehend von der Stromleitschicht in Richtung der Photovoltaik- zelle-Halbleiterschichten auszubilden.

Die metamorphe Pufferstruktur liegt bei Verwendung der Photovoltaikzelle auf der der einfallenden Strahlung zugewandten Seite der Photovoltaikzelle-Halb- leiterschichten. Die Bandlücke der Pufferschicht der metamorphen Pufferstruktur ist daher um zumindest 10 meV, insbesondere zumindest 50 meV, bevorzugt zu mindest 100 meV größer ist als die Bandlücke der Absorberschicht, um eine ge ringe Absorption gegenüber der der Absorberschicht zu erzielen. Insbesondere ist es daher vorteilhaft, dass die Bandlücken aller Schichten der metamorphen Pufferstruktur, insbesondere aller Pufferschichten und der Überschussschicht, um zumindest 10 meV, insbesondere zumindest 50 meV, bevorzugt zumindest 100 meV größer sind als die Bandlücke der Absorberschicht, um eine geringe Absorption gegenüber der der Absorberschicht zu erzielen.

Insbesondere ist es daher vorteilhaft, dass die metamorphe Pufferstruktur, be vorzugt alle Schichten der metamorphen Pufferstruktur Aluminium aufweisend ausgebildet sind. Die Pufferschicht oder die Pufferschichten der metamorphen Pufferstruktur sind daher bevorzugt als AIGalnAs-Schicht, als GalnP-Schicht oder aus einer Misch form dieser Zusammensetzungen ausgebildet.

Vorteilhafterweise wird zwischen Stromleitschicht und Photovoltaik-Halbleiter- schichten eine Tunneldiodenschichtstruktur angeordnet. Eine solche Tunneldio denschichtstruktur weist den Vorteil auf, dass die Polarität der Stromleitschicht von der Polarität der vorderseitig angeordneten Schicht der photovoltaischen Schichtstruktur verschieden sein kann. Ein Beispiel einer Tunneldioden schichtstruktur ist in France et al. beschrieben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Tunneldiodenschichtstruktur zwi schen Stromleitschicht und metamorpher Pufferstruktur angeordnet. Vorteilhaf terweise wird hierbei die metamorphe Pufferstruktur mit einer zu der Stromleit schicht entgegengesetzten Dotierung ausgebildet. Insbesondere wird bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung bevorzugt die Stromleitschicht n-dotiert ausgebildet und die metamorphe Pufferstruktur wird p-dotiert ausgebildet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Tunneldiodenschichtstruktur zwi schen metamorpher Pufferstruktur und Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten an geordnet. Vorteilhafterweise wird hierbei die metamorphe Pufferstruktur mit ei ner Dotierung des zu der der Tunneldiodenschicht zugewandten Schicht der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten entgegengesetzten Dotierungstyps ausge bildet. Insbesondere wird bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung bevorzugt die metamorphe Pufferstruktur n-dotiert ausgebildet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Tunneldiodenschichtstruk tur innerhalb der metamorphen Pufferstruktur ausgebildet. Bei dieser Ausfüh rungsform weist die metamorphe Pufferstruktur mehrere Schichten auf, wobei sowohl zwischen Stromleitschicht und Tunneldiodenschichtstruktur, als auch zwischen Tunneldiodenschichtstruktur und Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten jeweils zumindest eine Pufferschicht der metamorphen Pufferstruktur ausgebil det wird. Vorteilhafterweise weist die Pufferschicht der metamorphen Puf ferstruktur zwischen Stromleitschicht und Tunneldiodenschichtstruktur eine Do tierung des Dotierungstyps der Stromleitschicht, bevorzugt eine n-Dotierung, auf und die Pufferschicht der metamorphen Pufferstruktur zwischen Tunneldioden schichtstruktur und Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten weist eine Dotierung des hierzu entgegengesetzten Dotierungstyps auf.

