DE102012025773B3

DE102012025773B3 - Photovoltaikelemente mit Gruppe-III/V-Halbleitern

Info

Publication number: DE102012025773B3
Application number: DE102012025773.2A
Authority: DE
Inventors: Stephen W. Bedell; Bahman Hekmatshoartabari; Devendra K. Sadana; Davood Shahrjerdi
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: US20130025653A1; US20160118525A1; US9666742B2; US9246032B2; US8871620B2; DE102012212184A1; DE102012212184B4; US20150047704A1; DE102012025774B3

Abstract

Solarzellenstruktur (60), die Folgendes umfasst:eine p-leitende Gruppe-III/V-Substratschicht (12);eine an die Substratschicht (12) angrenzende n+-leitende Gruppe-III/V-Emitterschicht (62);eine an die Emitterschicht (62) angrenzende epitaxiale n+leitende Schicht (64), wobei die epitaxiale n+-leitende Schicht (64) SixGe1-xumfasst und wobei x zwischen 0 und 1 liegt;eine an die epitaxiale n+-leitende Schicht (64) angrenzende intrinsische amorphe Halbleiterschicht (66), die aus SiyGe1-y:H besteht, wobei y zwischen 0 und 1 liegt, undeine transparente leitende Schicht (20) oberhalb der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht (66).

Description

Hiermit wird Bezug genommen auf die Anmeldung 10 2012 212 184.6, deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Physik und insbesondere Strukturen von Solarzellen, die Gruppe-III/V-Absorbermaterialien umfassen.
Hintergrund der Erfindung
Gruppe III/V-Halbleiter mit direkter Bandlücke wie beispielsweise Galliumarsenid gelten aufgrund ihrer starken Absorption als attraktive Anwärter für die Herstellung leistungsfähiger Solarzellen. Leistungsfähige Gruppe-III/V-Solarzellen können durch epitaxiales Wachstum der Strukturen unter Verwendung verschiedener Techniken wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung metallorganischer Verbindungen und durch Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden, die sich jedoch aufgrund hoher Kosten für viele terrestrische Anwendungen als zu teuer erweisen. Es sind alternative Lösungsansätze wie beispielsweise die Bildung von ITO-Schottky-Kontakten und die Zinkdiffusion vorgeschlagen worden. Solche Lösungsansätze bieten jedoch aufgrund des Fehlens einer ausreichenden Oberflächenpassivierung keine Grundlage für die Herstellung leistungsfähiger Zellen.
Die EP 0 559 347 B1 offenbart eine p-i-n-Fotodiode, umfassend eine Schichtanordnung mit einer Vielzahl von Verbindungshalbleiterschichten und eine untere und eine obere Elektrode für die Anordnung, wobei die Anordnung ein Substrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine Bodeneinschlussschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, eine aktive intrinsische Schicht, eine obere Einschlussschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eine Kontaktschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, und wobei die obere Elektrode in Kontakt mit der Kontaktschicht ist und aus einer dünnen optisch semitransparenten Metallschicht, die über der Kontaktschicht liegt und einer optisch transparenten leitfähigen Kadmiumzinnoxidschicht, die über der Metallschicht liegt, besteht wobei die Metallschicht einen nicht-legierten ohmschen Kontakt zur Kontaktschicht bildet.
Die WO 2010/ 102 345 A1 offenbart eine photovoltaische Zelle und ein System zur Umwandlung von konzentriertem Licht in Elektrizität und Verfahren zu deren Herstellung. Die photovoltaische Zelle umfasst ein Substrat und mindestens zwei Silizium-Germanium-Unterzellen. Die mindestens zwei Silizium-Germanium-Unterzellen können eine unterschiedliche Materialzusammensetzung aufweisen. Eine photovoltaische Paneelbaugruppe kann eine Vielzahl von optischen Konzentratorelementen, eine Vielzahl von Trägerstrukturen und eine Vielzahl von photovoltaischen Empfängerbaugruppen umfassen. Ein optisches Konzentratorelement kann ein Linsenelement und / oder eine Vielzahl von Bereichen umfassen. Ein modulares photovoltaisches Energieumwandlungssystem kann ein oder mehrere Zellmodule mit einer oder mehreren photovoltaischen Zellen und ein oder mehrere Zellverbindungsmodule, die keine photovoltaischen Zellen enthalten, umfassen. Ein Verfahren zur Überwachung eines modularen photovoltaischen Energieumwandlungssystems wird ebenfalls offenbart.
