AT373921B - Verfahren zur bildung eines antireflektionsueber- zuges auf der oberflaeche von sonnenenergiezellen - Google Patents

Description

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   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung eines Metalloxyds enthaltenden Antireflektionsüberzuges auf der das einfallende Licht absorbierenden Oberfläche (Einfallsfläche) von Sonnenenergiezellen. 



   Halbleiterzellen können aus kristallinem Silizium, vorzugsweise in Form einer Silizium-Oblate, hergestellt werden, die zuvor durch Eindiffundieren eines Fremdatoms geimpft worden sind, so dass die Oblate eine bestimmte Polarität erhält. Je nach dem eingeführten Fremdatom erhält man ein Silizium von einem p-Typ oder n-Typ. Wird ein Impfstoff wie Bor verwendet, ergibt sich eine Silizium-Oblate vom p-Typ, während sich bei Verwendung von Phosphor als Impfstoff eine Oblate vom n-Typ ergibt. Durch Impfen mit einem Fremdatom einer Leitfähigkeit, die der des zuvor eingebrachten Impfstoffes entgegengesetzt ist, erhält man eine Oblate mit der gewünschten Grenzschicht. 



   Nach Bildung der Grenzschicht wird Strahlungsenergie, normalerweise Licht, vom Silizium absorbiert, sobald es in den Halbleiter eindringt und erzeugt Elektronen und Defektelektronenpaare. Die Minoritätsträger der Defektelektronenpaare rekombinieren sich mit den Majoritätsträgern oder passieren die p-n-Schicht. Die Minoritätsträger, welche die Grenzschicht passieren, bewirken eine Vorspannung, indem die Elektronen zum negativen n-Typ-Bereich und die Defektelektronen zum positiven p-Typ-Bereich gezogen werden. Die Vorspannung führt zu einem elektrischen Nutzstrom, sobald die beiden Bereiche durch einen elektrischen Leiter äusserlich verbunden werden. 



  Zur Bildung des äusseren Stromkreises werden im allgemeinen auf den Aussenflächen der Zelle Kontakte angebracht u. zw. auf der lichtempfangenden Fläche in Form eines metallischen Gitters. 



   Ein wichtiges Kriterium zum Erlangen einer maximalen Wirksamkeit der photoelektrischen Anordnung stellt das prozentuale Verhältnis zwischen einfallender Lichtenergie und elektrischer Ausgangsenergie dar. Um einen guten Wirkungskreis zu erzielen, kommt es darauf an, bei allen möglichen Lichtverhältnissen eine maximale Absorption der Lichtenergie zu erzielen. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle hängt somit wesentlich davon ab, in welchem Grade das Phänomen der Reflektion von   Lichtenergie - nutzbringender   und nicht nutzbringender - beherrscht wird. Zur Unterdrückung der Lichtreflektion werden   Antireflektionsüberzüge   der Lichteinfallsfläche verwendet. 



   Um seiner Aufgabe zu entsprechen, muss der Antireflektionsüberzug bestimmte optische Eigenschaften aufweisen ; insbesondere sollte er das nutzbringende Licht möglichst wenig reflektieren. Bei Anwendung einer äusseren Abdeckung zum Schutz von Solarzellen,   z. B.   aus Quarz in Weltraumgeräten und aus transparentem Werkstoff für terrestrische Geräte sollte der Brechungsindex des Antireflektionsüberzuges zwischen dem des Deckmaterials und dem des Zellenmaterials unter dem Antireflektionsüberzug liegen. Dadurch wird der Anteil an reflektierter Lichtenergie gemindert. 



  Anderseits soll der Antireflektionsüberzug das nutzbringende Licht möglichst wenig absorbieren, vielmehr diese Lichtenergie ungehindert zur eigentlichen Solarzelle durchlassen. Der Nutzen des Antireflektionsüberzuges ist vom Reflektionsindex der Solarzelle selbst und der schützenden Abdeckung und auch dem Absorptionsband der Wellenlängen der Solarzelle abhängig. 



   Die US-PS Nr. 3, 922, 774 von Lindmayer beschreibt ein Verfahren, bei welchem Tantal durch einen Elektronenstrahl verdampft und dann thermisch oder anodisch auf der Silizium-Oblate zu Tantalpentoxyd   TaO     ;   oxydiert wird. 



