DE102008014260A1 - Silizium-Solarzelle - Google Patents

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Abstract

Eine Silizium-Solarzelle (1) weist eine transparente, elektrisch-leitfähige Frontelektrodenschicht (3) auf einem transparenten Substrat (2), eine elektrisch leitfähige, lichtreflektierende und durch physikalische Dampfabscheidung aufgebrachte Rückelektrodenschicht (5) und zwischen der Frontelektrodenschicht (3) und der Rückelektrodenschicht (5) eine Siliziumschicht (4) auf, die aus wenigstens einer Teilzelle besteht. Die Siliziumschicht (4) weist eine der Frontelektrodenschicht (3) zugewandte p-leitende Schicht (p), eine intrinsische Schicht (i) und eine mit der Rückelektrodenschicht (5) in Kontakt stehende n-leitende Schicht (n) auf, wobei die n-leitende Schicht (n) eine Schichtdicke von mehr als 25 nm besitzt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Silizium-Solarzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Siliziumdünnschicht-Solarzellen weisen häufig die Superstratkonfiguration auf, bei der dotierte und nicht dotierte Schichten aus amorphem oder mikrokristallinem Silizium in der Abfolge p-i-n, d. h. eine p-leitende Schicht, eine intrinsische Schicht und eine n-leitende Schicht auf der transparenten Frontelektrodenschicht abgeschieden werden, die auf das transparente Substrat, beispielsweise eine Glasscheibe, aufgebracht ist. Durch Mehrfachzellen, die aus mehreren Teilzellen mit der Schichtfolge p-i-n bestehen, kann das elektrische Feld wesentlich vergrößert werden.
  • Zur Herstellung der Siliziumschicht wird häufig die chemische Dampfabscheidung („chemical vapor deposition” oder CVD) verwendet, insbesondere das Plasma unterstützte („plasma enhanced”) PECVD-Verfahren. Die p-i-n-Schichten werden durch Zerlegen von Silizium enthaltenden Gasen in dem Plasma hergestellt. Als Depositionsgas dient hierbei meist Silan (SiH4) oder Disilan (Si2H6). Neben der (undotierten) i-Schicht werden die dotierte p- und n-Schicht abgeschieden, und zwar die p-Schicht, durch die das Licht in die i-Schicht fällt, üblicherweise durch Zugabe von Bor, insbesondere durch Beimengung von Diboran (B2H6) oder Dimethylbor (B(CH3)3) zum Dipositionsgas. Zur Herstellung der p-leitenden Schicht kann zudem ein Gas beigemengt werden, das Elemente wie Kohlenstoff oder Sauerstoff enthält, um den Bandabstand des Halbleiters zu vergrößern. Dadurch wird die Lichtabsorbanz der p-leitenden Schicht verringert. Die n-leitende Schicht wird durch die Dotierung mit Phosphor hergestellt, beispielsweise durch Beimengung von Phosphin zum Depositionsgas.
  • Die Dicke der dotierten Schichten wird dabei üblicherweise so optimiert, dass einerseits ein ausreichend großes elektrisches Feld über die intrinsische Schicht aufgebaut wird und andererseits optische Verluste durch Absorption vermieden werden. Optimierte Dicken von p-leitenden Schichten liegen im allgemeinem von 8–12 nm und von n-leitenden Schichten im Bereich von 10–15 nm.
  • Die Frontelektrodenschicht und die Rückelektrodenschicht bilden den Kontakt zur Stromabnahme der Zelle und, wenn mehrere Zellen serienverschaltet sind, zur Stromführung von Zelle zu Zelle.
  • Die Rückelektrodenschicht wird im allgemeinem durch physikalische Dampfabscheidung („physical vapor deposition” oder PVD), insbesondere durch Sputtern, auf die Siliziumschicht der Solarzelle aufgebracht.
  • Die Qualität der Solarzellen wird wesentlich von der Qualität der intrinsischen Schichten bestimmt. Es ist daher notwendig, die defekte Dichte der intrinsischen Schichten gering zu halten. Durch den Eintrag von Energie in die amorphen Siliziumschichten lassen sich Bindungen im amorphen, unregelmäßigen Gitter aufbrechen. Diese aufgebrochenen Bindungen können durch Umordnungsprozesse im Halbleiter zu metastabilen Defekten führen. Ein bekanntes Phänomen in amorphem Silizium, in dem Defekte mittels Wasserstoff gesättigt und somit deaktiviert sind, ist der sogenannte „Stäbler-Wronski”-Effekt. Dabei werden bei der Rekombination von Ladungsträgern (Elektronen-Loch-Paaren), die z. B. bei der Absorption von Photonen angeregt werden, Defekte generiert. Diese bewirken eine Degradation der elektronischen Eigenschaften des Bauteiles. Durch Tempern der Solarzelle lassen sich diese Defekte wieder ausheilen.