Die Stromleitschicht ist bevorzugt aus zumindest einem Material oder aus Mate rialkombinationen der Gruppe GaAs, InP, GaSb, Si, Ge, GaP, InAs, AlAs, AIP, InSb, AlSb ausgebildet. Es wird daher bevorzugt ein Superstrat bereitgestellt, welches aus zumindest einem der Materialien oder Materialkombinationen der Gruppe GaAs, InP, GaSb, Si, Ge, GaP, InAs, AlAs, AIP, InSb, AlSb ausgebildet ist. Wie zuvor beschrieben weist bevorzugt die Stromleitschicht das Material GaAs auf und ist bevorzugt n-dotiert ausgebildet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen ausgebildet, wobei nach Verfahrensschritt B in einem Verfahrensschritt C Trenngräben er zeugt werden, welche die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten, jedoch nicht das Superstrat durchdringen, um eine Mehrzahl durch die Trenngräben separier ter Photovoltaikzellen auszubilden und in einem Verfahrensschritt D ein Zerteilen des Halbleitersubstrats erfolgt, um die Photovoltaikzellen zu vereinzeln.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfah rens erfolgen Verfahrensschritt C und D in einem gemeinsamen Verfahrens schritt. Insbesondere ist es vorteilhaft, Verfahrensschritt C und D mittels Plas maätzen durchzuführen, bevorzugt in situ, d.h. dass beide Verfahrensschritt in einer Reaktorkammer ohne Ausschleusen des Halbleitersubstrats zwischen den Verfahrensschritten durchgeführt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfah rens erfolgt das Zerteilen des Halbleitersubstrats in Verfahrensschritt D mittels eines sägeblattfreien Trennverfahrens, bevorzugt mittels laserinduzierten Kris tallbruch, insbesondere mittels „thermal laser Separation“ (TLS, wie in Zuhlke, 2009, „TLS-Dicing - An innovative alternative to known technologies“ https://doi.org/10.1109/ASMC.2009.5155947 beschrieben) oder mittels „Stealth Dicing“ (SD, wie in F. Fukuyo, K. Fukumitsu and N. Uchiyama, "Stealth dicing technology and applications", Proc. 6th Int. Symp. Laser Precision Microfabrica- tion, 2005 oder Kumagai et al, 2007, IEEE T Semicond Manufac 20(3) https://doi.Org/10.1109/TSM.2007.901849 beschrieben). So kann der Verlust an Halbleiterfläche durch das Zerteilen (auch kerf loss genannt) minimiert werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird kostensparend auf den Verfahrens schritt C verzichtet. Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung ist das Verfahren so mit zur Herstellung einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen ausgebildet, wobei nach Verfahrensschritt B in einem in einem Verfahrensschritt D ein Zerteilen des Halbleitersubstrats erfolgt, um die Photovoltaikzellen zu vereinzeln. Zwischen Verfahrensschritt B und Verfahrensschritt D werden keine Trenngräben gemäß des zuvor beschriebenen Verfahrensschrittes C erzeugt. Besonders vorteilhaft ist es, dass hierbei in Verfahrensschritt D das Zerteilen des Halbleitersubstrats in Verfahrensschritt D mittels eines sägeblattfreien Trennverfahrens erfolgt, wie zuvor beschrieben, bevorzugt mittels laserinduzierten Kristallbruch, insbeson dere mittels TLS oder SD.

Durch die Einsparung des Verfahrensschritts C wird eine Kosteneinsparung er zielt. Die Verwendung eines sägeblattfreien Trennverfahrens in Verfahrens schritt D, insbesondere TLS oder SD ermöglicht eine bessere Qualität, insbe sondere einen besseren Wirkungsgrad der Photovoltaikzellen, da Unterätzungen der Randfläche in einem Verfahrensschritt C, welche insbesondere bei nassche mischem Mesa Ätzen auftreten, vermieden werden.

Die vereinzelten Photovoltaikzellen weisen somit die Vorteile der zuvor be schriebenen erfindungsgemäßen Photovoltaikzelle auf. Insbesondere sind die Photovoltaikzellen bevorzugt gemäß der erfindungsgemäßen Photovoltaikzelle ausgebildet, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon.

Vorteilhafterweise erfolgt in Verfahrensschritt D das Zerteilen des Halbleitersub strates beginnend von der den Photovoltaikzellen abgewandten Seite des Su- perstrats. Hierdurch wird eine Beeinträchtigung der Photovoltaikzelle beim Zer teilen des Superstrats vermieden oder zumindest verringert.

