DE102011081983A1 - Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Solarzelle mit einem hohen Konvertierungswirkungsgrad durch Erhöhen der Leerlaufspannung bereitgestellt. Bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle ist ein Halbleiter A mit einem Halbleiter B, der einen Leitungstyp unterschiedlich zu einem Leitungstyp des Halbleiters A hat, und mit einer Elektronenaffinität a2, die größer als eine Elektronenaffinität a1 des Halbleiters A ist, verbunden und die Kristallgitter des Halbleiters A und des Halbleiters B sind jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis von weniger als 1% angepasst. Weiter werden bei einem Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle, bei dem ein Halbleiter A auf einen Halbleiter B von einem Leitungstyp, der verschieden zu einem Leitungstyp des Halbleiters A ist, und mit einer Elektronenaffinität a2, die größer als eine Elektronenaffinität a1 des Halbleiters A ist, verbunden wird, die Kristallgitter des Halbleiters A und des Halbleiters B jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis von weniger als 1% angepasst und der Halbleiter A aus einem p-Typ-Silizium mit einer auf dessen Oberfläche ausgebildeten p-Typ-Germaniumschicht hergestellt und eine n-Typ-GaP nach Entfernen eines Oxid-Dünnschicht durch Entfernen der Germaniumschicht gebildet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Solarzelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
  • Sonnenlicht hat eine breite Spektralverteilung, die sich vom Nahinfrarotlicht bis zum Ultraviolettlicht mit ihrem Strahlungsdichtespitzenwert in der Nähe des grünen Lichtbands erstreckt. Es ist bekannt, dass für eine Solarzelle mit einem hohen Wirkungsgrad die Bandlücke eines Halbleiters bevorzugt innerhalb eines Spitzenwertbandes des Sonnenlichtspektrums liegt.
  • Bei einem Halbleiter mit einer Bandlücke größer als die des grünen Lichts ist es unwahrscheinlich, dass Ladungsträger, die durch Photoanregung erzeugt wurden, rekombinieren, wodurch sich die Leerlaufspannung auf leichte Weise erhöhen und damit die Betriebsspannung zum Erreichen maximaler Ausgangsleistung erhöhen lässt. Es ist bekannt, dass Halbleiter, die eine Bandlücke größer als Silizium haben, zum Beispiel ein Halbleiter wie GaAs, verwendet werden, um eine Solarzelle mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
  • Andererseits wird als Halbleitermaterial zum Herstellen einer Solarzelle in großem Umfang Silizium verwendet, während Germanium, das ähnlich wie Silizium ein einzelnes Halbleiterelement der Gruppe IV ist, nicht so häufig verwendet wird. Einer der Gründe liegt darin, dass die Bandlücke von Germanium 0,65 eV beträgt und die Leerlaufspannung einer Germanium-Solarzelle mit einer p-n-Grenzschicht bzw. p-n-Sperrschicht kleiner als 0,27 V ist, was es schwer macht, eine Solarzelle mit einer hohen Ausgangsleistung herzustellen.
  • Andererseits beträgt die Bandlücke von Silizium 1,1 eV und eine Silizium-Solarzelle mit einer p-n-Grenzschicht hat eine Leerlaufspannung von 0,6 bis 0,65 V.
  • Demzufolge ist bei einem Halbleiter mit einer schmalen Bandlücke wie Germanium die Wahrscheinlichkeit groß, dass Elektronen und Löcher, die durch Photoanregung erzeugt wurden, miteinander rekombinieren und dadurch den Rückwärts-Sättigungsstrom erhöhen, der durch die p-n-Grenzschicht zum Bereitstellen der Solarzelleneigenschaft fließt, was wiederum die Leerlaufspannung reduziert. Wenn jedoch ein Germanium-Halbleiter mit einer schmalen Bandlücke verwendet wird, kann ein breites Band, das sich vom langwelligen Band, in dem Sonnenlicht von Silizium nicht absorbiert werden kann, zum kurzwelligen Band erstreckt, genutzt werden, so dass sich ein großer Kurzschlussstrom erzielen lässt.
