DE102004013627A1 - Solarzelle mit mehreren Übergängen sowie Stromanpassungsverfahren - Google Patents

Solarzelle mit mehreren Übergängen sowie Stromanpassungsverfahren Download PDF

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Abstract

Es wird eine InGaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen angegeben, deren Wandlungswirkungsgrad dadurch verbessert ist, dass zum genannten InGaP Al zugesetzt ist, dessen Anteil eingestellt ist. Bei einem Stromanpassungsverfahren in dieser Zelle wird der Al-Anteil im AlInGaP-Material für eine obere Zelle so eingestellt, dass zwischen in dieser oberen Zelle und einer mittleren Zelle erzeugten Photoströmen Übereinstimmung erzielt wird. Hierbei verwendet die genannte Solarzelle als obere Zelle mit pn-Übergang eine solche aus dem genannten AlInGaP-Material, als mittlere Zelle eine solche mit pn-Übergang und mit Gitteranpassung an die obere Zelle aus einem (In)GaAs(N)-Material sowie als untere Zelle eine solche aus einem Ge-Material mit pn-Übergang und Gitteranpassung an die mittlere Zelle.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit mehreren Übergängen mit hohem Wirkungsgrad, und insbesondere betrifft sie auch ein Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrads einer Solarzelle mit mehreren Übergängen, die an verschiedene Sonnenlichtarten angepasst ist, wie das Spektrum von Erdsonnenlicht, das Spektrum von gebündeltem Sonnenlicht und das Spektrum von Sonnenlicht im Weltraum. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Unterdrücken einer Beeinträchtigung einer Solarzelle aufgrund von Strahlung im Weltraum sowie eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, die weniger zu einer Beeinträchtigung durch Strahlung neigt.
  • In jüngerer Zeit werden als im Weltraum verwendete Solarzellen, die als Spannungsversorgung für Weltraumanlagen wie künstliche Satelliten verwendet werden, zunehmend Solarzellen mit mehreren Übergängen verwendet, die als Hauptmaterial einen Halbleiter in Form einer III-V-Verbindung verwenden. Da erwartet wird, dass derartige Zellen einen höheren Wirkungsgrad der photoelektrischen Wandlung als Si-Solarzellen erzielen werden, wie sie herkömmlicherweise im Weltraum verwendet wurden, sind sie für kleine oder für Hochleistungssatelliten geeignet, deren Design mit Si-Zellen schwierig war.
  • Unter derartigen Solarzellen ist diejenige, die aktuell unabhängig von Anwendungen auf der Erde oder im Weltraum den höchsten Wandlungswirkungsgrad erzielt, eine solche aus InGaP/InGaAs/Ge mit drei Übergängen. Ein beispielhaftes Verfahren zum Verbessern des Wandlungswirkungsgrads einer Solarzelle mit mehreren Übergängen besteht darin, die Photoströme in den Einzelzellen anzupassen. Hierbei ist, da drei Zellen, nämlich eine InGaP-Zelle, eine InGaAs-Zelle und eine Ge-Zelle, verwendet werden, die in Reihe geschaltet sind, der Wert für den Kurzschlussstrom innerhalb der Solarzelle mit mehreren Übergängen auf den niedrigsten Photostrom dieser Zellen beschränkt. Um den höchsten Kurzschlussstrom zu erzielen, ist es erforderlich, Sonnenlicht auf zwischen den Zellen gut ausgeglichene Weise zu absorbieren und gleiche Werte für die in den Zellen erzeugten Photoströme zu erzielen. D. h., dass ein Verfahren zum Anpassen der Ströme erforderlich ist.
  • Herkömmlicherweise wurde, um eine Stromanpassung zu erzielen, ein Verfahren verwendet, bei dem die durch die InGaAs-Zelle in einem unteren Teil absorbierte Lichtmenge dadurch eingestellt wird, dass die Dicke der InGaP-Zelle im oberen Teil verringert wird, um die durch sie hindurch strahlende Lichtmenge zu vergrößern. Zum Beispiel ist in US-A-5,223,043 eine Solarzelle mit zwei Übergängen offenbart, bei der GaInP als Material für eine obere Zelle verwendet ist, die als auf der Sonnenlicht-Einfallsfläche ausgebildete erste Solarzelle dient, und GaAs als Material für eine untere Zelle verwendet ist, die als unter der oberen Zelle ausgebildete zweite Solarzelle dient. Die 10 zeigt eine Grundstruktur derartiger Zellen. Der Wandlungswirkungsgrad, wie er durch diese herkömmlichen Zellen mit mehreren Übergängen bei einem Charakteristiktest unter Verwendung einer Lichtquelle erzielt wird, die das Sonnenlichtspektrum im Weltraum simuliert, beträgt bei einem Laborprodukt ungefähr 26 % und bei einem industriellen Produkt ungefähr 22 %.
  • Die Dicke einer InGaP-Zelle in einer Solarzelle mit mehreren Übergängen für Verwendung auf der Erde wurde im Hinblick auf Sonnenlicht auf der Erde mit dem Spektrum AM 1,5 auf ungefähr 0,6 μm eingestellt. Andererseits wurde die Dicke einer InGaP-Zelle innerhalb einer Solarzelle mit mehreren Übergängen für die Verwendung im Weltraum im Hinblick auf Raumsonnenlicht mit dem Spektrum AM 0 auf ungefähr 0,4 μm eingestellt. Außerdem wurde, um die Strahlungsbeständigkeit im Weltraum zu verbessern, die Dicke der InGaP-Zelle auf den kleinen Wert von 0,3 μm eingestellt. Hinsichtlich eines Einflusses durch Strahlung im Raum ist das Ausmaß einer Absenkung des Photostroms in einem Material auf InGaP-Basis nicht wesentlich, während es bei einem InGaAs-Material groß ist. Daher wurde, um eine Verkleinerung des Kurzschlussstroms im Raum zu unterdrücken, die Dicke der InGaP-Zelle ausreichend klein gemacht, um die Menge des zur InGaAs-Zelle hindurchgestrahlten Lichts ausreichend zu erhöhen. Wie oben beschrieben, wurde bei der herkömmlichen Technik hauptsächlich ein Verfahren zum Einstellen einer Filmdicke der Zelle dazu verwendet, den Wandlungswirkungsgrad zu verbessern.