Die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten bilden eine Photovoltaik-Halbleiter- schichtstruktur aus. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Photovoltaik-Halbleiter- schichtstruktur als gestapelte Mehrfach-Photovoltaikzelle ausgebildet. Die ein zelnen Teilzellen sind dabei vorteilhafterweise mittels Tunneldioden monoli- thisch miteinander in Serie verschaltet. Eine gestapelte Mehrfach-Photovoltaik zelle ist aus Bett et al, 2008, DOI : 10.1109/PVSC.2008.4922910, bekannt. Be vorzugt weist die Photovoltaik-Halbleiterschichtstruktur eine Mehrzahl an pn- Übergängen auf, insbesondere zumindest zwei, weiter bevorzugt zumindest drei pn-Übergänge.

Insbesondere ist es vorteilhaft, das Verfahren wie zuvor beschrieben zur Verein zelung einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen auszubilden, wobei jede Photovol- taikzelle jeweils als gestapelte Mehrfach-Photovoltaikzelle ausgebildet ist. Vorteilhafte Ausführungsformen und Materialkombinationen für Superstrat und die Absorberschicht der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten bei Zwischen schaltung einer metamorphen Pufferstruktur sind in nachfolgender Tabelle auf geführt, wobei jeweils das Material und in Klammern die Bandlücke in [eV], eine bevorzugte Obergrenze der Bandlücke oder der bevorzugte Bandlückenbereich angegeben ist. Weiterhin sind manche Ausgestaltungen für schmalbandige Spektren mit einer vorgegebenen dominanten Photonenenergie optimiert. Die zugehörige Wellenlänge ist zusätzlich angegeben. Der Zusammenhang zwi schen der angegebenen Photonenenergie in [nm] und der Photonenenergie in [eV] ergibt sich aus E = h*c/l mit der Photonenenergie E [eV], der Planckkon- stante h [eV s], der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c [nm/s] und der Wellen länge I [nm].

Besonders kostengünstig und daher vorteilhaft ist die Verwendung eines aus Si lizium ausgebildeten Superstrats. Die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten können an sich bekannte Halbleiter schichten zur Ausbildung einer Photovoltaikzelle mit einer aus einem direkten Halbleiter ausgebildeten Absorberschicht aufweisen. Insbesondere ist es vorteil haft, dass die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten eine oder mehrere, bevor zugt alle der folgenden Schichten, insbesondere bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgehend von dem Superstrat aufweisen: a) eine Pufferschicht; b) eine Passivierungsschicht (FSF, front surface field); c) eine p- oder n-dotierte Emitterschicht; d) eine Basisschicht, welche entgegengesetzt zu der Emitterschicht dotiert ist; e) eine weitere elektrische Passivierungsschicht (BSF, back surface field); f) eine Kontaktschicht.

Je nach Ausgestaltung der Photovoltaikzelle kann die Schicht, in welcher der wesentliche Energieanteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ab sorbiert wird, die Emitterschicht oder die Basisschicht sein. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass Emitter- und Basisschicht einen wesentlichen Bei trag zur Absorption der einfallenden Photonen beitragen. Die Absorberschicht kann somit die Emitterschicht oder die Basisschicht sein oder die Absorber schicht ist mehrteilig ausgebildet und umfasst mehrere Schichten, insbesondere Emitterschicht und Basisschicht. Bei einer mehrteilig ausgebildeten Absorber schicht sind die genannten Bedingungen hinsichtlich des Unterschieds der Bandlücken zwischen Stromleitschicht und Absorberschicht auf zumindest eine Teilschicht der mehrteiligen Absorberschicht anzuwenden, bevorzugt ist die Be dingung auf die Stromleitschicht und jede der Teilschichten der mehrteiligen Ab sorberschicht anzuwenden. Bei einer mehrteilig ausgebildeten Absorberschicht ist die Bandlücke der Stromleitschicht somit um zumindest 10 meV, insbeson- dere zumindest 50 meV, bevorzugt zumindest 100 meV größer als die Bandlü cke zumindest einer Teilschicht der Absorberschicht. Bevorzugt ist bei einer mehrteilig ausgebildeten Absorberschicht die Bandlücke der Stromleitschicht um zumindest 10 meV, insbesondere zumindest 50 meV, bevorzugt zumindest 100 meV größer ist als die Bandlücke jeder Teilschicht der Absorberschicht.