  • Um eine Solarzelle, wie oben beschrieben, mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es bevorzugt, für einen großen Kurzschlussstrom einen Halbleiter zu verwenden, der eine schmale Bandlücke hat, während es bevorzugt ist, für eine große Leerlaufspannung einen Halbleiter zu verwenden, der eine große Bandlücke hat. Deshalb kann unter diesen zueinander widersprüchlichen Phänomenen eine Solarzelle mit einer Mehrfach-Grenzschicht das technische Problem, einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, erfolgreich lösen.
  • Als ein Verfahren zur effizienten Konvertierung von Sonnenlicht in elektrische Energie in mehreren Unterbändern, die Teile des Wellenlängenband des Sonnenlichtspektrums sind, wird eine Mehrfach-Grenzschicht-Solarzelle hergestellt. Die Mehrfach-Grenzschicht-Solarzelle hat einen Stapelaufbau, der durch die p-n-Grenzschicht(en) von verschiedenen Halbleiterarten gebildet wird, d. h., Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken. Um die Anzahl der Mehrfach-Grenzschichten zu erhöhen, ist eine Kombination von Halbleitern bevorzugt, deren Kristallgitter aneinander angepasst ist.
  • Zur Zeit wird eine typische Mehrfach-Grenzschicht-Solarzelle durch Tunneln einer p-n-Grenzschicht-Germanium-Solarzelle, einer p-n-Grenzschicht-InGaAs-Solarzelle bzw. einer p-n-Grenzschicht-InGaAs-Solarzelle gebildet. Der Stapelaufbau wird epitaktisch auf dem Germanium-Substrat der Reihe nach durch das MOCVD-Verfahren aufgewachsen. Dementsprechend erfordert das Herstellen der Mehrfachgrenzschicht-Solarzelle wiederholtes hochgradiges Halbleiterwachsen bei hohen Kosten.
  • Wenn eine Solarzelle unter Verwendung eines Halbleiters mit einer schmalen Bandlücke, wie beispielsweise Germanium, hergestellt wird, verursachen, falls die p-n-Grenzschicht beispielsweise durch ein üblicherweise verwendetes Diffusionsverfahren, das in 3 gezeigt ist, gebildet wird, Oberflächenzustands- und Kristalldefekte, die von den Kristallstrukturunstetigkeiten an der Oberfläche herrühren, dass Elektronen (05) und Löcher (06), die durch Lichteinstrahlung angeregt wurden, zu einem n-Typ Halbleiter (07) bzw. zu einem p-Typ Halbleiter (08) hin diffundieren. Danach wird jedoch Rekombination von Elektronen (05) und Löchern (06) gefördert und dadurch erhöht sich der Rückwärts-Sättigungsstrom. Im Ergebnis kann die Leerlaufspannung nicht erhöht werden.