  • Beim Aufbringen der Rückelektrodenschicht durch PVD bzw. Sputtern auf die Siliziumschicht wird ebenfalls eine Schädigung der Zelleigenschaften festgestellt, die erst durch nachträgliches Tempern beispielsweise bei 160 Grad für etwa 20 Minuten behoben werden können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Schädigung der Solarzelle bei der PVD-Abscheidung der Rückelektrodenschicht so zu minimieren, dass auf ein nachträgliches Tempern verzichtet werden kann.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Dicke der n-leitenden Schicht, die mit der durch PVD bzw. Sputtern aufgebrachten Rückelektrodenschicht in Kontakt steht, eine Schichtdicke von mehr als 25 nm aufweist.
  • Durch die relativ dicke n-leitende Schicht kann erfindungsgemäß die Defektdichte der intrinsischen Schicht gering gehalten und damit eine Schädigung der Zelle während des Aufbringens der Rückelektrodenschicht durch PVD bzw. Sputtern verhindert werden.
  • Die Siliziumschicht der erfindungsgemäßen Solarzelle kann nur eine p-i-n Schichtfolge, also Teilzelle aufweisen. Jedoch kann die Siliziumschicht beispielsweise auch als Tandemzelle mit zwei Teilzellen oder Tripelzelle mit drei Teilzellen jeweils mit einer p-i-n-Schichtfolge ausgebildet sein, wobei das Licht durch die p-Schicht in die intrinsische Schicht und von der intrinsischen Schicht in die n-leitende Schicht der jeweiligen Teilzelle fällt.
  • Die Herstellung der Siliziumschicht der erfindungsgemäßen Solarzelle erfolgt vorzugsweise durch CVD, insbesondere PECVD. Als Depositionsgas wird vorzugsweise Silan, Disilan oder ein anderes Silanwasserstoffgas verwendet, wobei dem Depositionsgas Wasserstoff (H2) oder Edelgase beigemischt werden können. Das Plasma zur Zerlegung der Gase beim PECVD-Verfahren kann durch Anlegen einer Gleichspannung oder Wechselspannung erzeugt werden. Der Frequenzbereich für das elektrische Wechselfeld erstreckt sich vom niederfrequenten Kiloherzbereich über Radiofrequenzen im MHz-Bereich bis hin zu Mikrowellen im GHz-Bereich. Vorzugsweise wird ein elektrisches Wechselfeld mit einer Frequenz im Bereich von 1 bis 100 MHz verwendet.
  • Die p-i-n-Schichten können aus amorphem oder nano- oder mikrokristallinem Silizium, also einem Silizium aus Kristallen mit einer Größe von 1 nm bis 1 μm, insbesondere 10 bis 100 nm bestehen. Mikro- oder nanokristalline Schichten lassen sich dabei neben amorphen Schichten durch Wahl bestimmter Depositionsparameter wie z. B. Gasdruck, Leistung des Wechselfeldes und Gasmischung herstellen. Die Parameter sind u. a. abhängig von der Reaktorgeometrie, der Methode der Plasmageneration sowie der Reaktor- und Substrattemperatur. In der Regel werden mikro- oder nanokristalline Schichten durch Wasserstoffverdünnung unter Erhöhung der Frequenz des Wechselfeldes hergestellt.
  • Die intrinsische Schicht der erfindungsgemäßen Solarzelle besteht vorzugsweise aus amorphem Silizium, und weist beispielsweise eine Dicke zwischen 100 und 600 nm auf.
  • Die p-leitende und/oder die n-leitende Schicht kann aus amorphem Silizium oder nano- oder mikrokristallinem Silizium bestehen. Die Dicke der p-leitenden Schicht jeder Teilzelle liegt vorzugsweise im Bereich von 6–15, insbesondere 8–12 nm. Während die n-leitende Schicht der Teilzelle, die in Kontakt mit der Rückelektrodenschicht steht, mit mindestens 25 nm relativ dick ausgebildet ist, können bei mehreren Teilzellen die n-Schichten der übrigen Teilzelle(n) eine Schichtdicke von weniger als 20 nm aufweisen, beispielsweise von 10–15 nm.
  • Die p-leitende Schicht kann durch Beimengung eines borhaltigen Gases, insbesondere Diboran oder Dimethylboran, zum Depositionsgas hergestellt werden. Die Dotierung der n-leitenden Schicht kann durch Beimengung eines phosphorhaltigen Gases, wie Phosphin, zum Depositionsgas erfolgen.