In der nachfolgenden Tabelle sind Ausführungsbeispiele des Superstrats und der Photovoltaik-Halbleiterschichten angegeben. Die Dotierungstypen sind je weils mit dem Vorsatz n- (n-Dotierung) oder p- (p-Dotierung) gekennzeichnet. Weiterhin sind die Dotierkonzentration und die Dicke der Schicht angegeben. Weiterhin ist mittels „[Absorberschicht]“ angegeben, welche Schicht bei der je weiligen Konfiguration wesentlich zur Absorption beiträgt und somit als Absor berschicht (oder Teil einer mehrteiligen Absorberschicht) bezeichnet wird:

¹ ) Die Pufferschicht AIGalnAsP ist als metamorphe Pufferschicht ausgebildet, mit steigendem In-Gehalt von 0.49-0.83 ausgehend von dem Superstrat. Die Photovoltaik-Halbleiterschichten werden bevorzugt mittels Epitaxie aufge bracht, insbesondere bevorzugt mittels CVD (Chemical vapor deposition, chemi sche Gasphasenabscheidung). Hierdurch kann auf an sich im Handel erhältliche Apparaturen zur Durchführung solcher Prozesse zurückgegriffen werden. Vorteilhaft ist insbesondere die Verwendung metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (metal organic Chemical vapor deposition, MOCVD), insbesondere der metallorganischen Gasphasenepitaxie (metal organic Chemical vapor phase epitaxy, MOVPE) zum Aufbringen der Photovoltaik-Halbleiter- schichten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Aufbringen aller oder eines Teils der Photovoltaik-Halbleiterschichten mittels einer der Verfahren Mo lekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE), VPE (vapor phase epitaxy) oder HVPE (hydride vapor phase epitaxy).

Vorteilhafterweise wird auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats bei der epi taktischen Abscheidung zunächst eine geeignete Nukleationsschicht abgeschie den. Dies ist insbesondere im Falle der Heteroepitaxie vorteilhaft falls die epita- xierten Schichten aus einem verschiedenen Material als das Halbleitersubstrat aufweisen, wie beispielsweise im Falle von einer GaP Abscheidung auf einem Si Substrat. Die zuvor und nachfolgend genannten Werte für Bandlückendifferenzen zwi schen Stromleitschicht und Absorberschicht sowie die Werte für die Bandlücke eines Halbleiters, insbesondere der Stromleitschicht, beziehen sich auf nor mierte Umgebungsbedingungen mit einer Temperatur von 25°C. Die Bandlücke eines Halbleiters ist von der Temperatur des Halbleiters abhängig, so dass ins besondere bei Verwendung einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Photovoltaikzelle unter Betriebsbedingungen mit anderer Tempe ratur andere Bandlückenwerte vorliegen. Abhängigkeit der Bandlücke von der Temperatur des Halbleiters ist in Vurgaftman, J. R. Meyer, and L. R. Ram-Mo- han, “Band Parameters for l ll-V compound semiconductors and their alloys,” J. Appl. Phys. 89, 5815 (2001) beschrieben.

Bei Verwendung der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Photovoltaikzellen können Betriebstemperaturen vorliegen, die deutlich über den vorgenannten normierten Umgebungsbedingungen liegen.

Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden an hand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 2 und Figur 3 jeweils ein Ausführungsbeispiel einer mittels des erfin dungsgemäßen Verfahrens hergestellten Photovoltaik- zelle;

Figur 4 Ausführungsbeispiele für metallische Vorderseitenkon taktierungsstrukturen von mittels des erfindungsgemä ßen Verfahrens hergestellter Photovoltaikzellen

Figur 5 Teilansichten von Schichtstrukturen an der Rückseite weiterer Ausführungsbeispiele mittels des erfindungs gemäßen Verfahrens hergestellter Photovoltaikzellen und Figur 6 schematische Ansichten der Anordnung von Kontak tierungspunkten der Darstellungen gemäß Figur 5.

Sämtliche Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.

In Figur 1 sind schematisch Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels ei nes erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Photovoltaikzelle zur Wandlung elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie dargestellt.

In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Bereitstellen eines als Halbleitersubstrat ausgebildeten Superstrats 1. Das Superstrat 1 ist vorliegend als Indiumphos- phit-Substrat (InP) mit einer Bandlücke von 1 ,35 eV ausgebildet. Dies ist in Teil bild a) dargestellt.

In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Aufbringen von Photovoltaikzelle-Halb- leiterschichten 2 zur Ausbildung zumindest einer Photovoltaikzelle mittelbar o- der unmittelbar auf eine Rückseite des Superstrats, wobei die Photovoltaikzelle- Halbleiterschichten zumindest eine aus einem direkten Halbleiter ausgebildete Absorberschicht aufweisen. Dies ist in Teilbild b) dargestellt.