   Die US-PS Nr. 3, 533, 850 von Tarneja   u. a.   beschreibt ein Verfahren, bei welchem Tantalpentoxyd   Ta,   Os direkt auf die lichtempfangende Oberfläche der Solarzelle gedampft wird. Der dadurch erzeugte Überzug hat jedoch einen Brechungsindex, der wesentlich unter dem gewünschten Wert liegt. 



   Bei dem in der US-PS Nr. 3, 922, 774 beschriebenen Verfahren besteht ferner der Nachteil, dass es schwierig ist, die Dicke des Tantalpentoxydbelages vorauszubestimmen, der auf der Oberfläche aus dem elementaren Tantal gebildet wird. Bei einem in der US-PS Nr. 4, 156, 622 von Lindmayer beschriebenen Verfahren wird der Antireflektionsüberzug aus Tantalpentoxyd dadurch erzeugt, dass zunächst durch Elektronenstrahlverdampfung ein Gemisch von elementarem Tantal und Tantaloxyd gebildet und anschliessend durch Oxydation des aufgebrachten Belages Tantalpentoxyd gebildet wird. Dieses Verfahren hat in begrenztem Masse den Mangel unkontrollierter Stärke, unerwünscht hohen Aufwandes und ist auf die Anwendung hohen Vakuums bei'der Schichtbildung angewiesen. 



   Aus der   EP-AI   0022349 ist ferner ein Verfahren zur Bildung von Metalloxydschutzfilmen auf Oberflächen bekanntgeworden, das darin besteht, die zu beschichtende Oberfläche aufzuheizen und 

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 Metalloxyd, gewonnen durch Zersetzung einer flüchtigen Metallverbindung in der Dampfphase, auf der Oberfläche abzulagern ; als gasförmige Vehikel für die flüchtige Metallverbindung können Luft oder Dampf verwendet werden. 



   Bei diesem Verfahren handelt es sich jedoch nicht um die Herstellung einer Solarzelle, wie dies Gegenstand der Erfindung ist, und überdies erfolgt keine getrennte Zufuhr von Sauerstoff und Metall-bzw. Metallverbindungsdampf, was ein charakteristisches und wesentliches Merkmal der Erfindung ist, wie in der folgenden Beschreibung noch im einzelnen dargelegt werden wird. 



   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbringen von Antireflektionsschichten auf Solarzellen zu schaffen, das bei geringem Energieaufwand Antireflektionsschichten optimaler Eigenschaften durch gute Kontrolle der Lichtstärke unter atmosphärischen Bedingungen zu erzeugen gestattet. 



   Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst worden, dass die Einfallsfläche des Lichtes auf eine Temperaturhöhe von etwa   3250C   erhitzt wird und dass der Oberfläche Dampf einer Metallverbindung (Metalldampf) - allein oder in Kombination mit einem Reduktionsgas - und Sauerstoff zugeführt werden, derart, dass der Antireflektionsüberzug durch Oxydation auf der Oberfläche selbst gebildet wird. 



   Der so gebildete Überzug erfordert keine weitere Wärmebehandlung, um ihn zu einer harten Schicht mit hohem Index, und optisch sowohl wie auch chemisch stabilen Eigenschaften zu formen. 



  Als Metallion für dieses Verfahren kann Metall aus der Gruppe von Tantal, Niobium, Titan, Zirkon, Yttrium und Hafnium verwendet werden. Das Halogenidion wird aus der Gruppe der Chloride, Bromide oder Jodide gewählt und als Metallalkoxyd ein solches vorzugsweise mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Methoxyden, Äthoxyden, Propoxyden, Isopropoxyden, Pentoxyden und Hexoxyden. 



   Im bevorzugten Verfahren nach der Erfindung wird ein Metallchlorid, nämlich Tantalchlorid, Niobchlorid, Titantetrachlorid, Zirkoniumchlorid, Yttriumchlorid oder Hafniumchloride zur Dampfphase erhitzt. Der Dampf wird sodann, gegebenenfalls gemischt mit einem Reduktionsgas, mit Hilfe her-   kömmlicher Apparate   und einer Verteilerdüse gegen die Lichteinfallsfläche des erhitzten Siliziumsubstrats gerichtet. Und gleichzeitig wird dieser Metallchloriddampf an der Siliziumoberfläche mit einem Sauerstoffstrahl zum Kontakt gebracht. Dadurch wird das Metallchlorid oxydiert und der gewünschte   Antireflektionsüberzug   auf der Lichteinfallsoberfläche selbst zur Entstehung gebracht. 