  • Zur Legierung der p- oder n-leitenden oder intrinsischen Schicht kann dem Depositionsgas ein Gas beigemengt werden, das Elemente, wie Germanium, Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff enthält. Dadurch kann die Teilzelle in ihrer optischen und elektrischen Bandlücke variiert werden, um das Spektrum der solaren Sonnenstrahlung besser zu nutzen.
  • Die n-leitende Schicht, die mit der Rückelektrodenschicht in Kontakt steht, kann ihrerseits aus Teilschichten bestehen, und zwar vorzugsweise aus einer unlegierten amorphen Siliziumteilschicht und einer mit Kohlenstoff oder Sauerstoff legierten amorphen Siliziumteilschicht, wobei die gesamte Schichtdicke der aus diesen Teilschichten gebildeten n-leitenden Schicht ebenfalls mehr als 25 nm beträgt.
  • Die insbesondere durch Sputtern auf die Siliziumsschicht aufgebrachte Rückelektrodenschicht setzt sich vorzugsweise aus einer transparenten, elektrisch leitfähigen Zwischenschicht, die mit der n-leitenden Schicht der einen bzw. bei einer Siliziumschicht aus mehreren Teilzellen mit der n-leitenden Schicht der der Rückelektrodenschicht zugewandten Teilzelle in Kontakt steht, sowie einer lichtreflektierenden Metallschicht zusammen.
  • Die Zwischenschicht, vorzugsweise ein Metalloxid, kann aus einer oder mehreren Teilschichten bestehen. Das Metalloxid kann beispielsweise Zinkoxid (ZnO), Zinnoxid (SnO2), Zinn-dotiertes Indiumoxid (ITO) oder Titanoxid sein. Die lichtreflektierende metallische Schicht kann aus Aluminium, Silber oder Kupfer bestehen. Die Schichtdicke der Metalloxid-Zwischenschicht, die ein Diffundieren von Metallatomen aus der Metallschicht in die Siliziumschicht verhindert, kann beispielsweise 10–200 nm betragen, die Schichtdicke der Metallschicht beispielsweise 50 bis 400 nm. Für eine verbesserte Kontaktierbarkeit wird vorzugsweise auf die lichtreflektierende Metallschicht noch eine Schicht aus einem Metall mit geringer Neigung zur Oxidbildung, wie Nickel oder Chrom, aufgebracht.
  • In der beigefügten Zeichnung zeigen:
  • 1 schematisch den Aufbau einer Silizium-Solarzelle nach einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 und 3 ein Diagramm mit der Kennlinie einer herkömmlichen Silizium-Dünnschichtzelle nach dem Beispiel 1 (Vergleich) vor bzw. nach dem Tempern; und
  • 4 und 5 ein Diagramm mit der Kennlinie einer erfindungsgemäßen Silizium-Dünnschichtzelle nach dem Beispiel 2 vor bzw. nach dem Tempern.
  • Gemäß 1 weist die Silizium-Solarzelle 1 ein Substrat 2, beispielsweise eine Glasscheibe, auf, die mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Frontelektrodenschicht 3 versehen ist. Auf die Frontelektrodenschicht 3 ist eine Silizium-Schicht 4 mit einer p-leitenden Schicht p, einer intrinsischen Schicht i und einer n-leitenden Schicht n durch PECVD abgeschieden, die zusammen eine p-i-n Teilzelle bilden.
  • Die p-leitende Schicht ist dabei auf der Lichteinfallseite (hν) angeordnet. Statt einer p-i-n Teilzelle kann die Siliziumschicht auch aus zwei oder mehr p-i-n Teilzellen bestehen.
  • Die p-leitende Schicht p kann z. B. aus amorphem oder mikrokristallinem Silizium bestehen und eine Schichtdicke von z. B. 8 nm aufweisen. Die intrinsische Schicht i besteht vorzugsweise aus amorphem Silizium und weist eine Schichtdicke von beispielsweise 100–400 nm auf. Die n-leitende Schicht n kann ebenfalls aus amorphen Silizium bestehen, jedoch auch aus einer unlegierten amorphen Siliziumteilschicht an der Lichteinfallsseite (hv) und einer mit Kohlenstoff oder Sauerstoff legierten amorphen Siliziumteilschicht bestehen. Die Schichtdicke der n-leitenden Schicht n kann z. B. 26–40 nm betragen.