Die Rückseite des Superstrats ist die bei Anwendung der Photovoltaiksolarzelle der Strahlungsquelle abgewandte Seite und entsprechend in den Figuren unten liegend dargestellt. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, während der Her stellung das Superstrat mit obenliegender Rückseite zu verwenden, sodass zur Vereinfachung der Prozessschritte die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten von oben auf das Superstrat aufgebracht werden.

Das Superstrat ist als Stromleitschicht ausgebildet und weist vorliegend eine Dotierung des n-Typs mit dem Dotierstoff Si und einer Dotierkonzentration von 1x10 ¹⁷ cm ^-3 auf. Die Dicke des Superstrats beträgt vorliegend 20 pm. In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Stromleitschicht eine p-Dotierung mit dem Dotierstoff Zn auf. Die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 sind elektrisch leitend mit der Strom leitschicht, d. h. dem Superstrat 1 , verbunden ausgebildet, sodass an einer Vor derseite des Superstrats 1 Ladungsträger von der Photovoltaikzelle abgeführt werden können.

Die Absorberschicht der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten ist aus einem di rekten Halbleiter ausgebildet, vorliegend als InGaAs-Schicht mit einer Bandlü cke von 0,74 eV. Die Bandlücke der Stromleitschicht ist somit um zumindest 50 meV vorliegend um 0,61 eV größer als die Bandlücke der Absorberschicht.

Die in Figur 1 b) schematisch dargestellte Struktur kann bereits als Photovoltaik zelle verwendet werden, wobei vorteilhafterweise an Vorder- und Rückseite zu sätzlich metallische Kontaktierungsstrukturen zum Abführen der Ladungsträger angeordnet werden, wie weiter unten näher erläutert.

Superstrat 1 und Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 sind monolithisch aus gebildet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Photovoltaik- zelle-Halbleiterschichten epitaktisch auf das Superstrat 1 aufgebracht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels ist das Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Photovoltaikzellen ausge bildet, wobei in einem Verfahrensschritt C Trenngräben 3 erzeugt werden, wel che die Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten, jedoch nicht das Superstrat 1 durchdringen. Das Ausbilden der Trenngräben 3 erfolgt bevorzugt mittels Ätzen, vorliegend mittels nasschemischem Ätzen. Dieser Zustand nach Ausbilden der Trenngräben ist in Teilbild c) der Figur 1 dargestellt.

In einem anschließenden Verfahrensschritt D erfolgt ein Zerteilen des Super strats 1 , um die Photovoltaikzellen zu vereinzeln. Hierbei wird das Zerteilen des Superstrats 1 beginnend von der dem Superstrat abgewandten Seite des Super strats.

In dieser Abwandlung des Ausführungsbeispiels können somit eine Mehrzahl von Photovoltaikzellen kostengünstig hergestellt werden, wobei jede vereinzelte Photovoltaikzelle an der Vorderseite ein Teilstück des Superstrats 1 aufweist. In Figur 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer mittels des erfindungs gemäßen Verfahrens hergestellten Photovoltaikzelle gezeigt, mit Superstrat 1 und Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2.

Durch das Sonnensymbol ist (wie auch in Figur 3) schematisch die Strahlungs quelle dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung von Photovoltaikzellen zur Verwendung als Solarzelle zur Umwandlung von Son nenlicht in elektrische Energie. Insbesondere ist das Verfahren jedoch geeignet, Photovoltaikzellen zur Verwendung in einem Übertragungssystem zur Energie und/oder Signalübertragung mittels elektromagnetischer Strahlung auszubilden. Ein solches Übertragungssystem weist eine Strahlungsquelle, insbesondere eine schmalbandige Strahlungsquelle wie eine Diode oder einen Laser auf, de ren Strahlung von der Photovoltaikzelle in elektrische Energie bzw. ein elektri sches Signal umgewandelt wird.

Wie in Figur 2 dargestellt, erfolgt die Kontaktierung typischerweise an der Vor derseite des Superstrats 1 und an der Rückseite der Photovoltaikzelle-Halb- leiterschichten 2, wobei gegebenenfalls an Vorder- und/oder an Rückseite zu sätzliche Kontaktierungsschichten und/oder Kontaktierungselemente angeordnet werden.