  • Bei einer InGaP/InGaAs/Ge-Zelle mit drei Übergängen mit ei nem auch in einem Ge-Substrat ausgebildeten pn-Übergang ist der in der Ge-Zelle erzeugte Photostrom ausreichend größer als der in den anderen Unterzellen. Daher ist es nicht erforderlich, die Menge des zur Ge-Zelle hindurchgestrahlten Lichts einzustellen.
  • Beim oben beschriebenen herkömmlichen Stromanpassungsverfahren erfolgte die Stromanpassung ohne Schwierigkeiten, und es konnten hohe Kurzschlussströme erzielt werden. Jedoch wurde keine wesentliche Änderung der in einer Unterzelle erzeugten Spannung erzielt, und demgemäß wurde keine ausreichende Verbesserung der Leerlaufspannung einer Solarzelle mit mehreren Übergängen erzielt.
  • Um die spätere Erläuterung der Erfindung besser verständlich zu machen, werden nun anhand der bereits genannten 10 eine InGaAs/GaAs-Solarzelle mit zwei Übergängen und ein zugehöriger Herstellprozess gemäß der herkömmlichen Technik beschrieben. Die 10 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau einer Epitaxieschicht bei der herkömmlichen Zelle zeigt.
  • Als Erstes wird auf einem p-GaAs-Substrat unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens eine Schichtstruktur hergestellt. D. h., dass ein mit Zn dotiertes GaAs-Substrat mit einem Durchmesser von ungefähr 50 mm in eine vertikale MOCVD-Vorrichtung eingebracht wird und die in der 10 dargestellte Schichtstruktur sukzessive epitaktisch aufgewachsen wird. Genauer gesagt, wird auf dem p-GaAs-Substrat eine p-InGaP-Schicht als hintere Schicht für ein elektrisches Feld hergestellt. Auf dieser wird dann eine p-GaAs-Schicht als Basisschicht hergestellt, auf der wiederum eine n-GaAs-Schicht als Emitterschicht hergestellt wird. Ferner wird auf dieser eine n-AlInP-Schicht als Fensterschicht hergestellt, auf der wiederum eine n-InGaP-Schicht und darauf eine p-AlGaAs- Schicht hergestellt werden. Zwischen der n-AlInP-Schicht und der p-AlGaAs-Schicht ist ein Tunnelübergang ausgebildet.
  • Außerdem wird auf der p-AlGaAs-Schicht eine p-AlInP-Schicht als hintere Schicht für ein elektrisches Feld hergestellt. Auf dieser wird eine p-InGaP-Schicht als Basisschicht hergestellt, auf der wiederum eine n-InGaP-Schicht als Emitterschicht hergestellt wird. Dann wird auf dieser eine n-AlInP-Schicht als Fensterschicht hergestellt, auf der eine n-GaAs-Schicht als Deckschicht hergestellt wird. Hierbei sind die Filmdicken der oben beschriebenen Schichten in der Zeichnung in der Einheit μm dargestellt.
  • Während des oben beschriebenen epitaktischen Wachstums ist die Züchtungstemperatur vorzugsweise auf 700°C eingestellt. Als Materialien zum Züchten der GaAs-Schicht können unabhängig davon, ob der Leitungstyp n oder p ist, Trimethylgallium (TMG) und Arsin (AsH3) verwendet werden.
  • Als Material zum epitaktischen Züchten der InGaP-Schicht können unabhängig davon, ob ihr Leitungstyp n oder p ist, Trimethylindium (TMI), TMG und Phosphin (PH3) verwendet werden. Außerdem können als Materialien zum epitaktischen Züchten der AlInP-Schicht unabhängig davon, ob ihr Leitungstyp n oder p ist, Trimethylaluminium (TMA), TMI und PH3 verwendet werden.
  • In allen oben beschriebenen Schichten aus GaAs, InGaP und AlInP kann Monosilan (SiH4) als Fremdstoff zur n-Dotierung verwendet werden, und DEZn kann als Fremdstoff zur p-Dotierung verwendet werden.
  • Beim Herstellen eines Tunnelübergangs während der oben beschriebenen epitaktischen Züchtung können TMI, TMG und AsH3 als Materialien für die AlGaAs-Schicht verwendet werden, und als Fremdstoff zur p-Dotierung kann Kohlenstofftetrabromid (CBr4) verwendet werden.
  • Nachdem durch epitaktische Züchtung eine Solarzellenstruktur hergestellt wurde, wird auf deren Oberfläche, mit Ausnahme eines Gebiets, in dem ein Elektrodenmuster hergestellt wird, durch Photolithographie ein Resist hergestellt. Dann wird die Solarzellenstruktur in eine Abscheidungs-Vakuumvorrichtung eingebracht, und durch ein Widerstandserwärmungsverfahren wird auf dem Substrat mit dem hergestellten Resist eine Schicht aus Au hergestellt, die 12 % Ge enthält. Die Au-Schicht kann z. B. eine Dicke von ungefähr 100 nm aufweisen. Danach werden eine Ni- und eine Au-Schicht in dieser Reihenfolge durch EB-Abscheidung mit einer Dicke von ungefähr 20 nm bzw. ungefähr 5000 nm auf der Au-Schicht hergestellt. Dann wird eine Oberflächenelektrode mit einem gewünschten Muster durch ein Abhebeverfahren erhalten.
