DE102012211296A1 - Verbesserungen der Leistung von III/V-Heteroübergangs-Solarzellen - Google Patents

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Abstract

Es wird eine InxGa1-xAs-Zwischenschicht zwischen einer III/V-Basis und einer eigenleitenden amorphen Halbleiterschicht einer III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur bereitgestellt. Durch den Einbau der Zwischenschicht in die Struktur kann eine verbesserte Oberflächenpassivierung und Leerlautspannung erhalten werden.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die physikalischen Wissenschaften und insbesondere das Gebiet der Heteroübergangs-Solarzellen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • III/V-Halbleitermaterialien mit direkter Bandlücke weisen starke Absorptionseigenschaften auf, und es ist herausgefunden worden, dass sie für hocheffiziente Solarzellenanwendungen geeignet sind, insbesondere für mobile Anwendungen. Geringe Dicken dieser Materialien in der Größenordnung von einigen Mikrometern sind ausreichend, um einen großen Teil des Spektrums des Sonnenlichts zu absorbieren. Herkömmliche Techniken zur Herstellung von hocheffizienten III/V-Solarzellen können das epitaxiale Aufwachsen von relativ komplizierten Strukturen unter Anwendung von Systemen der MOCVD (metallorganischen chemischen Abscheidung aus der Gasphase) und der MBE (Molekularstrahlepitaxie) umfassen. Trotz der hohen Effizienz epitaxial aufgewachsener III/V-Solarzellen machen die hohen Kosten der Epitaxie die Herstellung preislich konkurrenzfähiger III/V-Solarzellen für terrestrische Anwendungen schwierig.
  • GaAs weist eine relativ breite Energielücke (1,4 eV) und dadurch eine hohe Leerlaufspannung auf. Solche Eigenschaften machen es für Einfachübergangs-Solarzellen geeignet. GaAs weist ferner eine hohe Absorption des Spektrums des Sonnenlichts auf, welche in einen hohen Kurzschlussstrom umgewandelt werden kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt im Grundsatz eine III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur bereit, welche eine Zwischenschicht umfasst, die wirksam den Beitrag der Oberflächenrekombination zum Dunkelstrom innerhalb der Struktur verringert und die Leerlaufspannung verbessert. Ferner werden Techniken zur Herstellung einer solchen Struktur bereitgestellt. Gemäß einer ersten Erscheinungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, welches das Erhalten einer Basisschicht eines ersten Dotierungstyps, die eines aus Galliumarsenid und InyGa1-yAs mit y < x umfasst, das Bilden einer epitaxialen InxGa1-xAs-Schicht des ersten Dotierungstyps mit 0,01 < x < 1 auf der Basisschicht, das Bilden einer eigenleitenden hydrierten amorphen Silicium-Halbleiterschicht auf der epitaxialen InxGa1-xAs-Schicht und das Bilden einer dotierten amorphen hydrierten Siliciumschicht auf der eigenleitenden Halbleiterschicht umfasst. Das Verfahren kann ferner das Bilden einer transparenten leitfähigen Schicht auf der amorphen hydrierten Siliciumschicht umfassen. Die eigenleitende Halbleiterschicht kann Germanium- und Kohlenstoffatome enthalten und kann aus mehreren eigenleitenden Halbleiterschichten bestehen, von denen eine oder mehrere Germanium- und Kohlenstoffatome umfassen können. Bei dem Dotierungstyp der hydrierten amorphen Siliciumschicht, die auf der eigenleitenden Halbleiterschicht gebildet wird, kann es sich bei Verwendung zur Bildung eines Emitters um den entgegengesetzte Typ des Basisdotierungstyps und bei Verwendung zur Bildung eines Rückseitenfeldes (Back Surface Field, BSF) um denselben Typ wie bei der Basis handeln.