Die US 7 030 413 B2 offenbart eine photovoltaische Vorrichtung, die einen dünnen intrinsischen amorphen Halbleiterfilm, der in einen Übergangsbereich eines kristallinen Halbleitersubstrats eingefügt ist, und einen amorphen Halbleiterfilm umfasst, die einander entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen aufweisen, wobei eine optische Bandlücke des intrinsischen amorphen Halbleiterfilms auf einer Seite, die in Kontakt mit dem amorphen Halbleiterfilm steht, erweitert ist.
Kurzdarstellung der Erfindung
Der hierin gebrauchte Ausdruck, eine Aktion zu „ermöglichen“, beinhaltet das Ausführen der Aktion, das Erleichtern der Aktion, das Unterstützen beim Ausführen der Aktion oder das Auslösen der Ausführung der Aktion. Somit können auf einem Prozessor ausgeführte Anweisungen zum Beispiel, jedoch im Sinne einer nicht abschließenden Aufzählung, eine Aktion ermöglichen, die durch auf einem entfernt angeordneten Prozessor ausgeführte Anweisungen ausgeführt wird, indem geeignete Daten oder Befehle zum Auslösen oder Veranlassen der auszuführenden Aktion gesendet werden. Um Missverständnisse auszuschließen, gilt eine Aktion dennoch als durch eine handelnde Person oder eine Kombination von Personen ausgeführt, wenn die Aktion durch die Person nicht selbst ausgeführt, sondern ermöglicht wird.
Techniken der vorliegenden Erfindung können wesentliche vorteilhafte technische Ergebnisse liefern, darunter leistungsfähige Solarzellenstrukturen, die besonders für den Einsatz in Solarpanelen geeignet sind. Die Strukturen können jedoch auch für netzunabhängige elektronische Schaltungen und Sensoren verwendet werden, die mit Solarstrom betrieben werden. Eine oder mehrere Ausführungsformen können einen oder mehrere der folgenden Vorteile bieten:

• Verbesserung der Leerlaufspannung (V_oc)
• Verbesserung der Kurzschlussstromdichte (J_sc)
• Verbesserung des Wirkungsgrades der Solarzelle (η)
• Verbesserung des Füllfaktors (FF)

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Solarzellenstruktur, die Folgendes umfasst:

Solarzellenstruktur, die Folgendes umfasst:
- eine p-leitende Gruppe-III/V-Substratschicht;
- eine an die Substratschicht angrenzende n+-leitende Gruppe-III/V-Emitterschicht;
- eine an die Emitterschicht angrenzende epitaxiale n+-leitende Schicht, wobei die epitaxiale n+-leitende Schicht SixGe1-x umfasst und wobei x zwischen 0 und 1 liegt;
- eine an die epitaxiale n+-leitende Schicht angrenzende intrinsische amorphe Halbleiterschicht, die aus SiyGe1-y:H besteht, wobei y zwischen 0 und 1 liegt, und
- eine transparente leitende Schicht oberhalb der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Substratschicht GaAs.
Diese sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung anschaulicher Ausführungsformen deutlich, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen werden sollte.