Bei den zu den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen wird jeweils zwi schen Superstrat 1 und den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 eine meta- morphe Pufferstruktur zur graduellen Anpassung der Gitterkonstante ausgebil det. Die metamorphe Pufferstruktur ist als n-dotierte, AIGalnAsP-Pufferschicht ausgebildet, mit steigendem In-Gehalt von 0.49-0.83 ausgehend von dem Su perstrat.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen Superstrat 1 und den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 eine Tunneldiodenschichtstruktur ange ordnet. Ein Beispiel für eine solche Tunneldiodenschichtstruktur ist eine Schichtfolge von sehr hochdotierten Halbleitern die einen p-n Übergang bilden wie zum Beispiel : 30 nm p ⁺⁺ AI0.3Ga0.7As (Dotierung: 1x10 ¹⁹ cm ^-3 ) und 30 nm n GaAs p ⁺⁺ AI0.3Ga0.7As (Dotierung: 1x10 ¹⁹ cm ^-3 ). Ein solches Beispiel einer Tunneldiodenschichtstruktur ist in Wheeldon et al PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND APPLICATIONS, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2011 ; 19:442-452, Published online 18 November 2010 in Wiley Online Li brary (wileyonlinelibrary.com). DOI: 10.1002/pip.1056 beschrieben. Hierbei wird die Tunneldiode zwischen Superstrat 1 und metamorpher Pufferstruktur ange ordnet.

Wie zuvor beschrieben, wird vorteilhaftweise an einer Vorderseite des Super- strats 1 eine metallische Vorderseitenkontaktierungsstruktur 4 ausgebildet, wel che mittelbar oder unmittelbar an der Vorderseite des Superstrats 1 angeordnet und mit dem Superstrat 1 elektrisch leitend verbunden wird. Weiterhin ist es vor teilhaft, dass an der Rückseite der Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 eine Rückseitenstruktur 5 angeordnet wird.

Die Rückseitenstruktur 5 umfasst vorteilhafterweise eine metallische Rücksei tenkontaktierungsstruktur, zum Abführen von Ladungsträgern an der Rückseite der Photovoltaikzelle. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Figur 3 dargestellt.

Wie eingangs beschrieben, kann aufgrund der Ausbildung des Superstrats 1 als Stromleitschicht gegenüber vorbekannten Photovoltaikzellen eine Verringerung des Bedeckungsgrads der Vorderseite des Superstrats 1 durch die Vordersei tenkontaktierungsstruktur 4 erfolgen. In Figur 4 sind Draufsichten auf verschie dene Ausführungsbeispiele von metallischen Vorderseitenkontaktierungsstruktu ren 4 dargestellt.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele b, c, d, e und g weisen jeweils einen durch eine dicke schwarze Linie umlaufenden Busbar auf. Bei Verwendung der Photo voltaikzelle in einem Übertragungssystem ist das Übertragungssystem derart ausgebildet, dass die Strahlung der Strahlungsquelle im Wesentlichen innerhalb des durch den Busbar umlaufend abgegrenzten Bereichs auftrifft, sodass keine oder nur eine geringfügige Abschattung der Strahlung durch den Busbar erfolgt. Der Busbar definiert somit einen Empfangsbereich zum Empfang einfallender elektromagnetischer Strahlung. Innerhalb des Empfangsbereichs kann keine metallische Kontaktierungsstruktur wie in Ausführungsbeispiel e angeordnet sein oder es sind gegenüber dem Busbar erheblich dünnere Kontaktierungsfin ger angeordnet, wie in den Ausführungsbeispielen b, c, d und g. Hierdurch ergibt sich ein geringer Bedeckungsgrad der Vorderseitenkontaktierungsstruktur im Empfangsbereich. Im Ausführungsbeispiel f weist die Vorderseitenkontaktierungsstruktur lediglich zwei an gegenüberliegenden Ecken ausgebildete metallische Kontaktierungsflä chen (Kontaktierungspads) auf, welche durch eine dünne, umlaufende quadrati sche Metallisierung verbunden sind. In Ausführungsbespiel a) ist eine einfache, an sich bekannte Ausgestaltung mit zwei gegenüberliegenden Busbars gezeigt, zwischen denen mehrere, parallel liegende metallische Kontaktierungsfinger an geordnet sind, die senkrecht zu Busbars stehen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der in Figur 3 gezeigten Photovoltaikzelle weist die Rückseitenkontaktstruktur 5 eine Spiegelstruktur zur zumindest teilwei sen Reflexion der elektromagnetischen Strahlung auf. Die Spiegelstruktur ist so mit an der dem Superstrat 1 abgewandten Rückseite der Photovoltaikzelle-Halb- leiterschichten angeordnet.