  • Unter Verwendung der auf die oben beschriebene Weise hergestellten Oberflächenelektrode als Maske wird die n-GaAs-Deckschicht in einem Teil, in dem die Oberflächenelektrode nicht ausgebildet ist, durch eine alkalische, wässrige Lösung abgeätzt.
  • Dann wird auf der Oberfläche eines Epitaxiewafers mit Ausnahme eines Gebiets für ein Mesa-Ätzmuster durch Photolithographie ein Resist hergestellt. Anschließend wird eine Epitaxieschicht in einem Gebiet, in dem der Resist nicht ausgebildet ist, durch eine alkalische, wässrige Lösung und eine saure, wässrige Lösung abgeätzt, um das GaAs-Substrat freizulegen.
  • Auf dem rückseitigen Substrat der Solarzellenstruktur wird durch EB-Abscheidung eine als Rückseitenelektrode dienende Ag-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 1000 nm hergestellt.
  • Nachdem die Rückseitenelektrode hergestellt wurde, werden ein TiO2- und ein Al2O3-Film, die als Antireflexionsbeschichtung dienen, in dieser Reihenfolge mit einer Dicke von ungefähr 50 nm bzw. ungefähr 85 nm auf der äußersten Fläche hergestellt.
  • Danach erfolgt in Stickstoff eine Wärmebehandlung bei 380°C, um die Oberflächenelektrode zu sintern und die Rückseitenelektrode und die Antireflexionsbeschichtung zu tempern. Dann wird die Solarzellenstruktur auf solche Weise in eine Zelle zerschnitten, dass eine Teilungslinie auf eine Linie fällt, die einem Mesa-Ätzvorgang unterzogen wurde. Die Zelle kann z. B. eine Größe von 10 mm × 10 mm aufweisen.
  • Um die Eigenschaften der auf die oben beschriebene Weise hergestellten Solarzelle auszuwerten, werden Strom- und Spannungseigenschaften beim Beleuchten einer Solarzelle mit Licht mittels eines Sonnenlichtsimulators, der Bezugssonnenlicht entsprechend AM 1,5 emittiert, gemessen, wobei der Kurzschlussstrom, die Leerlaufsspannung und der Wandlungswirkungsgrad gemessen werden. Hierbei wird der Wandlungswirkungsgrad gemäß der folgenden Gleichung berechnet: Wandlungswirkungsgrad = Leerlaufspannung (V) × Kurzschlussstrom (mA) × FFwobei FF einen Füllfaktor einer Solarzellen-Ausgangssignalkurve repräsentiert. Bei der Erfindung kann FF auf 0,85 gesetzt werden.
  • Die 11 zeigt den Kurzschlussstrom in einer Zelle mit zwei Übergängen, wenn die Dicke der p-InGaP-Basisschicht in ihr von 0,35 bis 0,95 μm variiert wird und die Dicke der InGaP-Zelle in ihr von 0,4 bis 1 μm variiert wird. In der 11 repräsentiert die Ordinate die Stromdichte (mA/cm2), während die Abszisse die Dicke der oberen Zelle (μm) repräsentiert. Die 4 zeigt mittels einer durchgezogenen Linie ein unter Verwendung eines Simulators für ein zweidimensionales Bauteil erzieltes Rechenergebnis für Werte von Photoströmen, wie sie in der oberen InGaP-Zelle und der unteren GaAs-Zelle erzeugt werden. Obwohl der Kurzschlussstrom in der Zelle mit zwei Übergängen auf den niedrigeren Wert der beiden Werte beschränkt ist, wie sie durch die obere und die untere Zelle erzeugt werden, ist es erkennbar, dass das Rechenergebnis durch den Bauteilesimulator im Wesentlichen dem tatsächlich gemessenen Wert entspricht. Außerdem wird, wie es in der 11 dargestellt ist, der höchste Wert für den Kurzschlussstrom erzielt, wenn die Dicke der oberen InGaP-Zelle auf 0,6 μm eingestellt wird. Bei allen oberen InGaP-Zellen mit voneinander verschiedenen Dicken ist die Leerlaufspannung im Wesentlichen gleich, und der Wandlungswirkungsgrad ist dann am höchsten, wenn die obere Zelle auf 0,6 μm eingestellt ist.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle mit mehreren Übergängen mit höherer Leerlaufspannung und besserem Wandlungswirkungsgrad sowie ein Stromanpassungsverfahren für eine solche zu schaffen.
  • Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Stromanpassungsverfahrens durch die Lehren der beigefügten unabhängigen Ansprüche 1, für eine Solarzelle mit zwei Übergängen, und 4, für eine Solarzelle mit drei Übergängen, sowie hinsichtlich der Solarzelle durch die Lehren der beigefügten unabhängigen Ansprüche 8, für zwei Übergänge, und 10, für drei Übergänge, gelöst. Bei einer erfindungsgemäßen Solarzelle ist die Wellenlänge der Absorptionskante dadurch verkleinert, dass Al zur oberen Zelle zugesetzt ist, wobei durch Erhöhen des Al-Anteils die Bandlücke in der (Al)InGaP-Zelle vergrößert wird. Dadurch wird auch die Menge des Lichts eingestellt, das zu einer darunter liegenden InGaAs-Zelle gestrahlt wird, wodurch z. B. in einer InGaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen ein ausreichender Kurzschlussstrom in der InGaAs-Zelle und damit eine gute Stromanpassung erzielt wird. Dies verbessert den Wandlungswirkungsgrad der Zelle.
  • Die vorstehenden sowie andere Aufgaben, Merkmale, Erscheinungsformen und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser erkennbar werden.