Figurenliste

1 enthält eine Tabelle, die drei beispielhafte Solarzellenstrukturen mit einem Heteroübergang beschreibt;
2 enthält ein Diagramm, das verschiedene Eigenschaften der in 1 gezeigten beispielhaften Strukturen veranschaulicht;
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer der in 1 gezeigten beispielhaften Strukturen unter Verwendung eines Transmissions-Elektronenmikroskops (TEM);
4 ist eine schematische Darstellung einer Solarzellenstruktur, die eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht auf einer Gruppe-III/V-Substratschicht beinhaltet;
5 ist eine schematische Darstellung einer Solarzellenstruktur;
6 ist eine schematische Darstellung einer Solarzellenstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
7 zeigt die Energiebänderstruktur der in 6 gezeigten Solarzellenstruktur.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Solarzellenstrukturen mit Gruppe-III/V-Heteroübergang auf der Grundlage von a-Si:H/Gruppe-III/V-Heterostrukturen weisen einen Weg zu einer preiswerten leistungsfähigen PV(Photovoltaik)-Technologie, wenn diese in Verbindung mit einer Schichtübertragungstechnik umgesetzt wird. Durch die Verwendung von a-Si:H als intrinsische Schicht (i-a:Si:H) kann die Oberflächenpassivierung von GaAs deutlich verbessert werden. In der Patentanmeldung US 2010 / 0 307 572 A1 mit dem Titel „Heterojunction III-V Photovoltaic Cell Fabrication“, deren Beschreibung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, werden Techniken zur Bildung von Gruppe-III/V-Photovoltaikzellen mit einem und zwei Heteroübergängen beschrieben.
4 zeigt eine Solarzellenstruktur 10, die unter Verwendung der in der Patentanmeldung US 2010 / 0 307 572 A1 beschriebenen Techniken hergestellt werden kann. Die Struktur 10 beinhaltet eine Substratschicht 12, die ein dotiertes Gruppe-III/V-Substrat umfasst, welche n-leitend oder p-leitend sein kann. Auf intrinsischen amorphen Siliciumschichten 16 oberhalb der Substratschicht 12 werden dotierte amorphe Siliciumschichten 18, 18' gebildet. Die amorphen Siliciumschichten 18, 18' können von einem Leitungstyp sein, der gleich dem Leitungstyp der Substratschicht oder diesem entgegengesetzt sein kann. Wenn der Leitungstyp einer amorphen Siliciumschicht dem der Substratschicht entgegengesetzt ist, dient die amorphe Siliciumschicht als Emitter. Bei der in 4 gezeigten Struktur weist eine der amorphen Siliciumschichten 18' denselben Leitungstyp wie die Substratschicht auf, während die andere amorphe Siliciumschicht vom entgegengesetzten Leitungstyp ist. Auf den amorphen Siliciumschichten 18 sind transparente Schichten 20 wie beispielsweise ein transparentes leitendes Oxid (transparent conduction oxide, TCO) gebildet. Auf den transparenten Schichten können metallische Vorderseitenkontakte gebildet sein, die (nicht gezeigte) Fingerkontakte und Busstreifen beinhalten. Obwohl die i-a:Si:H-Schichten 16 die Oberflächenpassivierung der GaAs-Substratschicht verbessert, führt die relativ hohe Oberflächendichte der Haftstellen an dem Heteroübergang i-a:Si:H/GaAs zu einem sehr hohen Dunkelstrom, der die Leerlaufspannung verringert.
1 zeigt eine Tabelle für drei Strukturen, von denen eine der in 4 gezeigten insofern ähnlich ist, als eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht an eine Gruppe-III/V-Substratschicht angrenzt und oberhalb der intrinsischen Halbleiterschicht eine dotierte hydrierte amorphe Halbleiterschicht gebildet ist. Die intrinsische Halbleiterschicht dieser „Probe 1“ oder „Referenzstruktur“ weist ein relativ niedriges Wasserstoffverdünnungsverhältnis (hydrogen dilution, HD) auf, was zu einer amorphen Struktur führt. Die Struktur beinhaltet ein InGaP-Rückseitenfeld (back surface field, BSF). Für die Schichten der „Referenzstruktur“ von 1 werden bestimmte Dicken gewählt, um einen Leistungsvergleich mit den beiden anderen Strukturen zu ermöglichen, deren entsprechende Schichten jeweils gleich dick sind. Dem Fachmann ist es einsichtig, dass für die Schichten andere Dicken gewählt werden können.
