DE10139509A1 - Silizium Germanium Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad - Google Patents
Silizium Germanium Solarzelle mit hohem WirkungsgradInfo
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Abstract
Die Erfindung beinhaltet eine Silizium-Germanium Dünnschicht Solarzelle mit einer Quantum-Well-Struktur als aktive Basisschicht innerhalb der Raumladungszone des Silizium p-n Diodenübergangs. Die Quantum-Well-Struktur ist aus einer Schichtenfolge aus Silizium und Germanium aufgebaut. Auf diese Weise wird eine hoch-absorbierende Basisschicht in einer Silizium Solarzelle hergestellt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle nach dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1 sowie auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Bei Dünnschicht-Solarzellen ist deren Wirkungsgrad durch ihr Absorptionsvermögen
bestimmt. In Silizium Solarzellen bewirkt jedoch eine aus Wirtschaftlichkeits
erwägungen reduzierte Schichtdicke der aktiven Bereiche auch eine Reduzierung des
Kurzschlußstromes. Um dies wiederum auszugleichen, müssen im aktiven Bereich der
Zelle Schichtsysteme mit möglichst hohem Absorptionsvermögen zum Einsatz
gelangen. Große Erwartungen werden hierbei in die Verwendung von Germanium
gesetzt, einem Material mit geringerem Bandabstand als Silizium. Silizium-Germanium-
Verbindungen (SiGe) sind insbesondere durch ihre Kompatibilität zur reinen Silizium
Halbleitertechnologie bereits seit geraumer Zeit für ihre hervorragenden Eigenschaften
bekannt.
In der Schrift Said et al. (Design, Fabrication, and Analysis of Crystalline Si-SiGe
Heterostructure Thin-Film Solar Cells, IEEE Trans. an Electr. Dev., Vol. 46, No. 10, p.
2103 (1999)) ist eine aus Si/SiGe-Heterostrukturschichten aufgebaute Solarzelle
beschrieben. Durch die Verwendung von Heteroschichten wird ein sprunghafter Anstieg
des Wirkungsgrades der Zeile erwartet. Allerdings sind bei ansteigenden Germanium
anteilen aufgrund der Gitterfehlpassung des Germaniums bezüglich des Silizium
substrats die Schwierigkeiten zu überwinden, die Schichten epitaktisch abzuscheiden.
Besonders störend erweisen sich aus der Fehlpassung resultierende Versetzungen.
Durch eine ansteigende Versetzungsdichte insb. durch an die Oberfläche laufende sog.
Fadenversetzungen (engl. threading dislocations) im Absorptionsbereich (p-n
Raumladungszone) der Zelle steigt der Dunkelstrom stark an; dies führt unmittelbar zu
einer Abnahme der offenen Klemmspannung (Voc) und zu einem schlechten Füllfaktor
der Zelle. Ebenso unerwünscht ist die Relaxation von Gitterverspannungen, die
unmittelbar einen negativen Einfluß auf die Bandstruktur und somit auch auf den
Wirkungsgrad ausüben.
Eine besonderes Germanium-Schichtsystem ist in der Druckschrift Brunhes et al.
(Electroluminescence of Ge/Si self-assembled quantum dots grown by chemical vapor
deposition, Appl. Phys. Lett., Vol. 77, No. 12, p. 1822 (2000)) beschrieben. Zu
Herstellung von Leuchtdioden wurden auf Siliziumsubstrat inselförmig Germanium
aufgebracht. Die Ge-Inseln steigern die Elektro- und Photolumineszenz durch Resonanz
im Wellenlängenbereich zwischen 1,4 -1, 5 µm.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Silizium-Germanium
Solarzelle zu verbessern.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und 6 wiedergegeben.
Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung beinhaltet eine Silizium (Si)/Silizium-Germanium (Si/Ge) Dünnschicht
Solarzelle mit einer Quantum-Well-Struktur innerhalb der Raumladungszone des
Silizium p-n Diodenübergangs. Die Quantum-Well-Struktur ist aus einer Schichtenfolge
aus Silizium und Germanium aufgebaut. Auf diese Weise wird eine hoch absorbierende
Basisschicht in einer auf Silizium basierenden Solarzelle hergestellt.