    •
  • 1 und 2 sind schematische Schnittansichten des Aufbaus von Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Solarzelle.
  • 3 ist eine schematische Schnittansicht, die den Schichtaufbau einer AlInGaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 4 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Schicht zu Photoströmen in dieser Schicht und einer darunter liegenden InGaAs-Zelle (die 1 In enthält) bei einer Beleuchtung gemäß AM 1,5 zeigt.
  • 5A ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Dicke von InGaP (ohne Al) und dem Wandlungswirkungsgrad bei einer herkömmlichen Zelle bei einer Beleuchtung gemäß AM 1,5 zeigt.
  • 5B ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Zelle und dem Wandlungswirkungsgrad bei einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei Beleuchtung gemäß AM 1,5 zeigt.
  • 6 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Schicht zu Photoströmen in dieser Schicht und einer darunter liegenden InGaAs-Zelle (die 1 In enthält) bei einer Beleuchtung gemäß AM 0 zeigt.
  • 7A ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Filmdicke und dem Wandlungswirkungsgrad in der AlInGaP/In-GaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen bei Beleuchtung gemäß AM 0 zeigt.
  • 7B ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Zelle und dem Wandlungswirkungsgrad bei einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei Beleuchtung gemäß AM 0 zeigt.
  • 8 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Schicht zu Photoströmen in dieser Schicht und einer darunter liegenden InGaAs-Zelle (die 1 In enthält) bei einer Beleuchtung gemäß AM 0 zeigt (nach Strahlungsbestrahlung).
  • 9A ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Filmdicke und dem Wandlungswirkungsgrad in der AlInGaP/In-GaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen bei Beleuchtung gemäß AM 0 zeigt (nach Strahlungsbestrahlung).
  • 9B ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Zelle und dem Wandlungswirkungsgrad bei einer Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei Beleuchtung gemäß AM 0 zeigt (nach Strahlungsbestrahlung).
  • 10 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau einer Epitaxieschicht in einer Solarzelle mit zwei Übergängen gemäß einer herkömmlichen Technik zeigt.
  • 11 ist das Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Dicke einer InGaP-Zelle und den Kurzschlussstrom in der Solarzelle mit zwei Übergängen zeigt.
  • Die 1 zeigt einen Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle in Zusammenhang mit den beigefügten Ansprüchen 1 und 8. Wie es dort dargestellt ist, ist eine Rückseitenschicht zum Erzeugen eines elektrischen Felds aus einem p-InGaP-Material auf einem Substrat aus einem p-GaAs-Material hergestellt. Auf dieser Schicht ist eine Basisschicht aus einem p-InGaAsN-Material hergestellt, auf der wiederum eine Emitterschicht aus einem n-InGaAsN-Material hergestellt ist. Ferner ist auf dieser Schicht eine Fensterschicht aus einem n-AlInP-Material hergestellt, auf der eine n-InGaP-Schicht und dann eine p-AlGaAs-Schicht hergestellt sind. Zwischen diesen zwei Schichten, also der InGaP-Schicht und der AlGaAs-Schicht, ist ein Tunnelübergang ausgebildet.
  • Außerdem ist auf der AlGaAs-Schicht eine Rückseitenschicht zum Erzeugen eines elektrischen Felds aus einem p-AlInP-Material hergestellt, auf der eine Basisschicht aus einem p-AlInGaP-Material und dann eine Emitterschicht aus einem n-AlInGaP-Material hergestellt sind. Auf der Emitterschicht ist eine Fensterschicht aus n-AlInP-Material hergestellt, auf der eine Deckschicht aus n-GaAs-Material hergestellt ist. Die Filmdicken der vorstehend angegebenen Schichten sind dergestalt, wie es in der 1 mit der Einheit μm angegeben ist. Die Filmdicke der Basisschicht aus p-AlInGaP-Material wird als Parameter eingestellt.
  • Eine Solarzelle mit dem oben beschriebenen Aufbau kann durch ein MOCVD-Verfahren hergestellt werden. Genauer gesagt, wird ein mit Zn dotiertes GaAs-Substrat zur epitaktischen Züchtung in eine vertikale MOCVD-Vorrichtung eingebracht. Dabei können die bereits in Zusammenhang mit der Erläuterung der 10 genannte Züchtungstemperatur und die genannten Mate rialien verwendet werden. Außerdem können als Materialien zur epitaktischen Züchtung der InGaP-Schicht TMI, TMG und PH3 verwendet werden, wobei Diethyltellur (DETe) als Fremdstoff für n-Dotierung verwendbar ist.
  • Auf diese Weise wird bei einer Solarzelle mit zwei Übergängen ein Kurzschlussstrom erzielt, der so hoch wie der bei der herkömmlichen Technik ist, bei der eine Stromanpassung durch Einstellen der Filmdicke erzielt wurde, wobei jedoch hier die Wellenlänge der Absorptionskante abgesenkt ist. So kann eine hervorragende Leerlaufspannung erzielt werden, wodurch der Wandlungswirkungsgrad verbesserbar ist.