Die in 1 als „Neue Struktur 1“ und „Neue Struktur 2“ bezeichneten Strukturen stellen Beispiele für Strukturen mit einem Heteroübergang dar, die gemäß der Erfindung bereitgestellt werden können. Es dürfte jedoch auch klar sein, dass die Grundgedanken der Erfindung auch auf Solarzellenstrukturen mit zwei Heteroübergängen angewendet werden können. Beide Strukturen beinhalten intrinsische Halbleiterschichten, die an eine GaAs-Absorberschicht angrenzen. Diese intrinsischen Halbleiterschichten sind epitaxialer Herkunft und wurden mit relativ hohen Wasserstoffverdünnungsverhältnissen bei Temperaturen unterhalb 200 °C unter Verwendung der plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) erzeugt. Die Neue Struktur 2 beinhaltet ferner eine amorphe intrinsische Halbleiterschicht mit einem relativ niedrigen Wasserstoffverdünnungsverhältnis, die auf der epitaxialen Schicht liegt. Die Änderungen der Wasserstoffverdünnungsverhältnisse in der epitaxialen und der amorphen i-Si:H-Schicht werden durch Änderung des Wasserstoffgasstroms erreicht, während die Strömungsgeschwindigkeit der Silicium-Ausgangssubstanz (bei dieser anschaulichen Ausführungsform Silan (SiH₄)) konstant gehalten wird. Das epitaxiale Wachstum von Si mit einem Gehalt an Kohlenstoff, Germanium oder anderen Elementen bei niedrigen Temperaturen wird in der Patentanmeldung US 2012 / 0 210 932 A1 mit dem Titel „LOW-TEMPERATURE SELECTIVE EPITAXIAL GROWTH OF SILICON FOR DEVICE INTEGRATION“, eingereicht am 23. Februar 2011, näher erläutert, deren Beschreibung hierin durch Bezugnahme einbezogen ist.
2 stellt verschiedene Leistungsparameter für die drei in 1 beschriebenen Strukturen dar. Das Diagramm zeigt die Kurzschlussstromdichte als Funktion der Spannung. Die Leerlaufspannung, die Kurzschlussstromdichte, der Füllfaktor und der Wirkungsgrad der drei Strukturen sind als Diagramm dargestellt. Während V_oc für die Probe 1 (die „Referenzstruktur“) größer als bei den Proben 2 und 3 ist, sind die Kurzschlussstromdichte, der Füllfaktor und der Wirkungsgrad der Proben 2 und 3 größer als bei Probe 1.
3 zeigt eine TEM-Aufnahme der Probe 2 (Neue Struktur 1). In dieser Figur sind die p-leitende GaAs-Absorberschicht, die epitaxiale intrinsische Halbleiterschicht, die Emitterschicht (n⁺-leitendes a-Si:H) und eine aus ZnO:Al bestehende TCO-Schicht dargestellt. Das BSF ist in diesem Bild nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die epitaxiale hydrierte intrinsische Siliciumschicht bei einer Temperatur von 150 °C aufgebracht worden.
Es dürfte klar sein dass die Gruppe-III/V-Absorberschicht der Neuen Struktur 1 oder der Neuen Struktur 2 aus In_xGa_1-xAs bestehen kann, wobei x im Bereich von 0 bis 0,53 liegt. Für den verwendeten Rückseitenkontakt können herkömmliche Rückseitenfelder gewählt werden, die dem Fachmann bestens bekannt sind.