  • Bekanntlich kann die Oberflächenzustandsdichte durch Ausbilden einer Fensterschicht unter Verwendung verschiedener Halbleiterarten reduziert werden. Wenn verschiedene Halbleiterarten ausgebildet werden, besteht ein Problem darin, dass Auswahl und Kombination solcher Halbleiter aufgrund der erheblichen Belastung, die auf eine Grenzschicht dazwischen wirkt, die wahrscheinlich Kristallgitterdefekte an der Grenzschicht verursacht, begrenzt sind. Da aufgrund der Bandunstetigkeit, die durch das Ausbilden einer Hetero-Grenzschicht verursacht werden, Barrieren geschaffen werden, besteht ein Problem darin, das photoerregte Ladungsträger stehen bleiben und zunehmend rekombinieren. Folglich finden Hetero-Grenzschicht-Solarzellen aufgrund ihrer Herstellungsschwierigkeit keine weite Verwendung.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle ein Halbleiter A mit einem Halbleiter B von einem Leitungstyp unterschiedlich zu einem Leitungstyp des Halbleiters A und mit einer Elektronenaffinität a2, die größer als eine Elektronenaffinität a1 des Halbleiters A ist, verbunden und die Kristallgitter des Halbleiters A und des Halbleiters B werden jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis bzw. einer relativen Gitterfehlanpassung von weniger als 1% angepasst.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Halbleiter A ein Halbleiter der Gruppe IV und der Halbleiter B ein Mischhalbleiter der Gruppe III-V.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Halbleiter A ein p-Typ-Halbleiter mit indirektem Übergang, und der Halbleiter B ein n-Typ-Halbleiter mit direktem Übergang.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Halbleiter A aus einem p-Typ-Germanium hergestellt, und der Halbleiter B ist aus einem n-Typ-InGaP hergestellt.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Zusammensetzungsverhältnis bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle 49% In und 51% Ga.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle die Löcher-Ladungsträgerkonzentration des p-Typ-Germaniums auf 1018cm–3 festgelegt.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Halbleiter A aus einem p-Typ-Silizium hergestellt, und der Halbleiter B ist ein Mischkristall, der n-Typ-GaP als Primärbestandteil aufweist.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Stickstoff-Dotierungsgrad beim GaP 0,2% und die Kristallgitter des GaP und Si sind jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis bzw. einer relativen Gitterfehlanpassung von weniger als 0,1% angepasst.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Halbleiter A ein p-Typ-Mischkristall, der Silizium und Germanium aufweist, und der Halbleiter B ist ein Mischkristall aus n-Typ-Mischhalbleitern.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Halbleiter A durch ein p-Typ-Siliziumcarbid mit n-Typ-AlN, das auf dessen Oberfläche ausgebildet ist, gebildet.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Halbleiter A aus einem p-Typ-Silizium mit einer p-Typ-Germaniumschicht, die auf dessen Oberfläche gebildet ist, hergestellt, und ein n-Typ-GaP ist darauf nach Entfernen einer Oxidschicht durch Entfernen der Germaniumschicht darauf ausgebildet.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle, bei dem ein Halbleiter A mit einem Halbleiter B von einem Leitungstyp, der unterschiedlich zu einem Leitungstyp des Halbleiters A ist, und mit einer Elektronenaffinität, die größer als eine Elektronenaffinität des Halbleiters A ist, verbunden und die Kristallgitter des Halbleiters A und des Halbleiters B jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis bzw. einer relativen Gitterfehlanpassung von weniger als 1% angepasst werden, der Halbleiter A aus einem p-Typ-Silizium mit einer p-Typ-Germaniumschicht, die auf der Oberfläche davon gebildet ist, hergestellt und ein n-Typ-GaP nach Entfernen einer Oxid-Dünnschicht durch Entfernen der Germaniumschicht ausgebildet.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Halbleiter A aus einem p-Typ-Silizium hergestellt und der Halbleiter B ist ein Mischkristall, der ein n-Typ-GaP als einen Primärbestandteil aufweist.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt bei einem Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Stickstoff-Dotierungsgrad beim GaP 0,2% und die Kristallgitter des GaP und des Si werden jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis bzw. einer relativen Gitterfehlanpassung von weniger als 0,1% angepasst.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle ein Halbleiter A durch ein p-Typ-Siliziumcarbid gebildet, bei dem ein n-Typ-AlN auf dessen Oberfläche ausgebildet wird.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle der Halbleiter A aus einem p-Typ Silizium mit einer p-Typ-Germaniumschicht hergestellt, die auf dessen Oberfläche gebildet ist, und ein n-Typ-GaP wird nach Entfernen einer Oxid-Dünnschicht durch Entfernen der Germaniumschicht gebildet.