  • In einer anderen Erscheinungsform umfasst eine beispielhafte III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur eine Basisschicht, welche Galliumarsenid umfasst, eine eigenleitende Halbleiterschicht, z. B. eigenleitendes hydriertes amorphes Silicium, eine epitaxiale InxGa1-xAs-Zwischenschicht zwischen der Basisschicht und der eigenleitenden Halbleiterschicht und an diese angrenzend, wobei 0,01 < x < 1,0, eine dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht auf der eigenleitenden hydrierten amorphen Siliciumschicht und eine transparente leitfähige Schicht über der dotierten hydrierten amorphen Siliciumschicht. Die Basisschicht und die InxGa1-xAs-Zwischenschicht weisen einen ersten Dotierungstyp auf, während die dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht einen zweiten Dotierungstyp aufweist, der bei Verwendung zur Bildung des Emitters dem ersten Dotierungstyp entgegengesetzt ist. Bei Verwendung zur Bildung eines Rückseitenfeldes weist die dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht jedoch ebenfalls den ersten Dotierungstyp auf.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur, welche das Folgende umfasst:
    eine Basisschicht, welche eines aus GaAs und InyGa1-yAs mit y < x umfasst;
    eine eigenleitende Halbleiterschicht;
    eine epitaxiale InxGa1-xAs-Zwischenschicht zwischen der Basisschicht und der eigenleitenden Halbleiterschicht und an diese angrenzend, wobei 0,01 < x < 1,0, wobei die Basisschicht und die InxGa1-xAs-Zwischenschicht denselben Dotierungstyp aufweisen;
    eine dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht auf der eigenleitenden Halbleiterschicht; und
    eine transparente leitfähige Schicht auf der dotierten hydrierten amorphen Siliciumschicht.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die eigenleitende Halbleiterschicht hydriertes amorphes Silicium.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die InxGa1-xAs-Zwischenschicht eine Dicke von 5 nm bis 50 nm auf.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die InxGa1-xAs-Zwischenschicht eine Dicke von 5 nm bis 50 nm auf.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur, welche das Folgende umfasst:
    eine Basisschicht, welche Galliumarsenid umfasst;
    eine eigenleitende Halbleiterschicht;
    eine epitaxiale InxGa1-xAs-Zwischenschicht zwischen der Basisschicht und der eigenleitenden Halbleiterschicht und an diese angrenzend, wobei 0,01 < x < 1,0;
    eine dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht auf der eigenleitenden Halbleiterschicht; und
    eine transparente leitfähige Schicht über der dotierten hydrierten amorphen Siliciumschicht,
    wobei die Basisschicht und die InxGa1-xAs-Zwischenschicht einen ersten Dotierungstyp aufweisen, wobei die dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht einen zweiten Dotierungstyp aufweist, der dem ersten Dotierungstyp entgegengesetzt ist.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist 0,05 < x < 0,8.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die eigenleitende Halbleiterschicht hydriertes amorphes Silicium.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die InxGa1-xAs-Zwischenschicht eine Dicke von 5 nm bis 50 nm auf.
  • In noch einer weiteren Erscheinungsform eine III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur, welche eine Basisschicht, die eines aus Galliumarsenid und InyGa1-yAs mit y < x umfasst, eine epitaxiale InxGa1-xAs-Zwischenschicht zwischen der Basisschicht und der eigenleitenden hydrierten amorphen Siliciumschicht und an diese angrenzend umfasst, wobei 0,01 < x < 1,0. Die Basisschicht und die InxGa1-xAs-Zwischenschicht weisen denselben Dotierungstyp auf. Auf der eigenleitenden hydrierten amorphen Siliciumschicht befindet sich eine dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht, und auf der dotierten hydrierten amorphen Siliciumschicht befindet sich eine transparente leitfähige Schicht.
  • Wie hierin verwendet, umfasst das ”Erleichtern” einer Aktion das Durchführen der Aktion, das Vereinfachen der Aktion, das Helfen bei der Durchführung der Aktion oder das Bewirken, dass die Aktion durchgeführt wird. So könnten zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, Befehle, welche auf einem Prozessor ablaufen, eine Aktion erleichtern, die durch Befehle durchgeführt wird, die auf einem entfernten Prozessor ablaufen, indem geeignete Daten oder Befehle gesendet werden, um zu bewirken oder dabei zu unterstützen, dass die Aktion durchgeführt wird. Um alle Zweifel zu vermeiden, wo ein Wirkungselement eine Aktion auf andere Weise als durch die Durchführung der Aktion erleichtert, wird die Aktion dennoch durch eine Einheit oder eine Kombination von Einheiten durchgeführt.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung oder Elemente derselben können in Form eines Computerprogrammproduktes realisiert werden, welches ein materielles computerlesbares beschreibbares Speichermedium mit von Computern verwendbarem Programmcode zur Durchführung der angezeigten Verfahrensschritte umfasst. Ferner können eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung oder Elemente derselben in Form eines Systems (oder einer Vorrichtung) realisiert werden, welches (welche) einen Speicher und mindestens einen Prozessor umfasst, der mit dem Speicher verknüpft ist und so betrieben werden kann, dass er beispielhafte Verfahrensschritte durchführt. In noch einer anderen Erscheinungsform können ferner eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung oder Elemente derselben in Form von Mitteln zur Durchführung eines oder mehrerer der hierin beschriebenen Verfahrensschritte realisiert werden; die Mittel können (i) ein Hardware-Modul bzw. Hardware-Module, (ii) ein Software-Modul bzw. Software-Module oder (iii) eine Kombination von Hardware- und Software-Modulen umfassen; durch eines aus (i) bis (iii) werden die speziellen Techniken realisiert, die hierin ausgeführt sind, und die Software-Module sind auf einem materiellen computerlesbaren beschreibbaren Speichermedium (oder mehreren solchen Medien) gespeichert.