5 zeigt eine Solarzellenstruktur 50 gemäß einem weiteren Beispiel. Bestimmte Schichten der Struktur 50, die auch in der in 4 gezeigten Solarzellenstruktur 10 vorkommen, werden mit denselben Bezugsnummern bezeichnet. Die Solarzellenstruktur 50 enthält eine dotierte Gruppe-III/V-Substratschicht 12 wie beispielsweise GaAs oder In_xGa_1-xAs, wobei x im Bereich von 0 bis 0,53 liegen kann. Als Absorbermaterial, welches die Substratschicht umfasst, kann In_yGa_1-yP dienen, wobei y im Bereich von 0,4 bis 1 liegt. Der Dotierungsgrad der Substratschicht beträgt 10¹⁴ bis 10¹⁸/cm³. Die aus epitaxialem Si_xGe_1-x bestehenden intrinsischen Halbleiterschichten 52 grenzen an die Substratschicht an. Diese Schichten 52 enthalten Wasserstoff, wenn sie mittels PECVD aufgebracht werden. Der Wert von x kann für diese Schichten 52 zwischen 0 und 1, vorzugsweise zwischen 0 und 0,5, liegen. Die Abscheidungstemperatur dieser epitaxialen Schichten 52 liegt bei Anwendung des PECVD-Verfahrens zwischen 150 °C und 400 °C. Die bevorzugte Dicke der Epitaxieschichten liegt zwischen 3 nm und 15 nm. Epitaxiale SiGe-Schichten 52 mit einem Ge-Gehalt von weniger 35 % können mittels herkömmlicher CVD-Verfahren bei Temperaturen von mehr als 600 °C aufgebracht werden. Bei Abscheidung mittels CVD-Verfahren enthalten die Schichten 52 keinen Wasserstoff. Das Wachstum der Epitaxieschichten mittels PECVD bei niedrigen Temperaturen ist bevorzugt, damit die Gruppe-III/V-Solarzellen mit Heteroübergang bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden können, was für Anwendungen wie beispielsweise flexible Solarzellen besonders wichtig ist.
Bei diesem Beispiel grenzen an die intrinsischen epitaxialen Si_xGe_1-x-Schichten intrinsische hydrierte amorphe Halbleiterschichten 54 an, die aus Si_x,Ge_1-x,:H bestehen, wobei x' zwischen 0 und 1, vorzugsweise zwischen 0 und 0,5, liegt. Diese Schichten können unter Einbeziehung geeigneter Quellenmaterialien mittels PECVD oder durch chemische Heißdrahtabscheidung aus der Gasphase abgeschieden werden. Bei einem Beispiel werden die intrinsischen hydrierten amorphen Halbleiterschichten 54 in einer Arbeitskammer abgeschieden, die eine gasförmige Halbleiterverbindung als Ausgangssubstanz und ein Trägergas wie beispielsweise Wasserstoff enthält. Die Wasserstoffatome innerhalb des Trägergases werden in das abgeschiedene Material eingebaut und bilden so den intrinsischen Halbleiter, der das Material der intrinsischen Halbleiterschicht enthält. Der Germaniumgehalt der hydrierten amorphen SiGe-Schichten 54 kann von dem der Epitaxieschichten 52 verschieden sein. Zusammen mit dem Germanium oder an seiner Stelle können Kohlenstoffatome in die amorphen Halbleiterschichten eingebaut werden. Der Gehalt an Germanium und Kohlenstoff kann abgestuft sein. Die einzelnen amorphen Halbleiterschichten können jeweils aus Mehrschichtstrukturen mit unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen. Wenn in der oben angegebenen Formel Kohlenstoff anstelle von Germanium verwendet würde, läge der Wert von x' zwischen 0 und 0,6 und vorzugsweise zwischen 0 und 0,3.