  • 1 ist ein Diagramm, das das Prinzip einer Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Störstellen an einer Grenzschicht (9) der Hetero-Grenzschicht führen zu einer Struktur, bei der Minoritätsladungsträger, die durch Einstrahlung von Sonnenlicht erzeugt wurden, zu einem Bereich gelangen können, in dem die jeweiligen Minoritätsladungsträger zu Majoritätsladungsträgern gehören, um so ein Rekombinieren der Minoritätsladungsträger zu minimieren und ein Rekombinieren der photoerregten Ladungsträger zu unterdrücken und dadurch eine Erhöhung des Rückwärts-Sättigungsstroms zu verhindern. In diesem Fall ist ein n-Typ-Halbleiter (02), der eine große Elektronenaffinität und eine breite verbotene Bandlücke hat, auf einem p-Typ-Halbleitersubstrat (01), das eine kleine Elektronenaffinität hat, gestapelt bzw. geschichtet. Eine negative Elektrode (03) ist auf dem n-Typ-Halbleitersubstrat (02) angeordnet, und eine positive Elektrode (04) ist auf dem p-Typ-Halbleitersubstrat (01) angeordnet. Die negative Elektrode (03) und die positive Elektrode (04) werden auf der n-Typ-Halbleiterschicht (02) bzw. der p-Typ-Halbleiterschicht gebildet. Durch Anpassen eines solchen Aufbaus wird eine unmittelbare Bewegung von Löchern gefördert und das Auftreten von Rekombination verhindert, so dass das Problem gelöst werden kann.
  • Ein Diagramm, das das Prinzip einer Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung weiter veranschaulicht, ist in 2 gezeigt.
  • Eine Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist eingerichtet, photoerregte Ladungsträger, insbesondere Löcher, unmittelbar zu bewegen. Ein Halbleiter eines anderen Typs wird auf einem der Halbleiter so angeordnet, dass Löcher, die eine große effektive Masse besitzen, aufgrund der Bandunstetigkeit unmittelbar bewegt werden können.
  • Demgemäß wird ein Halbleiter, der eine große Bandlücke und eine große Elektronenaffinität hat, auf der Oberfläche ausgebildet, um eine hohe elektrische potentielle Energie bereit zu stellen. Insbesondere im Fall eines Halbleiters aus einem einzigen Element, wie beispielsweise Silizium und Germanium, wird ein Halbleiter, der eine große Elektronenaffinität hat, auf einer Fensterschicht angeordnet, um Löcher, die eine besonders niedrige Beweglichkeit besitzen, zu unmittelbar zu einer p-Typ-Halbleiterschicht zu transportieren, in der das Loch ein Majoritätsladungsträger ist, indem die Unstetigkeit des elektrischen Potentials genutzt wird, um ein Rekombinieren zu unterdrücken.
  • Mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann eine Solarzelle, die einen Halbleiter verwendet, der eine schmale Bandlücke hat, ein Rekombinieren von photoerregten Ladungsträgern verhindern und dadurch eine große Leerlaufspannung erreichen. Die Leerlaufspannung herkömmlicher p-n-Grenzschicht-Solarzellen beträgt 0,27 V, während die Leerlaufspannung einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung 0,55 bis 0,71 V beträgt. Eine Solarzelle, die einen hohen Konvertierungswirkungsgrad hat, kann durch Erhöhen der Leerlaufspannung erhalten werden.