  • Die 2 zeigt einen Aufbau einer Ausführungsform einer Solarzelle in Zusammenhang mit den Ansprüchen 4 und 10. Wie es dort dargestellt ist, ist eine Pufferschicht aus einem n-InGaAs-Material auf einem mit Ga-dotiertem Substrat aus p-Ge-Material hergestellt. Hierbei diffundiert As aus der In-GaAs-Schicht in das Ge-Substrat, um auch eine n-Ge-Schicht auszubilden. Auf der Pufferschicht ist eine n-InGaP-Schicht hergestellt, auf der wiederum eine p-AlGaP-Schicht hergestellt ist. Zwischen diesen zwei Schichten, d. h. der InGaP-Schicht und der AlGaP-Schicht, ist ein Tunnelübergang ausgebildet. Auf der AlGaAs-Schicht ist eine Rückseitenschicht für ein elektrisches Feld aus einem p-InGaP-Material hergestellt, auf der wiederum eine Basisschicht aus einem p-In-GaAsN-Material hergestellt ist. Auf der Basisschicht ist eine Emitterschicht aus einem n-InGaAsN-Material hergestellt, auf der wiederum eine Fensterschicht aus einem n-AlInP-Material hergestellt ist. Ferner sind darauf eine n-InGaP-Schicht und eine p-AlGaAs-Schicht hergestellt. Zwischen diesen zwei Schichten, d. h. der n-InGaP- und der p-AlGaAs-Schicht, ist ein Tunnelübergang ausgebildet.
  • Außerdem ist auf der AlGaAs-Schicht eine Rückseitenschicht für ein elektrisches Feld aus einem p-AlInP-Material hergestellt, auf der wiederum eine Basisschicht aus einem p-AlIn-GaP-Material hergestellt ist, auf der sich eine Emitterschicht aus einem n-AlInGaP-Material befindet. Auf der Emitterschicht sind eine Fensterschicht aus einem n-AlInP-Material und eine Deckschicht aus einem n-GaAs-Material hergestellt. Die Filmdicken der vorstehend angegebenen Schichten sind dergestalt, wie es in der 2 angegeben ist, wobei die Filmdicke der Basisschicht aus einem p-AlInGaP-Material als Parameter eingestellt wird.
  • Ein Herstellverfahren für eine Solarzelle mit diesem Aufbau sowie die Materialien für dieselbe sind entsprechend denen bei der zuvor anhand der 1 beschriebenen Solarzelle.
  • Auf diese Weise wird in einer Solarzelle mit drei Übergängen ein Kurzschlussstrom erzeugt, der so hoch wie der bei einer herkömmlichen Solarzelle ist, bei der eine Stromanpassung durch Einstellen der Filmdicke erzielt wurde, wobei jedoch die Wellenlänge der Absorptionskante abgesenkt ist. Dabei wird eine hervorragende Leerlaufspannung erzielt, wodurch der Wandlungswirkungsgrad verbesserbar ist.
  • Vorzugsweise verfügt das AlInGaP-Material für die obere Zelle über eine Dicke, die dazu ausreicht, mindestens 98 % von Sonnenlicht zu absorbieren, das eine Wellenlänge aufweist, die derjenigen der Absorptionskante entspricht oder kleiner ist. Hierbei betrifft die Wellenlänge der Absorptionskante diejenige Wellenlänge, die unter denen die längste ist, die eine Solarzelle absorbieren kann. Genauer gesagt, ist vorzugsweise die folgende Gleichung erfüllt: Absorptionskante-Wellenlänge (nm) = 1239,8/Eg (eV)wobei Eg (eV) die Bandlückenenergie der AlInGaP-Schicht re präsentiert. Außerdem ist, wünschenswerterweise, ein Absenken des Werts Eg durch eine Ordnung einer Atomabfolge, wie sie für ein Material auf InGaP-Basis spezifisch ist, nicht bedeutend. Hierbei hat Eg vorzugsweise einen Wert, der der folgenden Gleichung genügt: Eg = 1,88 + 1,26xwobei x den Al-Anteil von Elementen der Gruppe III in der AlInGaP-Schicht repräsentiert. Gemäß der oben beschriebenen Beziehung wird bei z. B. x = 0,05 die Wellenlänge der Absorptionskante auf 638 nm eingestellt. Indessen wird sie auf 600 nm eingestellt, wenn x = 0,15 gilt. Bei der Erfindung liegt der Wert Eg für AlInGaP vorzugsweise im Bereich von 1,94 bis 2,03 eV. Eg sollte erhöht werden, um eine möglichst hohe Spannung zu erzielen. Wenn jedoch der Wert Eg zu groß ist, ist der erzeugte Strom zu klein, als dass eine Stromanpassung erzielt werden könnte. Daher weist ein Material für die obere Zelle für das Sonnenlicht im Raum, bei dem die Intensität von Licht kurzer Wellenlängen hoch ist, vorzugsweise einen relativ hohen Wert Eg von 1,97 bis 2,03 eV auf. Andererseits weist das Material für die obere Zelle für Sonnenlicht auf der Erde, bei dem die Intensität von Licht kurzer Wellenlängen nicht zu hoch ist, vorzugsweise einen Eg-Wert von 1,94 bis 1,97 eV auf.
  • Vorzugsweise liegt der Al-Anteil im AlInGaP-Material im Bereich von 0,05 bis 0,15, und der N-Anteil im InGaAsN-Material liegt im Bereich von 0 bis 0,03. Wenn der Al-Anteil kleiner als 0,05 ist, ist der Eg-Wert der oberen Zelle zu klein, und es ist auch das Diffusionspotential klein, was zu einer niedrigeren erzeugten Spannung führt. Wenn dagegen der Al-Anteil 0,15 überschreitet, ist der erzeugte Strom zu klein im Vergleich zu dem in der Zelle im unteren Teil, was zu fehlender Stromanpassung führt.
  • Bei einer Solarzelle mit mehreren Übergängen gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung liegt der Al-Anteil in einem AlInGaP-Material für eine obere Zelle im Bereich von 0,05 bis 0,15. Diese Solarzelle mit mehreren Übergängen verwendet als obere Zelle eine solche, die mit einem AlIn-GaP-Material ausgebildet ist und einen pn-Übergang aufweist, und sie verwendet als untere Zelle eine solche mit Gitteranpassung zur oberen Zelle, aus einem InGaAsN-Material und mit pn-Übergang.