Eine dotierte hydrierte amorphe Emitterschicht 56 grenzt an eine der beiden amorphen Halbleiterschichten an. Deren Leitungstyp ist dem der Substratschicht 12 entgegengesetzt. Diese Schicht 56 besteht aus a-Si_yGe_1-y:H, wobei y zwischen 0 und 1 und vorzugsweise zwischen 0 und 0,5 liegt. An die andere der beiden intrinsischen hydrierten amorphen Halbleiterschichten 54 grenzt eine Rückseitenfeldschicht 56' an. Deren Leitungstyp stimmt mit dem Leitungstyp der Substratschicht 12 überein. Diese Schicht besteht aus a-Si_zGe_1-z:H, wobei z zwischen 0 und 1 und vorzugsweise zwischen 0 und 0,5 liegt.
An die Emitterschicht 56 und die Rückseitenfeldschicht 56' grenzen transparente leitende Schichten 20 an. Die transparenten Schichten bestehen aus einem leitenden Material, das in dem Bereich der elektromagnetischen Strahlung transparent ist, in dem die Elektronen und Löcher innerhalb der Solarzellenstruktur 50 gebildet werden. Bei dem Beispiel von 5 kann die transparente leitende Schicht 20 TCO wie beispielsweise Indium-/Zinnoxid (ITO), Zinnoxid (SnO), mit Fluor dotiertes Zinnoxid (SnO₂:F) oder mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al) umfassen. Alternativ können zur Bildung dieser transparenten leitenden Schicht 20 transparente leitende Dünnschichten wie beispielsweise Dünnschichten auf der Grundlage von Kohlenstoffnanoröhrchen und Dünnschichten auf der Grundlage von Graphen verwendet werden. Diese Beispiele sind nicht als Einschränkung, sondern nur als Beispiel anzusehen. Die Dicke kann je nach Art des transparenten leitenden Materials und der zur Bildung dieser Schicht verwendeten Technik variieren. Üblicherweise und bei einem Beispiel liegt die Dicke der transparenten leitenden Schicht 20 zwischen 20 nm und 500 nm. Alternativ können auch andere Dicken gewählt werden, darunter solche kleiner als 20 nm und/oder größer als 500 nm. Die bevorzugte Dicke der transparenten leitenden Schicht zur Verringerung der Reflexion der Si-Oberfläche liegt für eine TCO-Schicht im Bereich von 70 nm bis 110 nm. Die Dicke von Nanoröhrchen- und Graphenschichten kann im Bereich von 2 nm bis 50 nm liegen. Die transparente leitende Schicht wird üblicherweise unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses wie beispielsweise durch Sputtern oder CVD gebildet. Als Beispiele von CVD-Prozessen, die für eine Anzahl verschiedener Schichttypen geeignet sind, kommen APCVD, LPCVD, PECVD, MOCVD und deren Kombinationen infrage. Außerdem kommen als Techniken zur Bildung der transparenten leitenden Schicht 20 auch HF- und Gleichstrom-Magnetronsputtern infrage.
Die hydrierten amorphen SiGe-Schichten 56, 56' können aus gasförmigen Ausgangssubstanzen wie beispielsweise SiH₄, SiF₄ oder H₂SiCl₂ (Dichlorsilan, DCS) gebildet werden. German ist eine bekannte Ausgangssubstanz zur Bildung von germaniumhaltigen Schichten. Die Schichten können „in situ“ durch Zugabe eines Dotandengases dotiert werden, das Dotandenatome in dem Gasgemisch enthält. Die Dotandenatome werden in das abgeschiedene Material eingebaut und bilden so den hydrierten dotierten Halbleiter. Beispiele von Dotandengasen, die p-leitende Dotandenatome enthalten, sind B₂H₆ und B(CH₃)₃ (Tetramethylboran, TMB). Als Beispiele eines n-leitenden Dotandengases kommen AsH₃ und PH₃ infrage. Die Konzentration der n-leitenden Dotanden in bestimmten Schichten der Struktur 50 liegen im Bereich von 10¹⁶ Atome/cm³ bis 10²¹ Atome/cm³, wobei der Bereich von 10¹⁸ bis 10²⁰ Atome/cm³ gebräuchlich ist. Der Wirkungsgrad der Dotierung (das Verhältnis aktivierter Dotandenatome zur Gesamtzahl der Dotandenatome) beträgt üblicherweise 0,1 % bis 20 %, obwohl für die Dotierung auch höhere und niedrigere Wirkungsgrade möglich sind. Der Wirkungsgrad der Dotierung nimmt im Allgemeinen bei höherer Konzentration der Dotandenatome ab. Bei den p-leitenden Dotanden liegt die Konzentration normalerweise ebenso im Bereich von 10¹⁶ bis 10²¹ Atome/cm³, wobei der Bereich von 10¹⁸ bis 10²⁰ Atome/cm³ gebräuchlich ist. Bei diesem Beispiel dient die Schicht 56 oberhalb der Substratschicht 12 als Emitter und die Schicht 56' unterhalb der Substratschicht als Rückseitenfeld BSF.