  • Außerdem beträgt die Leerlaufspannung von herkömmlichen p-n-Grenzschicht-Silizium-Solarzellen 0,6 bis 0,65 V, während die Leerlaufspannung einer Silizium-Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung 0,8 bis 0,9 V beträgt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun im Einzelnen basierend auf den folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 ein grundlegendes Veranschaulichungsdiagramm einer Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 ein grundlegendes Veranschaulichungsdiagramm einer Solarzelle gemäß der vorliegende Erfindung ist;
  • 3 ein Diagramm ist, das das Prinzip einer herkömmlichen n-p-Grenzschicht-Solarzelle veranschaulicht;
  • 4 eine Querschnittansicht einer n-Typ-InGaP/p-Typ-Ge-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 5 eine Querschnittansicht einer n-Typ-InGaP/p-Typ-Ge//n-Typ-InGaAs/p-Typ-InGaAs//p-Typ-InGaP/n-Typ-InGaP-Drei-Grenzschicht-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 6 eine Querschnittansicht einer n-Typ-GaP/p-Typ-Si-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 7 eine Querschnittansicht einer n-Typ-AlN/p-Typ-SiC-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Ein Germaniumsubstrat (10) wurde aus einem p-Typ-Germanium mit der Orientierung 100, einer Dicke von 200 μm und der Löcher-Ladungsträgerdichte-Konzentration, die auf 1018cm–3 festgelegt ist, hergestellt. Das Substrat (10) wurde zuvor sorgfältig mit Säure, wie z. B. HF gereinigt. Danach wurde eine n-Typ-InGaP-Schicht (11) als eine n-Typ-Halbleiterschicht durch das MOCVD-Verfahren (Metallorganisches Dampfphasen-Epitaxie-Wachsverfahren) bei 550°C gebildet. Eine Dünnschichtdicke beträgt 0,1 μm. Um Spannung aufgrund der Kristallgitterunordnung zu reduzieren, wurde das Zusammensetzungsverhältnis von In und Ga auf 49% bzw. 51% eingestellt. Die negative Elektrode (03) wurde aus Ag hergestellt, und die positive Elektrode (04) wurde aus Al hergestellt. Ein anti-Reflexionsdünnschicht (12) wurde auf der n-Typ-Halbleiterschicht (11) gebildet. (13) stellt eine negative Elektrode und (14) eine p-Typ-Schicht mit hoher Konzentration dar.
  • Eine Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen Strom-Spannungs-Verlauf mit der Leerlaufspannung von 0,705 V, dem Sättigungsstrom von 26 mA/cm–2 und dem Füllfaktor von 0,75. Die Leerlaufspannung einer Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt 0,7 V, was viel höher als die Bandlücke eines Gruppe V-Germanium ist.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Eine Hetero-Grenzschicht-Solarzelle hat einen p-n-Grenzschichtaufbau durch Stapeln bzw. Schichten eines p-Typ-Germaniumsubstrats (26), einer n-Typ-In-GaP-Schicht (25), einer Homo-Grenzschicht aus einer p-Typ-InGaAs-Schicht (24), einer n-Typ-InGaAs-Schicht (23), einer Homo-Grenzschicht aus einer p-Typ-InGaP (22) und einer n-Typ-InGaP-Schicht (21), in dieser Reihenfolge. Die jeweiligen Homogrenzschicht-Solarzellen wurden durch die Tunnelgrenzschicht miteinander verbunden. Zusätzlich wurde eine Anti-Reflexionsschicht (12) und eine ohmsche Elektrode (27) darauf vorgesehen.
  • Verglichen mit der Leerlaufspannung von 2,9 V, die durch eine Drei-Grenzschicht-Solarzelle, die Ge, InGaAs und InGaP aufweist, bereitgestellt wird, stellt eine Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung, die Ge/InGaP, InGaAs und InGaP aufweist, die Leerlaufspannung von 3,3 V, die um 0,4 V größer ist, bereit.
  • Drittes Ausführungsbeispiel
  • 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 6 gezeigt, wurde ein n-Typ-GaP (32) (Stickstoff-dotiert) auf einem p-Typ-Siliziumsubstrat (31) aufgewachsen. Der Stickstoff-Dotierungsgrad im GaP beträgt 0,2% und die Kristallgitter des GaP und Si wurden jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis bzw. einer relativen Gitterfehlanpassung von weniger als 0,1% angepasst. Die Aufwachstemperatur betrug 600°C und es wurde das Flüssigphasen-Aufwachsverfahren verwendet. Eine negative Elektrode (03) wurde aus Ag hergestellt, und eine positive Elektrode (04) wurde aus Al hergestellt. Eine AlN-Dünnschicht wurde als eine Anti-Reflexionsschicht (30) vorgesehen, und eine hochkonzentrierte SiC-Schicht (33) wurde auf der Rückoberfläche des p-Typ-Siliziums (31) ausgebildet.