  • Bei einer Solarzelle mit mehreren Übergängen gemäß noch einer anderen Erscheinungsform der Erfindung liegt der Al-Anteil in einem AlInGaP-Material für eine obere Zelle im Bereich von 0,05 bis 0,15. Als obere Zelle ist eine solche aus einem AlInGaP-Material mit pn-Übergang verwendet, als mittlere Zelle ist eine solche mit Gitteranpassung an die obere Zelle, aus einem InGaAsN-Material und mit pn-Übergang, verwendet, und als untere Zelle ist eine solche mit Gitteranpassung an die mittlere Zelle, aus einem Ge-Material und mit pn-Übergang, verwendet.
  • Vorzugsweise verfügt das AlInGaP-Material für die obere Zelle über eine Dicke, die dazu ausreicht, mindestens 98 % von Sonnenlicht mit einer Wellenlänge zu absorbieren, die der Wellenlänge bei der Absorptionskante entspricht oder kleiner ist. Darüber hinaus liegt der n-Anteil im InGaAsN-Material vorzugsweise im Bereich von 0 bis 0,03.
  • Die Erfindung wird nun anhand konkreter Ausführungsformen näher erläutert.
  • Erste Ausführungsform
  • Bei der ersten Ausführungsform wird eine Solarzelle mit drei Übergängen, die genau der in der 3 dargestellten entspricht, unter Verwendung einer Prozedur ähnlich wie bei der herkömmlichen Technik hergestellt. Die 3 ist eine schematische Schnittansicht, die die Schichtstruktur einer AlIn-GaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen gemäß der genannten ersten Ausführungsform zeigt. Zahlenwerte in der Zeichnung repräsentieren Schichtdicken jeweils mit der Einheit μm.
  • Wie es in der 3 dargestellt ist, wird eine n-GaAs-Schicht als Pufferschicht auf einem mit Ga dotierten p-Ge-Substrat hergestellt. Hierbei diffundiert As aus der n-GaAs-Schicht in das Ge-Substrat, um eine n-Ge-Schicht zu bilden. Dann wird auf der n-GaAs-Schicht eine n-InGaP-Schicht hergestellt, auf der wiederum eine p-AlGaAs-Schicht hergestellt wird. Zwischen der n-InGaP- und der p-AlGaAs-Schicht bildet sich ein Tunnelübergang.
  • Als Rückseitenschicht für ein elektrisches Feld wird auf der p-AlGaAs-Schicht eine p-InGaP-Schicht hergestellt, auf der wiederum eine p-GaAs-Schicht als Basisschicht hergestellt wird. Auf dieser werden eine n-GaAs-Schicht und eine n-AlIn-P-Schicht als Fensterschicht hergestellt. Ferner werden darauf eine n-InGaP-Schicht und eine p-AlGaAs-Schicht hergestellt. Zwischen der n-InGaP- und der p-AlGaAs-Schicht bildet sich ein Tunnelübergang.
  • Außerdem wird auf der p-AlGaAs-Schicht eine p-AlInP-Schicht als Rückseitenschicht für ein elektrisches Feld hergestellt, auf der wiederum eine p-AlInGaP-Schicht als Basisschicht und eine n-AlInGaP-Schicht als Emitterschicht hergestellt werden. Dann werden darauf eine n-AlInP-Schicht als Fensterschicht und eine n-GaAs-Schicht als Deckschicht hergestellt.
  • Für diese erste Ausführungsform wurden der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und der Wandlungswirkungsgrad untersucht, wobei der Al-Anteil in der AlInGaP-Zelle innerhalb der Solarzelle mit drei Übergängen mit dem oben beschriebenen Aufbau variiert wurde. Die Stromdichte wurde durch einen Simulator für zweidimensionale Bauteile durch Berechnung analysiert. Das Ergebnis ist in der 4 dargestellt. Die 4 ist ein Kurvenbild, das Photoströme in der AlInGaP-Zelle und der darunter liegenden InGaAs-Zelle (die 1% In enthält) zeigt, wenn der Al-Anteil in der AlInGaP-Schicht bei Beleuchtung gemäß AM 1,5 variiert wird. Hierbei wurde gleichzeitig auch die Dicke der Basisschicht der AlInGaP-Zelle variiert.
  • In der 4 repräsentiert der Schnittpunkt zwischen dem Photostrom in der AlInGaP-Zelle und dem Photostrom in der InGaAs-Zelle einen Stromanpassungspunkt. Der Wandlungswirkungsgrad in der AlInGaP/InGaAsJGe-Solarzelle mit drei Übergängen wurde auf Grundlage des in der 4 dargestellten Ergebnisses berechnet. Die 5A zeigt den Wandlungswirkungsgrad, wie er gemäß der herkömmlichen Technik erzielt wird, wenn die Dicke von InGaP (ohne Al) variiert wird, während die 5B den Wandlungswirkungsgrad zeigt, wie er bei der ersten Ausführungsform erzielt wird, wenn der Al-Anteil in der AlInGaP-Zelle variiert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die 5B Ergebnisse hinsichtlich jeweiliger Filmdicken der AlInGaP-Schicht zeigt, die von 0,8 bis 2 μm variiert wurden.
  • Wie es in der 5B dargestellt ist, wurde der Wandlungswirkungsgrad für den Fall berechnet, dass bei der ersten Ausführungsform die Dicke der AlInGaP-Zelle auf nicht kleiner als 0,8 μm eingestellt war. Im Ergebnis wurde dann, wenn der Al-Anteil im Bereich von 0,05 bis 0,15 eingestellt wurde, ein Wandlungswirkungsgrad über dem bei der herkömmlichen Technik erzielt, wie es aus der 5B erkennbar ist.