6 veranschaulicht schematisch eine Solarzellenstruktur 60 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform beinhaltet eine p-leitende Gruppe-III/V-Substratschicht 12. Eine hohe Störstellen- oder Haftstellendichte (D_it) an der Grenzfläche begrenzt die Leistung einer Solarzellenstruktur durch Verringerung der V_oc. Mit der Solarzellenstruktur 60 können solche Leistungsgrenzen überwunden werden. Durch epitaxiales Wachstum oder durch Einbauen n-leitender Dotandenverunreinigungen in die Substratschicht 12 durch Ionenimplantation oder -diffusion kann auf der Substratschicht eine n⁺-leitende Gruppe-III/V-Emitterschicht 62 mit dünner Grenzschicht gebildet werden. Als Epitaxieverfahren können die chemische Gasphasenabscheidung wie beispielsweise die MOCVD und die Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) dienen. Das zweite mögliche Verfahren beinhaltet das Einbauen von n-leitenden Dotandenverunreinigungen wie beispielsweise Si, Ge, Te oder S durch Ionenimplantation und Aktivierungstempern bei höheren Temperaturen im Bereich von 450 °C bis 1000 °C in die p-leitende Substratschicht 12. Alternativ können die Verunreinigungen aus einer an Verunreinigungen reichen Schicht in die p-leitende Substratschicht diffundiert werden. Bei der an Verunreinigungen reichen Schicht kann es sich zum Beispiel um eine a-Si_1-xGe_x-Schicht oder um eine dünne Schwefelschicht handeln. Die Diffusionstemperatur variiert je nach Art der Verunreinigung zwischen 500 °C und 1000 °C. Die Dicke der durch Epitaxie, Ionenimplantation oder -diffusion gebildete n⁺leitende Emitterschicht 62 liegt im Bereich zwischen 5 nm und 50 nm. Die Konzentrationen der Dotanden können in denselben Bereichen liegen wie bei dem Beispiel von 5.
Auf der Emitterschicht 62 ist eine n⁺-leitende epitaxiale Si_xGe_1-x-Schicht 64 gebildet, wobei x zwischen 0 und 1 und vorzugsweise zwischen 0 und 0,5 liegt. Diese Schicht kann Wasserstoff enthalten, jedoch muss dies nicht unbedingt der Fall sein, wobei die Anwesenheit von Wasserstoff von den Wachstumsbedingungen abhängt. Die Kanten des Leitungsbandes der Gruppe-III/V-Substratschicht 12 (bei dieser beispielhaften Ausführungsform GaAs) und der n⁺-leitenden epitaxialen Si_xGe_1-x-Schicht 64 sind zueinander passend. Mit anderen Worten, die Energiedifferenz zwischen dem Leitungsband und dem Vakuum ist für beide Bereiche ungefähr gleich (siehe 7). Die Verringerung der V_oc wird dadurch abgeschwächt. An die n⁺leitende epitaxiale Si_xGe_1-x-Schicht 64 grenzt eine intrinsische amorphe hydrierte Halbleiterschicht 66 an. Die i-a:Si_yGe_1-y:H-Schicht 66 (wobei y zwischen 0 und 1 und vorzugsweise zwischen 0 und 0,5 liegt) sorgt für die Oberflächenpassivierung der angrenzenden n⁺-leitenden epitaxialen Si_xGe_1-x-Schicht. Die übrigen Schichten der Solarzellenstruktur bei dieser Ausführungsform sind denen in der Struktur 50 gemäß dem Beispiel von 5 identisch und wurden in den Zeichnungen mit denselben Bezugsnummern bezeichnet.