  • Durch die Techniken der vorliegenden Erfindung können bedeutende technische Vorteile erzielt werden. Zum Beispiel können eine oder mehrere Ausführungsformen einen oder mehrere der folgenden Vorteile bereitstellen:
    • • Verringerung des Beitrags der Dunkelstromkomponente aufgrund der Oberflächenrekombination am Heteroübergang;
    • • Verbesserung der Leerlaufspannung (VOC);
    • • Verringerung der Geschwindigkeit der Oberflächenrekombination (Surface Recombination Velocity, SRV) am Heteroübergang;
    • • Verbesserung der Kurzschlussstromdichte und des Füllfaktors.
  • Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen derselben ersichtlich, welche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1A und 1B zeigen Einfach- bzw. Doppel-Heteroübergangs-Solarzellenstrukturen;
  • 2 zeigt einen Abschnitt der in 1A und 1B dargestellten Strukturen;
  • 3 zeigt eine Solarzellenstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 4A und 4B sind Energiebanddiagramme, welche zwei Solarzellenstrukturen vergleichen, von denen eine eine InGaAs-Schicht umfasst;
  • 5 ist eine graphische Darstellung, welche einen Vergleich der Geschwindigkeiten der Oberflächenrekombination für Si, GaAs und InGaAs umfasst, und
  • 6 ist ein Ablaufdiagramm, welches Herstellungsschritte für eine III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstrukturen auf der Basis von a-Si:H-III/V-Heterostrukturen bieten einen Weg für eine kostengünstige, hocheffiziente PV(Photovoltaik)-Technologie, wenn sie in Verbindung mit einer Schichttransfertechnik realisiert werden. Durch die Verwendung von a-Si:H als eigenleitende Schicht (i-a:Si:H) kann die Oberflächenpassivierung von GaAs deutlich verbessert werden. Die US-Veröffentlichung 2010/0307572 mit der Bezeichnung ”Heterojunction III-V Photovoltaic Cell Fabrication”, deren Offenbarungen durch Verweis hierin einbezogen werden, beschreibt Techniken zum Bilden von Einfach- bzw. Doppel-Heteroübergangs-III/V-PV-Zellen.
  • 1A und 1B zeigen Einfach- bzw. Doppel-Heteroübergangs-Solarzellenstrukturen 10 bzw. 30, welche unter Anwendung von Techniken hergestellt werden können, die in der US-Veröffentlichung 2010/0307572 offenbart sind. Bezug nehmend auf 1A, umfasst die Struktur 10 eine Basisschicht 12, welche ein III/V-Substrat umfasst, welches n-leitend oder p-leitend sein kann. Auf der Basisschicht ist gegebenenfalls eine BSF(Rückseitenfeld)-Schicht 14 ausgebildet. Auf einer eigenleitenden amorphen Siliciumschicht 16 auf der Basisschicht 12 ist eine dotierte amorphe hydrierte Siliciumschicht 18 ausgebildet. Die dotierte amorphe hydrierte Siliciumschicht 18 kann einen Dotierungstyp aufweisen, der dem Dotierungstyp der Basisschicht entgegengesetzt ist. Über und vorzugsweise auf der amorphen Siliciumschicht 18 ist eine transparente Schicht 20 ausgebildet, z. B. transparentes leitendes Oxid (Transparent Conducting Oxide, TCO). Auf der transparenten Schicht können vordere Metallkontakte ausgebildet sein, z. B. Fingerkontakte und Sammelschienen (nicht dargestellt). Obwohl die i-a:Si:H-Schicht 16 die Oberflächenpassivierung einer GaAs-Basisschicht verbessert, führt die relativ hohe Grenzflächen-Haftstellendichte an der a-Si/GaAs-Heterogrenzfläche zu einem bedeutenden Dunkelstrom, wodurch die Leerlaufspannung herabgesetzt wird.