  • Eine ähnliche Untersuchung wurde auch unter Beleuchtung gemäß AM 0 ausgeführt. Die 6 ist ein Kurvenbild, das die Stromdichte in der AlInGaP-Schicht und der unter dieser liegenden InGaAs-Zelle (die 1 % In enthält) zeigt, wenn der Al-Anteil in der AlInGaP-Schicht beim in der 3 dargestellten Aufbau variiert wird. Hierbei wurde gleichzeitig auch die Dicke der Basisschicht der AlInGaP-Zelle variiert.
  • In der 6 repräsentiert der Schnittpunkt zwischen dem Photostrom in der AlInGaP-Zelle und dem Photostrom in der InGaAs-Zelle einen Stromanpassungspunkt. Der Wandlungswirkungsgrad in der AlInGaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen wurde auf Grundlage des in der 6 dargestellten Ergebnisses berechnet. Die 7A zeigt den Wandlungswirkungsgrad, wie er gemäß der herkömmlichen Technik erzielt wird, wenn die Dicke von InGaP (ahne Al) variiert wird, während die 7B den Wandlungswirkungsgrad zeigt, wie er bei der ersten Ausführungsform erzielt wird, wenn der Al-Anteil in der AlInGaP-Zelle variiert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die 7B Ergebnisse hinsichtlich jeweiliger Filmdicken der AlInGaP-Schicht zeigt, die von 0,8 bis 2 μm variiert wurden.
  • Wie es in der 7B dargestellt ist, wurde der Wandlungswirkungsgrad für den Fall berechnet, dass bei der ersten Ausführungsform die Dicke der AlInGaP-Zelle auf nicht kleiner als 0,8 μm eingestellt war. Im Ergebnis wurde dann, wenn der Al-Anteil im Bereich von 0,05 bis 0,15 eingestellt wurde, ein Wandlungswirkungsgrad über dem bei der herkömmlichen Technik erzielt, wie es aus der 7B erkennbar ist.
  • Außerdem wurde eine Anzahl von Eigenschaften einer gemäß der ersten Ausführungsform hergestellten Solarzelle mit drei Übergängen auf ähnliche Weise auch unter Beleuchtung gemäß AM 0 gemessen, nachdem die Solarzelle mit einem Elektronenstrahl von le15/cm2 bestrahlt wurde, was mit der Gesamtstrahlung vergleichbar ist, wie sie auf einer stationären Umlaufbahn im Weltraum während einer Periode von einem Jahr empfangen wird. Die 8 zeigt ein Rechenergebnis für die Stromdichte in einer AlInGaP-Zelle und der darunter liegenden InGaAs-Zelle (die 1 % In enthält), wenn der Al-Anteil in der AlInGaP-Zelle mit dem in der 3 dargestellten Aufbau variiert wird.
  • Aus einem Vergleich der 4 mit der 8 ist es erkennbar, dass die Dicke der GaAs-Zelle kleiner als die der stromangepassten Basisschicht der AlInGaP-Zelle ist, da die Stromstärke in der GaAs-Zelle nach dem Bestrahlen der Solarzelle mit Strahlung stärker abgesenkt ist. Auf Grundlage des in der 8 dargestellten Rechenergebnisses variieren der Wandlungswirkungsgrad der AlInGaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen und derjenige, wie er erzielt wird, wenn der Al-Anteil gemäß der Erfindung variiert wird, wie in den 9A bzw. 9B dargestellt.
  • Wie es in der 9B dargestellt ist, wurde der Wandlungswirkungsgrad für den Fall berechnet, dass die Dicke der AlInGaP-Zelle bei der ersten Ausführungsform nicht kleiner als 0,8 μm eingestellt wurde. Im Ergebnis wurde ein Wandlungswirkungsgrad über dem gemäß der herkömmlichen Technik erzielt, wenn der Al-Anteil im Bereich von 0,05 bis 0,15 eingestellt wurde.
  • Zweite Ausführungsform
  • Auf einem p-GaAs-Substrat wird unter Verwendung der bei der vorigen Ausführungsform beschriebenen Prozedur eine Solarzelle mit einem einzelnen Übergang aus dem AlInGaP-Material hergestellt. Genauer gesagt, wird eine p-AlGaAs-Schicht für einen Tunnelübergang auf dem p-GaAs-Substrat hergestellt, und auf dieser wird als Rückseitenschicht für ein elektrisches Feld eine p-AlInP-Schicht hergestellt. Darauf werden eine p-AlInGaP-Schicht als Basisschicht und eine n-AlInGaP-Schicht als Emitterschicht hergestellt. Ferner werden darauf eine n-AlInP-Schicht als Fensterschicht und eine n-GaAs-Schicht als Deckschicht hergestellt.
  • Die oben beschriebene Solarzelle mit einzelnem Übergang wird durch dieselben Prozessschritte wie bei der vorigen Ausführungsform, mit Ausnahme der Herstellung der oben beschriebenen Schichtstruktur, als Solarzelle erhalten.
  • Bei der Solarzelle mit einzelnem Übergang mit dem oben beschriebenen Aufbau wurde der Al-Anteil in der AlInGaP-Schicht von 0,07 bis 0,14 variiert. Außerdem wurde für Gitteranpassung der AlInGaP-Schicht an das GaAs-Substrat in solcher Weise gesorgt, dass die folgende Gleichung erfüllt war: (Al + Ga) : In = 0,52 : 0,48
  • Darüber hinaus wurde auch die Dicke der Basisschicht aus p-AlInGaP von 0,55 bis 2,45 μm variiert, während diejenige der AlInGaP-Zelle von 0,6 bis 2,5 μm variiert wurde. Die Tabelle 1 zeigt ein Untersuchungsergebnis für den Photostrom.