  • Auf die Siliziumschicht 4 ist durch Sputtern eine Rückelektrodenschicht 5 aufgebracht, die aus einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht 6 an der Lichteinfallseite (hν), einer lichtreflektierenden Metallschicht 7 und einer die Kontaktierbarkeit verbessernden Metallschicht 8 auf der Metallschicht 7 besteht.
  • Beispiel 1 (Vergleich):
  • Es wurde eine Silizium-Solarzelle gemäß 1 hergestellt, in dem durch PECVD in einem elektrischen Wechselfeld (Frequenz 13,56 MHz) die Siliziumschicht 4 auf einer mit einer Frontelektrodenschicht 3 versehenen Glasplatte 2 abgeschieden wird. Die Schichtdicke der mit Kohlenstoff legierten, mit Bor dotierten amorphen g-leitenden Schicht p beträgt 8 nm, der mit Kohlenstoff legierten, mit Phosphor dotierten, amorphen n-leitenden Schicht n 15 nm und der amorphen intrinsischen Schicht i 300 nm.
  • Auf die Siliziumschicht 4 wird durch Sputtern die Rückelektrodenschicht 5 aufgebracht, die aus einer 100 nm dicken Zwischenschicht 6 aus Zinn-dotiertem Indium (ITO), einer 200 nm dicken Reflektorschicht 7 aus Silber und einer Kontaktschicht 8 aus Nickel besteht.
  • Die so hergestellte Solarzelle wird nach dem Sputtern der Rückelektrodenschicht bei 160°C 20 Minuten getempert.
  • Gemäß 2 beträgt der Füllfaktor der Solarzelle nach dem Sputtern lediglich 64%. Erst durch den Temper-Schritt kann er auf akzeptable 73,5% gesteigert werden (3).
  • Beispiel 2:
  • Das Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass eine Siliziumschicht 4 mit einer n-leitenden Schicht n mit einer Schichtdicke von 30 nm aufgebracht wurde.
  • Wie aus 4 ersichtlich, weist die Solarzelle bereits nach dem Sputtern einen hohen Füllfaktor von 72% auf, der sich durch 20 Minuten Tempern bei 160° nur noch geringfügig auf 75% steigern lässt (5). Auf den Temperschritt kann daher gegebenenfalls verzichtet werden.

Claims (8)

  1. Silizium-Solarzelle mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Frontelektrodenschicht (3) auf einem transparenten Substrat (2), einer elektrisch leitfähigen, lichtreflektierenden und durch physikalische Dampfabscheidung aufgebrachten Rückelektrodenschicht (5) und einer Siliziumschicht (4) zwischen der Frontelektrodenschicht (3) und der Rückelektrodenschicht (5), die aus wenigstens einer Teilzelle besteht, wobei die Siliziumschicht (4) eine der Frontelektrodenschicht (3) zugewandte p-leitende Schicht (p), eine intrinsische Schicht (i) und eine mit der Rückelektrodenschicht (5) in Kontakt stehende n-leitende Schicht (n) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der mit der Rückelektrodenschicht (5) in Kontakt stehenden n-leitenden Schicht (n) mehr als 25 nm beträgt.
  2. Silizium-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Rückelektrodenschicht (5) in Kontakt stehende n-leitende Schicht (n) aus armophem oder mikro- oder nanokristallinem Silizium besteht.
  3. Silizium-Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Rückelektrodenschicht (5) in Kontakt stehende n-leitende Schicht (n) aus einer unlegierten Silizium-Teilschicht und einer mit Kohlenstoff oder Sauerstoff legierten Silizium-Teilschicht besteht. Silizium-Solarzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unlegierte und/oder die legierte Teilschicht aus amorphem Silizium besteht.
  4. Silizium-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der p-leitenden Schicht (p) der wenigstens einen Teilzelle 6 bis 15 nm beträgt.
  5. Silizium-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht (4) aus wenigstens zwei Teilzellen besteht und die Dicke der n-leitenden Schicht der nicht mit der Rückelektrodenschicht (5) in Kontakt stehenden Teilzelle(n) weniger als 20 nm beträgt.
  6. Silizium-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch physikalische Dampfabscheidung aufgebrachte Rückelektrodenschicht (5) durch Sputtern aufgebracht ist.
  7. Silizium-Solarzelle nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückelektrodenschicht (5) eine elektrisch leitfähige, mit der n-leitenden Schicht (n) in Kontakt stehende Zwischenschicht (6) und eine lichtreflektierende Metallschicht (7) aufweist.
  8. Silizium-Solarzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtreflektierende Metallschicht (7) zur Verbesserung der Kontaktierbarkeit mit einer weiteren Metallschicht (8) versehen ist.
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