  • Die in 1B dargestellte Doppel-Heteroübergangsstruktur 30 umfasst zwei Grenzflächen Basis/i-a:Si:H und zwei dotierte amorphe hydrierte Siliciumschichten 18, 32. Wenn die dotierte a-Si:H-Schicht zum Bilden eines Emitters verwendet wird, ist ihr Dotierungstyp demjenigen der Basisschicht (n- oder p-leitend) entgegengesetzt. Wenn sie zum Bilden eines BSF verwendet wird, ist ihr Dotierungstyp derselbe wie in der Basisschicht. Wie oben in Bezug auf die Einfach-Heteroübergangsstruktur 10 beschrieben, begrenzt die hohe Grenzflächenzustandsdichte die Leerlaufspannung. In diesen speziellen Beispielen kann diese Spannung (VOC) im Bereich von 500 mV bis 600 mV liegen.
  • 2 zeigt eine Struktur 40, welche einen Abschnitt der in 1A und 1B dargestellten Strukturen 10, 30 umfasst und zum Zweck des Vergleichs mit der in 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt ist. 3 zeigt einen entsprechenden Abschnitt einer Solarzellenstruktur 50 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, welche einen Teil einer Einfach- oder Doppel-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur umfassen kann. Die Struktur 50 der 3 umfasst eine epitaxiale InxGa1-xAs-Zwischenschicht 52, wie sie weiter unten beschrieben ist. Diese Zwischenschicht 52 ist auf der Basisschicht ausgebildet. Eine solche Zwischenschicht hilft dabei, den Beitrag einer Dunkelstromkomponente aufgrund der Oberflächenrekombination am Heteroübergang zu verringern, und verbessert VOC.
  • Die Struktur 50 der in 3 dargestellten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst eine InxGa1-xAs-Zwischenschicht 52, welche die Solarzelleneffizienz erleichtert. Die InxGa1-xAs-Zwischenschicht kann unter Anwendung herkömmlicher Verfahren der chemischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD), z. B. der metallorganischen CVD (MOCVD), oder der Molekularstrahlepitaxie (MBE) epitaxial aufwachsen. Der Bereich für x ist 0,01 < x < 1, vorzugsweise 0,05 < x < 0,8. Die Zwischenschicht 52 weist vorzugsweise eine Dicke von 5 nm bis 50 nm auf. In der beispielhaften Ausführungsform der 3 beträgt sie 5 nm bis 20 nm. Der Dotierungsbereich für die InxGa1-xAs-Zwischenschicht beträgt 1 × 1019/cm3 bis 1 × 1018/cm3 und kann sich von dem der Basisschicht 12 unterscheiden.
  • Die Basisschicht 12, die in der beispielhaften Ausführungsform der 3 bereitgestellt wird, besteht aus GaAs oder InyGa1-yAs mit der InxGa1-xAs-Zwischenschicht 52, wobei y < x. Das Basis-Dotierungsniveau beträgt 1 × 1019/cm3 bis 1 × 1018/cm3. Der Dotierungstyp (n-leitend oder p-leitend) der dotierten amorphen hydrierten Siliciumschicht 18 ist demjenigen der Basisschicht und der InxGa1-xAs-Schichten entgegengesetzt, wenn sie zum Bilden eines Emitters verwendet wird, und ist derselbe, wenn sie zum Bilden des Rückseitenfeldes verwendet wird. Die Basisschicht ist in dieser beispielhaften Ausführungsform 0,2 μm bis 30 μm dick. Die Konzentration des Dotierstoffs des n-Typs in einer bestimmten Schicht bzw. in bestimmten Schichten der Struktur 50 reicht von 1016 Atome/cm3 bis 1021 Atome/cm3, wobei der Bereich von 1018 Atome/cm3 bis 1020 Atome/cm3 ein typischer Bereich ist. Die Dotiereffizienz (das Verhältnis der aktivierten Dotierstoffatome zu der Gesamtmenge an Dotierstoffatomen) liegt typischerweise im Bereich von 0,1% bis 20%, wobei jedoch auch höhere und niedrigere Dotiereffizienzen möglich sind. Die Dotiereffizienz wird durch die Erhöhung der Konzentration der Dotierstoffatome im Allgemeinen verringert. Die Konzentration des Dotierstoffs des p-Typs reicht in ähnlicher Weise von 1016 Atome/cm3 bis 1021 Atome/cm3, wobei der Bereich 1018 Atome/cm3 bis 1020 Atome/cm3 typisch ist.