  • Die Leerlaufspannung einer Solarzelle, die auf diese Weise hergestellt wurde, beträgt 1,1 V. Andererseits beträgt die Leerlaufspannung einer n-p-Typ-Homo-Grenzschicht-Solarzelle, die durch Diffundieren von Phosphor als Verunreinigung hergestellt wird, 0,62 V.
  • Hier wurde das Flüssigphasen-Aufwachsverfahren verwendet. Jedoch ist das Verfahren nicht auf das Flüssigphasen-Aufwachsverfahren beschränkt und es können auch das Dampfabscheidungsverfahren, Flüssigphasen-Aufwachsverfahren, Molekularstrahlepitaxie-Aufwachsverfahren oder Ähnliches verwendet werden.
  • Viertes Ausführungsbeispiel
  • 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In 7 wurde ein n-Typ-AlxN (42) auf einem p-Typ-SiC-Substrat (41), das eine kubischen Aufbau hat, ausgebildet. Ein p-Typ-SiC hat eine Ladungsträgerkonzentration von 1016cm–3 und eine Bandlücke von 2,2 eV. Ein n-Typ-AlN hat eine Ladungsträgerkonzentration von 1018cm–3 und eine Dicke von 0,1 μm. Eine AlxN wird bei dem Dampfabscheidungsverfahren bei einer Wachstemperatur von 1100°C gebildet. Eine negative Elektrode (03) wurde aus Al und eine positive Elektrode (04) aus Ag hergestellt. Eine AlN-Dünnschicht wurde als eine Anti-Reflexionsdünnschicht (30) vorgesehen. (33) stellt eine SiC-Schicht mit hoher Konzentration dar.
  • Die Leerlaufspannung der Solarzelle beträgt 2 V. Ähnlich beträgt die Leerlaufspannung einer n-p-Homo-Grenzschicht-SiC-Solarzelle, die durch Diffundieren von Phosphor bei 1000°C hergestellt würde, z. B. 1,5 V.
  • Es wird eine Solarzelle mit einem hohen Konvertierungswirkungsgrad durch Erhöhen der Leerlaufspannung bereitgestellt. Bei einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle ist ein Halbleiter A mit einem Halbleiter B, der einen Leitungstyp unterschiedlich zu einem Leitungstyp des Halbleiters A hat, und mit einer Elektronenaffinität a2, die größer als eine Elektronenaffinität a1 des Halbleiters A ist, verbunden und die Kristallgitter des Halbleiters A und des Halbleiters B sind jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis von weniger als 1% angepasst. Weiter werden bei einem Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle, bei dem ein Halbleiter A auf einen Halbleiter B von einem Leitungstyp, der verschieden zu einem Leitungstyp des Halbleiters A ist, und mit einer Elektronenaffinität a2, die größer als eine Elektronenaffinität a1 des Halbleiters A ist, verbunden wird, die Kristallgitter des Halbleiters A und des Halbleiters B jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis von weniger als 1% angepasst und der Halbleiter A aus einem p-Typ-Silizium mit einer auf dessen Oberfläche ausgebildeten p-Typ-Germaniumschicht hergestellt und eine n-Typ-GaP nach Entfernen eines Oxid-Dünnschicht durch Entfernen der Germaniumschicht gebildet.
  • Mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann eine Solarzelle, die einen Halbleiter verwendet, der eine schmale Bandlücke hat, ein Rekombinieren von photoerregten Ladungsträgern verhindern und dadurch eine hohe Leerlaufspannung erreichen. Die Leerlaufspannung von herkömmlichen p-n-Grenzschicht-Solarzellen beträgt 0,27 V, während die Leerlaufspannung einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung 0,55 bis 0,71 V beträgt. So kann eine Solarzelle, die einen hohen Konvertierungswirkungsgrad hat, durch Erhöhen der Leerlaufspannung erzielt werden.