Eine Solarzellenstruktur gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet eine p-leitende Gruppe-III/V-Substratschicht, eine an die Substratschicht angrenzende n⁺leitende Gruppe-III/V-Emitterschicht, und eine an die Emitterschicht angrenzende epitaxiale n⁺-leitende Schicht. Die epitaxiale n⁺-leitende Schicht umfasst Si_xGe_1-x, wobei x zwischen 0 und 1 liegt. Eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht grenzt an die n⁺-leitende Epitaxieschicht an und besteht aus Si_yGe_1-y:H, wobei y zwischen 0 und 1 liegt. Oberhalb der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht ist eine transparente leitende Schicht angeordnet. 6 zeigt eine solche Struktur. Bei der Ausführungsform von 6 beinhaltet die Struktur ferner eine intrinsische epitaxiale Halbleiterschicht 52, die Si_xGe_1-x umfasst und an die Substratschicht angrenzt, eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht 54, die Si_x'Ge_1-x':H umfasst, unterhalb der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht eine amorphe Rückseitenfeldschicht 56', die Si_zGe_1-z:H umfasst, (wobei z zwischen 0 und 1 liegt), und unterhalb der amorphen Rückseitenfeldschicht eine transparente leitende Schicht 20 (bei dieser beispielhaften Ausführungsform TCO).

Claims

Solarzellenstruktur (60), die Folgendes umfasst: eine p-leitende Gruppe-III/V-Substratschicht (12); eine an die Substratschicht (12) angrenzende n⁺-leitende Gruppe-III/V-Emitterschicht (62); eine an die Emitterschicht (62) angrenzende epitaxiale n⁺leitende Schicht (64), wobei die epitaxiale n⁺-leitende Schicht (64) Si_xGe_1-x umfasst und wobei x zwischen 0 und 1 liegt; eine an die epitaxiale n⁺-leitende Schicht (64) angrenzende intrinsische amorphe Halbleiterschicht (66), die aus Si_yGe_1-y:H besteht, wobei y zwischen 0 und 1 liegt, und eine transparente leitende Schicht (20) oberhalb der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht (66).
Solarzellenstruktur (60) nach Anspruch 1, wobei die Substratschicht (12) und die Emitterschicht (62) GaAs umfassen.
Solarzellenstruktur (60) nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: eine an die Substratschicht (12) angrenzende intrinsische epitaxiale Halbleiterschicht (52), die Si_xGe_1-x umfasst; eine zweite intrinsische amorphe Halbleiterschicht (54), die Si_x'Ge_1-x,:H umfasst, wobei x' zwischen 0 und 1 liegt und wobei die zweite intrinsische amorphe Halbleiterschicht (54) an die intrinsische epitaxiale Halbleiterschicht (52) angrenzt; eine amorphe Rückseitenfeldschicht (56'), die Si_zGe_1-z:H umfasst, unterhalb der zweiten intrinsischen amorphen Halbleiterschicht (54), wobei z zwischen 0 und 1 liegt, und eine transparente leitende Schicht (20) unterhalb der amorphen Rückseitenfeldschicht (56').
Solarzellenstruktur (60) nach Anspruch 3, wobei x, x', y und z zwischen 0 und 0,5 liegen.