  • Tabelle 1
    Figure 00210001
  • Wie es aus den in der Tabelle 1 dargestellten Ergebnissen erkennbar ist, wurde bei einer AlInGaP-Zelle mit einem Al-Anteil von 0,07 und einer Zellendicke von 2 bis 2,5 μm ein Kurzschlussstrom (Isc) entsprechend dem der herkömmlichen InGaP-Zelle ohne Al (Al-Anteil von 0) erhalten. Außerdem wurde eine hohe Leerlaufspannung von 90 bis 100 mV erhalten.
  • Die Tabelle 2 zeigt einen Vergleich von Eigenschaften zwischen einer AlInGaP/GaAs-Tandemzelle, die mit einer oberen Zelle aus AlInGaP mit einem Al-Anteil von 0,07 und einer Zellendicke von 2,5 μm hergestellt wurde, und einer InGaP/GaAs-Tandemzelle unter Verwendung der herkömmlichen oberen Zelle aus InGaP.
  • Tabelle 2
    Figure 00210002
  • Wie es aus den in der Tabelle 2 dargestellten Ergebnissen erkennbar ist, kann unter Verwendung einer oberen Zelle aus AlInGaP die Leerlaufspannung verbessert werden, und der Wandlungswirkungsgrad kann um ungefähr 1 % erhöht werden, ohne dass der Kurzschlussstrom abnimmt.
  • Wie es bei den obigen Ausführungsformen dargelegt ist, ist durch das Stromanpassungsverfahren gemäß der Erfindung der Wandlungswirkungsgrad einer AlInGaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen im Vergleich zum Wandlungswirkungsgrad verbessert, wie er durch das herkömmliche Stromanpassungsverfahren erzielt wird. Genauer gesagt, ist gegenüber dem herkömmlichen Beispiel der Wandlungswirkungsgrad bei Beleuchtung gemäß AM 1,5 auf ungefähr das 1,026-fache, unter Beleuchtung gemäß AM 0 (vor Strahlungsbestrahlung) auf ungefähr das 1,037-fache und unter Beleuchtung gemäß AM 0 (nach Strahlungsbestrahlung) auf ungefähr das 1,047-fache verbessert.

Claims (12)

  1. Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Anteil in einem AlInGaP-Material einer oberen Zelle mit pn-Übergang so eingestellt ist, dass zwischen den von der oberen Zelle und einer unteren Zelle innerhalb der Solarzelle mit mehreren Übergängen erzeugten Photoströmen Übereinstimmung erzielt ist, wobei die untere Zelle an die obere Zelle gitterangepasst ist und sie aus einem InGaAsN-Material mit pn-Übergang besteht.
  2. Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das AlInGaP-Material für die obere Zelle eine Dicke aufweist, die dazu ausreicht, mindestens 98 % von Sonnenlicht mit einer Wellenlänge entsprechend der Wellenlänge einer Absorptionskante und darunter zu absorbieren.
  3. Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Anteil innerhalb von Elementen der Gruppe III im AlInGaP-Material im Bereich von 0,05 bis 0,15 liegt.
  4. Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Anteil in einem AlInGaP-Material einer oberen Zelle mit pn-Übergang so eingestellt ist, dass zwischen der oberen Zelle und einer mittleren Zelle innerhalb der Solarzelle mit mehreren Übergängen erzeugten Photoströmen Übereinstimmung erzielt ist, wobei die untere Zelle an die obere Zelle gitterangepasst ist und sie aus einem InGaAsN-Material mit pn-Übergang besteht, und mit einer unteren Zelle aus einem Ge-Material mit pn-Übergang und mit Gitteranpassung an die mittlere Zelle.
  5. Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das AlInGaP-Material für die obere Zelle eine Dicke aufweist, die dazu ausreicht, mindestens 98 % von Sonnenlicht mit einer Wellenlänge entsprechend der Wellenlänge einer Absorptionskante und darunter zu absorbieren.
  6. Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Anteil innerhalb von Elementen der Gruppe III im AlInGaP-Material im Bereich von 0,05 bis 0,15 liegt.
  7. Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der n-Anteil innerhalb der Elemente der Gruppe V im InGaAsN-Material im Bereich von 0 bis 0,03 liegt.
  8. Solarzelle mit mehreren Übergängen, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Anteil innerhalb der Elemente der Gruppe III in einem AlInGaP-Material für eine obere Zelle mit pn-Übergang innerhalb der Solarzelle mit mehreren Übergängen im Bereich von 0,05 bis 0,15 liegt und eine untere Zelle mit pn-Übergang und Gitteranpassung an die obere Zelle aus einem InGaAsN-Material besteht.
  9. Solarzelle mit mehreren Übergängen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Zelle eine Dicke aufweist, die dazu ausreicht, mindestens 98 % von Sonnenlicht mit einer Wellenlänge entsprechend derjenigen der Absorptionskante oder darunter zu absorbieren.
  10. Solarzelle mit mehreren Übergängen, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Anteil innerhalb der Elemente der Gruppe III in einem AlInGaP-Material für eine obere Zelle mit pn-Übergang innerhalb der Solarzelle mit mehreren Über gängen im Bereich von 0,05 bis 0,15 liegt, eine mittlere Zelle mit pn-Übergang und Gitteranpassung an die obere Zelle aus einem InGaAsN-Material besteht und eine untere Zelle mit pn-Übergang und Gitteranpassung an die mittlere Zelle aus einem Ge-Material besteht.
  11. Solarzelle mit mehreren Übergängen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Zelle eine Dicke aufweist, die dazu ausreicht, mindestens 98 % von Sonnenlicht mit einer Wellenlänge entsprechend derjenigen der Absorptionskante oder darunter zu absorbieren.
  12. Solarzelle mit mehreren Übergängen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der n-Anteil innerhalb der Elemente der Gruppe V im InGaAsN-Material im Bereich von 0 bis 0,03 liegt.
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