In einer einfachen Ausgestaltung besteht die Rückseitenkontaktstruktur 5 aus einer Metallschicht, insbesondere aus einem der Materialien Ag, Au.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Rückseitenstruktur 5 mit einer Me tallschicht und einer zwischen Metallschicht und Photovoltaikzelle-Halbleiter- schichten 2 angeordneten Kontakt- und Spiegelschicht ausgebildet. Die Kontakt- und Spiegelschicht ist bevorzugt als transparentes, leitfähiges Oxid (TCO) aus gebildet.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Rückseitenstruktur 5 mit einer Metallschicht und einer zwischen Metallschicht und Photovoltaikzelle- Halbleiterschichten 2 angeordneten dielektrischen Zwischenschicht („Spacer“) ausgebildet. Die dielektrische Zwischenschicht ist bevorzugt aus einer der nach folgenden Materialkombinationen MgF2, AIOx, ITO, TiOx, TaOx, ZrO, SiN, SiOx, PU ausgebildet. Um eine elektrische Verbindung zwischen Metallschicht und den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten 2 auszubilden, ist die dielektrische Zwischenschicht bevorzugt strukturiert, in dem an einer Mehrzahl von Punkten die dielektrische Zwischenschicht von Metallverbindungen durchdrungen ist, welche jeweils einerseits mit der Metallschicht und andererseits mit den Photo- voltaikzelle-Halbleiterschichten elektrisch leitend verbunden sind. Dies ist schematisch in Figur 5a) dargestellt: die Rückseitenstruktur 5 weist eine Metallschicht 5a auf und an der den Photovoltaikzelle-Halbleiterschichten zuge wandten Seite der Metallschicht 5a ist eine dialektische Zwischenschicht 5b vor liegend eine Siliziumoxidschicht angeordnet. Die Siliziumoxidschicht ist elektrisch nicht leitend und wird daher von einer Mehrzahl von Metallverbindern 5c durchdrungen, um die Metallschicht 5a elektrisch leitend mit den Photovolta- ikzelle-Halbleiterschichten 2 zu verbinden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung einer solchen Rückseitenstruktur 5 ist in Figur 5b dargestellt:

Zwischen der dielektrischen Zwischenschicht 5b und der Metallschicht 5a ist eine leitfähige Spiegelschicht 5d angeordnet, welche ebenfalls von den Metall verbindern 5c durchdrungen ist. Die Metallschicht 5a ist aus Silber oder in einer alternativen Ausgestaltung aus Gold ausgebildet. Hierdurch wird eine hohe opti sche Reflexion erzielt. Um eine Kontaktierung der Halbleiterschichten mit einem geringen Kontaktwiderstand zu erzielten, sind die Metallverbinder aus einem an deren Metall ausgebildet, als die Spiegelschicht. Vorliegend sind die Metallver binder aus einer Kombination aus Palladium, Zink und Gold ausgebildet.

In eine Abwandlung des in Figur 5b) gezeigten Ausführungsbeispiels wird die Zwischenschicht 5b weggelassen, sodass die Rückseitenstruktur 5 nur die Me tallschicht 5a und die Spiegelschicht 5d, welche von den Metallverbindern 5c durchdrungen ist, aufweist.

In Figur 6 ist eine Draufsicht auf die Rückseite der Rückseitenstrukturen 5 ge mäß Figur 5 gezeigt. Die Positionen, an denen die Metallverbinder 5c auf die Metallschicht 5a auftreffen, sind durch Punkte markiert. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6a) sind die Metallverbinder 5c regel mäßig auf den Kreuzpunkten eines quadratischen Gitters angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6b) sind die Metallverbinder 5c hexagonal an geordnet. Bezugszeichenliste

1 Superstrat

2 Photovoltaikzelle- Halbleiterschichten

3 Trenngraben 4 Vorderseitenkontaktierungsstruktur

5 Rückseitenstruktur

5a Metallschicht

5b Zwischenschicht

5c Metallverbinder 5d Spiegelschicht