Claims (16)

  1. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle, wobei ein Halbleiter A mit einen Halbleiter B von einem Leitungstyp, der unterschiedlich zu einem Leitungstyp des Halbleiters A ist, und mit einer Elektronenaffinität a2, die größer als eine Elektronenaffinität a1 des Halbleiters A ist, verbunden ist, wobei die Kristallgitter der Halbleiter A und der Halbleiter B jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis von weniger als 1% angepasst sind.
  2. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter A ein Halbleiter der Gruppe IV ist und der Halbleiter B ein Mischhalbleiter der Gruppe III-V ist.
  3. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter A ein p-Typ-Halbleiter mit indirektem Übergang ist und der Halbleiter B ein n-Typ-Halbleiter mit direktem Übergang ist.
  4. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter A aus einem p-Typ-Germanium hergestellt ist und der Halbleiter B aus einem n-Typ-InGaP hergestellt ist.
  5. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 4, wobei das Zusammensetzungsverhältnis 49% In und 51% Ga beträgt.
  6. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 4, wobei die Löcher-Ladungsträgerkonzentration des p-TypGermaniums auf 1018cm–3 festgelegt ist.
  7. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter A aus einem p-Typ-Silizium hergestellt ist, und der Halbleiter B ein Mischkristall ist, der aus einem n-Typ-GaP als Primärbestandteil hergestellt ist.
  8. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 7, wobei der Stickstoff-Dotierungsgrad im GaP 2% beträgt und die Kristallgitter des GaP und des Si jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis von weniger als 0,1% angepasst sind.
  9. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter A aus einem p-Typ-Mischkristall, der Silizium und Germanium aufweist, hergestellt ist, und der Halbleiter B aus einem Mischkristall eines n-Typ-Mischhalbleiters hergestellt ist.
  10. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter A durch ein p-Typ-Siliziumcarbid mit einer auf dessen Oberfläche gebildeten n-Typ-AlN gebildet ist.
  11. Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter A aus einem p-Typ-Silizium mit einer p-Typ-Germaniumschicht, die auf dessen Oberfläche gebildet ist, hergestellt ist, und eine n-Typ-GaP nach Entfernen einer Oxidschicht durch Entfernen der Germaniumschicht gebildet ist.
  12. Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle, bei dem ein Halbleiter A mit einen Halbleiter B von einem Leitungstyp, der verschieden zu einem Leitungstyp des Halbleiters A ist, und mit einer Elektronenaffinität a2, die größer als eine Elektronenaffinität a1 des Halbleiters A ist, verbunden wird und die Kristallgitter des Halbleiters A und des Halbleiters B jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis von weniger als 1% angepasst werden, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Herstellen des Halbleiters A aus einem p-Typ-Silizium mit einer p-Typ-Germaniumschicht, die auf dessen Oberfläche gebildet wird; und Bilden eines n-Typ-GaP nach Entfernen einer Oxid-Dünnschicht durch Entfernen der Germaniumschicht.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 12, wobei der Halbleiter A aus einem p-Typ-Silizium hergestellt wird, und der Halbleiter B ein Mischkristall ist, der aus einem n-Typ-GaP als einem Primärbestandteil hergestellt wird.
  14. Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 13, wobei der Stickstoff-Dotierungsgrad im GaP 0,2% beträgt und die Kristallgitter des GaP und des Si jeweils aneinander mit einem Fehlanpassungsverhältnis von weniger als 0,1% angepasst werden.
  15. Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 12, wobei der Halbleiter A aus einem p-Typ-Siliziumcarbid mit einer n-Typ-AlN, die auf dessen Oberfläche gebildet wurde, hergestellt wird.
  16. Verfahren zum Herstellen einer Hetero-Grenzschicht-Solarzelle gemäß Anspruch 12, wobei der Halbleiter A aus einem p-Typ-Silizium mit einer p-Typ-Germaniumschicht, die auf dessen Oberfläche gebildet wurde, hergestellt wird, und eine n-Typ-GaP nach Entfernen einer Oxidschicht durch Entfernen der Germaniumschicht gebildet wird.
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