   Die Metallverbindungsdämpfe können mit einem schwach reduzierend wirkenden gasförmigen Medium wie Methanol und Stickstoff vereint werden. Der Gebrauch von leicht reduzierenden gasförmigem Medium in Verbindung mit dem Metallverbindungsdampf ist geeignet, den Transport des Dampfes in den Reaktionsbereich zu unterstützen, und den Charakter des gasförmigen Mediums in dem Reaktionsbereich zu steuern. Eine Reduktionsatmosphäre ist ausserdem geeignet, eine vorzeitige Oxydation des Dampfes,   d. h.   eine Oxydation vor Erreichen der Siliziumoberfläche zu vermeiden. 



   Die Stöchiometrie des Oxydüberzuges auf dem Siliziumsubstrat wird durch die Zusammensetzung der Atmosphäre im Reaktionsbereich,   d. h.   die Konzentration der Metallverbindung, des Sauerstoffes und des Reduktionsmediums sowie durch die Reaktionstemperatur bestimmt. 
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   Im Idealfall nähert sich das auf dem Silizium abgelagerte Metalloxyd seinem höchsten stabilen Oxydationszustand, nämlich dem Pentoxyd für Tantal und Niobium,   MOz   für Titan, Hafnium und Zirkonium und   Yz   03 für Yttrium. Je höher die Temperatur im Reaktionsbereich ist und je höher das Verhältnis von Sauerstoff zur Metallverbindung ist, um so näher wird das Produkt an seiner stöchiometrischen Zusammensetzung liegen. 



   Die Dicke des Überzuges lässt sich durch verschiedene herkömmliche Mittel, welche für diesen Zweck zur Verfügung stehen, bestimmen ; Sie kann verschieden gross sein, wird aber vorzugsweise etwa 1/4 Wellenlänge der Lichtenergie mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 0, 5 bis 0,75 p betragen. Für Tantalpentoxyd liegt diese Dicke im Bereich von etwa 550A  bis ungefähr 650   A 0.   Die Stärken der andern Metalloxyde liegen auch in diesem allgemeinen Bereich, können aber auch leicht von beiden Bereichenden abliegen. 



   Im Rahmen der Erfindung sind noch mancherlei Abänderungen möglich.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : EMI3.1 1. Verfahren zur Bildung eines Metalloxyds enthaltenden Antireflektionsüberzuges auf der das einfallende Licht absorbierenden Oberfläche (Einfallsfläche) von Sonnenenergiezellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfallsfläche auf eine Temperatur höher als etwa 3250C erhitzt wird, dass der Oberfläche Dampf einer Metallverbindung (Metalldampf) - allein oder in Kombination mit einem Reduktionsgas - und Sauerstoff zugeführt werden, derart, dass der Antireflektionsüberzug durch Oxydation auf der Oberfläche selbst gebildet wird, und dass der Metalldampf und der Sauerstoff getrennt aus einer ersten und zweiten Quelle zugeführt werden.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verwendung von Metallhalogenid als Metallverbindung.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Verwendung von Tantalchlorid, Niobiumchlorid, Titantetrachlorid, Zirkoniumchlorid, Yttriumchlorid oder Hafniumchlorid.

   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antireflektionsüberzug in einer Dicke von etwa 550 bis 650 AO aufgebracht wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von Tantalchlorid als Metallhalogenid.

   6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von Niobiumchlorid zur Bildung des Metallhalogeniddampfes.

   7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Dampf aus Titantetrachlorid verwendet wird.

   8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalldampf mit einem schwach reduzierenden Gas wie Methanol oder Stickstoff gemischt wird.

   9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfalls- EMI3.2 Metallverbindung.

   11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Verwendung von Tantaläthoxyd, Titanisopropoxyd, Zirkoniumisopropoxyd, Zirkonium-n-propoxyd oder Zirkonium-n-pentyloxyd.

   12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Antireflektionsüberzug in einer Dicke yon etwa 550 bis 650A aufgebracht wird.

   13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfallsfläche auf eine Temperatur von etwa 325 bis 4500 erhitzt wird.