  • Die transparente leitfähige Schicht 20 umfasst ein leitfähiges Material, welches in dem Bereich der elektromagnetischen Strahlung transparent ist, in welchem in der Solarzellenstruktur eine Photoerzeugung von Elektronen und Defektelektronen auftritt. Die transparente leitfähige Schicht 20 in der beispielhaften Ausführungsform der 3 kann TCOs wie Indiumzinnoxid (Indium Tin Oxide, ITO), Zinnoxid (SnO), mit Fluor dotiertes Zinnoxid (SnO2:F) oder mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al) umfassen. Alternativ können transparente leitfähige Dünnschichten, z. B. Dünnschichten auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Dünnschichten auf Graphenbasis, eingesetzt werden, um diese transparente leitfähige Schicht 20 zu bilden. Diese Beispiele sind als lediglich beispielhaft und nicht als beschränkend anzusehen. Die Dicke der transparenten leitfähigen Schicht kann in Abhängigkeit vom Typ des eingesetzten transparenten leitfähigen Materials sowie von der Technik variieren, die zum Bilden dieser Schicht angewendet wird. Typischerweise und in einer beispielhaften Ausführungsform beträgt die Dicke der transparenten leitfähigen Schicht 20 20 nm bis 500 nm. Alternativ können auch andere Dicken verwendet werden, z. B. geringere als 20 nm und/oder größere als 500 nm. Die bevorzugte Dicke der transparenten leitfähigen Schicht zum Begrenzen der Reflexion von der Si-Oberfläche auf ein Mindestmaß liegt für ein TCO im Bereich von 70 nm bis 110 nm. Dünnschichten auf Nanoröhrchen- und Graphenbasis können Dicken im Bereich von 2 nm bis 50 nm aufweisen. Die transparente leitfähige Schicht wird typischerweise unter Anwendung eines Abscheidungsverfahrens wie Sputtern oder CVD gebildet. Beispiele für CVD-Verfahren, die für eine Anzahl von Typen solcher Schichten anwendbar sind, sind APCVD, LPCVD, PECVD, MOCVD und Kombinationen derselben. Andere Techniken zum Bilden der transparenten leitfähigen Schicht 20 sind z. B. RF- und DC-Magnetron-Sputtern.
  • Die auf der InxGa1-xAs-Zwischenschicht ausgebildete eigenleitende amorphe hydrierte Silicium-Halbleiterschicht 16 weist keine Kristallstruktur mit Fernordnung auf. Diese Schicht kann als eigenleitender Halbleiter oder undotierter Halbleiter oder Halbleiter des i-Typs bezeichnet werden, bei welchem es sich um einen im Wesentlichen reinen Halbleiter ohne bedeutenden elektrisch dotierenden Fremdstoff handelt. Die Anzahl der Ladungsträger in dem eigenleitenden Halbleiter wird durch die Eigenschaften des Materials selbst bestimmt, und nicht durch die Menge der Fremdatome, d. h. Dotierstoffe. Die eigenleitende amorphe hydrierte Halbleiterschicht 16, die in der Ausführungsform der 3 bereitgestellt wird, wird unter Anwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens der physikalischen oder chemischen Abscheidung aus der Gasphase gebildet, welches geeignete Quellenmaterialien umfasst. In einer Ausführungsform wird die eigenleitende hydrierte Halbleiterschicht in einer Prozesskammer abgeschieden, welche ein Halbleiter-Vorstufen-Quellengas und ein Trägergas enthält, das Wasserstoff umfasst. Wasserstoffatome in dem Trägergas werden in das abgeschiedene Material eingebaut, um das eigenleitende hydrierte Halbleiter enthaltende Material der eigenleitenden Halbleiterschicht zu bilden. Die eigenleitende Halbleiterschicht 16 kann Germanium- und Kohlenstoffatome enthalten. Die Verteilung von Germanium und Kohlenstoff kann abgestuft oder durch die gesamte Schicht konstant sein. Bei der eigenleitenden Halbleiterschicht 16 kann es sich um eine mehrschichtige Struktur handeln, welche eine Kombination von Schichten umfasst, von denen eine oder mehrere Germanium und Kohlenstoff in abgestufter oder nicht abgestufter Form enthalten und eine oder mehrere diese Elemente nicht enthalten.
  • Die hydrierte amorphe Siliciumschicht 18 kann aus Vorstufengasen wie SiH4, SiF4 oder H2SiCl2 (DCS) gebildet werden. Die Schicht kann ”in situ” dotiert werden, indem ein Dotiergas zugegeben wird, welches in dem Gasgemisch Dotierstoffatome enthält. Die Dotierstoffatome werden in das abgeschiedene Material eingebaut, um einen hydrierten dotierten Halbleiter zu bilden. Beispiele für Dotiergase, welche Dotierstoffatome des p-Typs enthalten, sind B2H6 und B(CH3)3 (TMB). Beispiele für Dotiergase des n-Typs sind AsH3 und PH3.