Die Schichtenfolge der Ouantum-Well-Struktur wird einerseits durch epitaktisches
Wachstum von selbst-organisierenden, Germanium-Inseln und/oder Abscheiden von
wenigen atomaren Monolagen (ML) Silizium und Germanium gebildet. Andererseits aus
epitaktischen SinGem ultradünnen Übergittern (m ML Si, n ML Ge; 1 ML = 0.14 nm) auf
p-dotiertem Siliziumsubstrat. Als Epitaxieverfahren finden die Molekularstrahlepitaxie
(MBE), der Niederdruck- (LP-CVD) oder der Ultrahochvakuum-Gasphasenepitaxie (UHV-
CVD) Anwendung.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Verbesserung des Wirkungsgrades im
Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen durch ein wesentlich verbessertes
Absorptionsvermögen in der Basis, insbes. im längerwelligen Bereich (λ < λg Si) der
Solarstrahlung. Durch die oben erwähnte, epitaktische Abscheidung von SiGe quantum
wells (QW's) und selbst-organisiert wachsenden Ge-Inseln in der Basis ohne die
Ausbildung von Fehlanpassungsversetzungen an der Si/SiGe Grenzfläche steigt der
Kurzschlussstrom der Zelle an, ohne dass die Klemmenspannung im Vergleich zur Si-
Referenzzelle merklich absinkt. Die erfindungsgemäße, auf Si Substrat abgeschiedene
und elastisch verspannte (pseudomorphe) Si/SiGe Schichtenfolge hat eine im Vergleich
zu Si geringere Bandlücke, die längerwellige Photonen unterhalb der Si-Bandlücke
absorbiert. Infolgedessen steigt bei gleichbleibender aktiver Schichtdicke der
Kurzschlußstrom der Zelle stark an, ohne dass sich dabei der Dunkelstrom wesentlich
erhöht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf schematische Zeichnungen in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Schematischer Schichtaufbau der Ge-Insel Solarzelle,
Fig. 2 Bandverlauf der Ge-Insel Solarzelle,
Fig. 3 Schematischer Schichtaufbau der Solarzelle mit Ge und Si Quantum-Well-
Schichten,
Fig. 4 Schematischer Schichtaufbau der Solarzelle mit SinGem ultradünnen Über
gittern.
Ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zeigt den Schichtaufbau der Ge-Insel
Solarzelle auf einem Silizium <100< Substrat:
Der aktive Bereich besteht als hoch absorbierende Basisschicht aus zwei Teilen, einer
breiteren 2-dimensionalen Si1-xGex QW-Schicht 41 mit relativ niedrigem Ge-Gehalt,
beispielsweise 16 ML = 2.2 nm SiGe0.3, und einer dünneren mit hohem Ge-Gehalt 42,
beispielsweise 4 ML Ge, die als Benetzungsschicht dient. Alternativ ist dieser Teil aus 2
Si1-xGex QW Legierungsschichten (oder Gem/Si20/Gem, n = 2,4) mit unterschiedlichem Ge-
Gehalt oder mit 2 SimGen Übergittern mit unterschiedlichem effektivem Ge-Gehalt
aufgebaut.
Der zweite Teil besteht aus 3-dimensionalen Ge-Inseln 43, die auf der 2-dimensional
gewachsenen Ge Benetzungsschicht bei Wahl geeigneter Abscheidungsparameter (MBE
bei ca. T = 700°C) nukleieren ohne Fehlpassungsversetzungen an den darunter
liegenden Heterogrenzflächen (Si/SiGe0.3 oder SiGe0.3/Ge) zu erzeugen. Das Wachstum
der 3-dimensionalen Ge-Inseln 43 auf der Benetzungsschicht 42 erfolgt nach dem sog.