  • 4A und 4B stellen theoretische Energiebanddiagramme (d. h. Leitungsband-, Valenzband- und Fermienergie) bereit, in welchen Solarzellenstrukturen mit der epitaxialen InxGa1-xAs-Zwischenschicht und ohne die epitaxiale InxGa1-xAs-Zwischenschicht verglichen werden. Es wird angenommen, dass die verbesserte Oberflächenpassivierung bei Verwendung der epitaxialen InxGa1-xAs-Zwischenschicht an der geringeren Dichte aktiver Grenzflächen-Haftstellen an der Grenzfläche i-a:Si:H/InxGa1-xAs im Vergleich zu derjenigen einer Grenzfläche i-a:Si:H/GaAs und der zusätzlichen Feldeffektpassivierung an der Grenzfläche InxGa1-xAs/GaAs aufgrund der Banddiskontinuität liegt.
  • 5 bietet einen Vergleich der SRV (Geschwindigkeit der Oberflächenrekombination) für InxGa1-xAs (speziell In0,53Ga0,47As) gg. GaAs. Es wird angenommen, dass die Verringerung der SRV an der Heterogrenzfläche bei Verwendung der epitaxialen InxGa1-xAs-Zwischenschicht der mehr zulassenden Natur des InxGa1-xAs, welches einfacher zu passivieren ist als GaAs, und der Feldeffekt-induzierten Passivierung aufgrund der Banddiskontinuität an der Grenzfläche InxGa1-xAs/GaAs zuzuschreiben ist. Vor der Abscheidung der i-a-Si:H-Schicht 16 sollte das natürlich entstandene Oxid von der Oberfläche der III/V-Schicht entfernt werden. III/V-Materialien sind in Gegenwart von Sauerstoff für eine schnelle Oxidation anfällig. Um die Bildung des natürlichen Oxids zu verhindern, sollten die Oxiddesorption und der folgende Verarbeitungsschritt, d. h. die Abscheidung von i-aSi:H, in situ unter Anwendung eines Ultrahochvakuum(UHV)-Systems erfolgen. Die Kosten der Solarzellenverarbeitung können jedoch eine Desorption des natürlich entstandenen Oxids ex situ erforderlich machen. Infolge dessen kann die Bildung einer gewissen Menge natürlichen Oxids während des Probentransfers an der Luft für die Abscheidung von i-a-Si:H unvermeidlich sein. Wenn während des Probentransfers eine gewisse Menge natürlichen Oxids gebildet wird, spielt die SRV zwischen dem III/V-Material und seinem natürlich entstandenen Oxid für den Gesamt-Dunkelstrom der Struktur eine Rolle.
  • Die hierin beschriebene Solarzellenstruktur 50 kann einen Teil einer Einfach- oder Doppel-Heteroübergangs-Zellenstruktur bilden. Im Fall einer Doppel-Heteroübergangs-Zellenstruktur wird auf beiden Seiten der Basisschicht eine InxGa1-xAs-Zwischenschicht bereitgestellt.
  • 6 ist ein Ablaufdiagramm, welches die Schritte des Bildens der Solarzellenstruktur 50 zeigt. Wie oben beschrieben, kann die Basisschicht 12 im Schritt 102 unter Anwendung einer beliebigen Schichttransfertechnik aus einem GaAs-Substrat bereitgestellt werden. Die InxGa1-xAs-Schicht wird im Schritt 104 über CVD oder MBE epitaxial auf der Basisschicht abgeschieden. Die eigenleitende Schicht wird im Schritt 106 durch ein Verfahren der physikalischen oder chemischen Abscheidung aus der Gasphase abgeschieden. Die dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht 18 kann im Schritt 108 in einem CVD-Verfahren aus Vorstufengasen gebildet werden. Die transparente leitfähige Schicht wird im Schritt 110 über ein Abscheidungsverfahren wie Sputtern oder CVD gebildet. Der Bildung der Basisschicht kann einer oder können mehrere der Schritte 104, 106, 108 und 110 vorangehen oder folgen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dementsprechend das Bilden der epitaxialen InxGa1-xAs-Schicht auf der Basisschicht, wobei die Basisschicht noch ein Teil des Substrats ist oder nicht.