Stranski-Krastanov Modell, bei dem infolge der energetischen Verhältnisse an der
Schichtoberfläche der gitterfehlangepaßten Halbleiter-Schichtsysteme epitaktisches
Inselwachstum erfolgt. Indem die Temperatur die Diffusionsmechanismen auf der
Festkörperoberfläche steuert, ist sie ein ganz wesentlicher Parameter bei der
Schichtherstellung. Die Abscheidung erfolgt bevorzugt in einem Temperaturbereich
zwischen 500-700°C. Zwischen den schwach p-dotierten Basisschichten (2 1015 cm-3;
siehe Fig. 1, 3, 4) und den n-dotierten Emitterschichten befindet sich eine 500-750 nm
dicke, p-dotierte Si-Trennschicht, die den p-n Übergang von der Si/SiGe
Heteroübergang räumlich trennt und ebenso die aktiven Schichten im optimalen
Abstand zur Emitteroberfläche plaziert (siehe K. Said et al., IEEE EDL 46, p. 2103
(1999)). Die Dotierniveaus sind so gewählt, dass die SiGe quantum wells sich innerhalb
der Raumladungsweite befinden.
Durch Einbau dieser Schichten in die Emitterraumladungszone der äußeren Si-Zelle
entsteht, wie oben beschrieben, der in Fig. 2 skizzierte Bandverlauf. Die in den Ge/SiGe
bzw. SiGe Doppel-Töpfen photogenerierten und lokalisierten Löchern werden durch das
starke elektrische Feld (starke Bandverbiegung) in der Raumladungszone vom
lokalisierten Zustand des weniger tiefen Ge/SiGe Quantum Well Topfes durch
thermische Emission oder Tunneln vom lokalisierten Zustand in das Si Valenzband und
durch die built-in Spannung zu den äußeren Si Kontakten befördert und tragen somit
zum Photostrom bei, was den Wirkungsgrad der Zelle gegenüber der Si-Referenz-Zelle
entscheidend erhöht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 zeigt den Schichtaufbau der Solarzelle
mit Ge und Si Quantum-Well-Schichten auf einem Silizium <100< Substrat:
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 zeigt den Schichtaufbau der Solarzelle
mit SinGem ultradünnen Übergittern auf einem Silizium <100< Substrat:
Claims (6)
1. Silizium-Germanium Dünnschicht Solarzelle, dadurch gekennzeichnet, dass auf
einem Siliziumsubstrat (1, 2, 3) eine aus einer Schichtenfolge aus Silizium und
Germanium aufgebaute Quantum-Well-Struktur innerhalb der Raumladungszone
des Silizium p-n Diodenübergangs (6, 7) angeordnet ist.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge aus
einer mehrfachen Abfolge einer Quantum-Well-Schicht (41), einer
Benetzungsschicht (42), einer Ge-Insel-Schicht (43) und einer Si-Deckschicht (5)
aufgebaut ist, die eine Quantum-Well-Struktur mit geringerer Bandlücke als Silizium
aufweist.
3. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge aus
einer mehrfachen Abfolge einer ersten Quantum-Well-Schicht (44), einer Ge-
Schicht (45), einer ersten Si-Schicht(46), einer zweiten Ge-Schicht (47), einer
zweiten Quantum-Well-Schicht (48) und einer Si-Deckschicht (5) aufgebaut ist, die
eine Quantum-Well-Struktur mit geringerer Bandlücke als Silizium aufweist.
4. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge aus
einer mehrfachen ersten Abfolge einer Ge-Schicht (49), einer Si-Schicht(410) und
einer mehrfachen zweiten Abfolge aus der ersten Abfolge und einer Si-Deckschicht
(5) aufgebaut ist, die eine Quantum-Well-Struktur mit geringerer Bandlücke als
Silizium aufweist.
5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Abfolge eine 10 bis 20 fache Wiederholung der jeweiligen Schichten umfaßt.
b. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schichtenfolge mittels der Molekularstrahlepitaxie (MBE), der Niederdruck-
Gasphasenepitaxie (LP-CVD) oder der Ultrahochvakuum-Gasphaseneptiaxie (UHV-
CVD) hergestellt wird.
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