  • Nach der bisherigen Beschreibung und unter Bezugnahme auf 6 wird man erkennen, dass ein beispielhaftes Verfahren gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung allgemein den Schritt des Erhaltens einer Basisschicht eines ersten Dotierungstyps, die eines aus Galliumarsenid und InyGa1-yAs mit y < x umfasst, das Bilden einer epitaxialen InxGa1-xAs-Schicht des ersten Dotierungstyps mit 0,01 < x < 1 auf der Basisschicht, das Bilden einer eigenleitenden Halbleiterschicht auf der InxGa1-xAs-Schicht und das Bilden einer dotierten amorphen Siliciumschicht auf der eigenleitenden Halbleiterschicht umfasst. In einem weiteren Schritt kann auf der amorphen hydrierten Siliciumschicht eine transparente leitfähige Schicht gebildet werden. Die dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht weist bei Verwendung als Emitter einen Dotierungstyp auf, der dem der Basisschicht entgegengesetzt ist, und weist bei Verwendung als Rückseitenfeld einen Dotierungstyp gleich jenem der Basisschicht auf.
  • Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung wird ferner eine III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur bereitgestellt. Die Struktur umfasst eine Basisschicht, welche eines aus GaAs und InyGa1-yAs mit y < x umfasst, eine eigenleitende Halbleiterschicht und eine epitaxiale InxGa1-xAs-Zwischenschicht mit 0,01 < x < 1,0, welche zwischen der Basisschicht und der eigenleitenden Halbleiterschicht und an diese angrenzend angeordnet ist. Die Basisschicht und die InxGa1-xAs-Zwischenschicht weisen denselben Dotierungstyp auf. Auf der eigenleitenden Halbleiterschicht befindet sich eine dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht, und auf der dotierten hydrierten amorphen Siliciumschicht befindet sich eine transparente leitfähige Schicht. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer solchen Struktur, wobei die eigenleitende Halbleiterschicht als i-a-Si:H dargestellt ist, die transparente leitfähige Schicht 20 als TCO dargestellt ist und spezielle Bereiche der Dicke bestimmter Schichten angegeben sind. Wie oben beschrieben, beträgt der Bereich der Dicke der InxGa1-xAs-Zwischenschicht 5 nm bis 50 nm, diese ist jedoch in der Ausführungsform der 3 in einem engeren Bereich abgeschieden.
  • Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung umfasst eine III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur eine Basisschicht, die Galliumarsenid umfasst, eine eigenleitende Halbleiterschicht und eine epitaxiale InxGa1-xAs-Zwischenschicht zwischen der Basisschicht und der eigenleitenden Halbleiterschicht und an diese angrenzend, wobei 0,01 < x < 1,0. Auf der eigenleitenden Halbleiterschicht befindet sich eine dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht, und über der hydrierten amorphen Siliciumschicht befindet sich eine transparente leitfähige Schicht. Sowohl die eigenleitende Halbleiterschicht 16 als auch die dotierte Schicht 18 können Germanium- und Kohlenstoffatome enthalten (z. B. a-Si1-x'-y'-Gex'Cy':H, wobei x' 0 bis 1, vorzugsweise 0 bis 0,5, beträgt und y' 0 bis 0,6, vorzugsweise 0 bis 0,3, beträgt.). Wie oben beschrieben, kann es sich bei der eigenleitenden Halbleiterschicht um eine mehrschichtige Struktur handeln. Der Dotierungstyp der Basisschicht und der InxGa1-xAs-Zwischenschicht ist derselbe. Mit anderen Worten, sie weisen einen „ersten” Dotierungstyp auf, bei welchem es sich um „n” oder „p” handeln kann. Die hydrierte amorphe Siliciumschicht weist einen zweiten Dotierungstyp auf, der dem ersten Dotierungstyp in dieser Ausführungsform entgegengesetzt ist.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein”, „eine” und „der”, „die”, „das” ebenso die Pluralformen umfassen, sofern dies nicht durch den Kontext eindeutig anders angezeigt ist. Es versteht sich ferner, dass mit den Begriffen „umfasst” und/oder „umfassen”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorliegen angegebener Eigenschaften, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschrieben ist, jedoch nicht das Vorliegen oder das Hinzufügen ein oder mehrerer anderer Eigenschaften, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen derselben ausgeschlossen wird. Begriffe wie „über” oder „unter” beziehen sich auf relative Positionen und nicht auf eine Höhe, sofern nicht anders angegeben.
  • Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient dem Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung, soll aber nicht erschöpfend sein oder auf die Erfindung in der offenbarten Form begrenzt sein. Dem Fachmann werden viele Modifikationen und Variationen ersichtlich sein, die vorgenommen werden können, ohne vom Umfang und von der Idee der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Grundsätze der Erfindung und die praktische Anwendung am besten zu erläutern und um anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen zu verstehen, wie sie für die spezielle beabsichtigte Anwendung am besten geeignet sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2010/0307572 [0025, 0026]

Claims (15)

  1. Verfahren, welches das Folgende umfasst: Erhalten einer Basisschicht eines ersten Dotierungstyps, welche eines aus Galliumarsenid und InyGa1-yAs mit y < x umfasst; Bilden einer epitaxialen InxGa1-xAs-Schicht des ersten Dotierungstyps auf der Basisschicht, wobei 0,01 < x < 1; Bilden einer eigenleitenden Halbleiterschicht auf der InxGa1-xAs-Schicht; und Bilden einer dotierten hydrierten amorphen Siliciumschicht auf der eigenleitenden Halbleiterschicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei 0,05 < x < 0,8.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die eigenleitende Halbleiterschicht eigenleitendes hydriertes amorphes Silicium umfasst, vorzugsweise 0,05 < x < 0,8.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das eigenleitende hydrierte amorphe Silicium ferner Germanium- und Kohlenstoffatome umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, welches ferner den Schritt des Bildens einer transparenten leitfähigen Schicht auf der dotierten hydrierten amorphen Siliciumschicht umfasst, vorzugsweise 0,05 < x < 0,8.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die eigenleitende Halbleiterschicht eigenleitendes hydriertes amorphes Silicium umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Basisschicht InyGa1-y-As umfasst, vorzugsweise 0,05 < x < 0,8, wobei die eigenleitende Halbleiterschicht eigenleitendes hydriertes amorphes Silicium umfasst, und welches ferner den Schritt des Bildens einer transparenten leitfähigen Schicht auf der dotierten hydrierten amorphen Siliciumschicht umfasst.
  8. III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur, welche das Folgende umfasst: eine Basisschicht, welche eines aus GaAs und InyGa1-yAs mit y < x umfasst; eine eigenleitende Halbleiterschicht; eine epitaxiale InxGa1-xAs-Zwischenschicht zwischen der Basisschicht und der eigenleitenden Halbleiterschicht und an diese angrenzend, wobei 0,01 < x < 1,0, wobei die Basisschicht und die InxGa1-xAs-Zwischenschicht denselben Dotierungstyp aufweisen; eine dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht auf der eigenleitenden Halbleiterschicht; und eine transparente leitfähige Schicht auf der dotierten hydrierten amorphen Siliciumschicht.
  9. III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur nach Anspruch 8, wobei die Basisschicht GaAs und/oder InyGa1-yAs umfasst, vorzugsweise 0,05 < x < 0,8.
  10. III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur nach Anspruch 8, wobei die eigenleitende Halbleiterschicht hydriertes amorphes Silicium umfasst.
  11. III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur nach Anspruch 10, wobei das hydrierte amorphe Silicium in der eigenleitenden Halbleiterschicht Germanium- und Kohlenstoffatome umfasst.
  12. III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche 8–11, wobei die hydrierte amorphe Siliciumschicht einen Dotierungstyp aufweist, der dem Dotierungstyp der Basisschicht entgegengesetzt ist.
  13. III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche 8–11, wobei 0,05 < x < 0,8 und wobei die eigenleitende Halbleiterschicht mehrere hydrierte amorphe Siliciumschichten umfasst.
  14. III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur nach einem der vorherigen Ansprüche 8–11, wobei die Basisschicht GaAs umfasst und die eigenleitende Halbleiterschicht hydriertes amorphes Silicium umfasst.
  15. III/V-Heteroübergangs-Solarzellenstruktur, welche das Folgende umfasst: eine Basisschicht, welche Galliumarsenid umfasst; eine eigenleitende Halbleiterschicht; eine epitaxiale InxGa1-xAs-Zwischenschicht zwischen der Basisschicht und der eigenleitenden Halbleiterschicht und an diese angrenzend, wobei 0,01 < x < 1,0; eine dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht auf der eigenleitenden Halbleiterschicht; und eine transparente leitfähige Schicht über der dotierten hydrierten amorphen Siliciumschicht, wobei die Basisschicht und die InxGa1-xAs-Zwischenschicht einen ersten Dotierungstyp aufweisen, wobei die dotierte hydrierte amorphe Siliciumschicht einen zweiten Dotierungstyp aufweist, der dem ersten Dotierungstyp entgegengesetzt ist.
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