DE102012212184B4

DE102012212184B4 - Verfahren zur Herstellung von Photovoltaikelementen mit Gruppe-III/V-Halbleitern

Info

Publication number: DE102012212184B4
Application number: DE102012212184.6A
Authority: DE
Inventors: Stephen W. Bedell; Bahman Hekmatshoartabari; Devendra K. Sadana; Davood Shahrjerdi
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: US9666742B2; US8871620B2; DE102012212184A1; DE102012025774B3; US9246032B2; US20150047704A1; DE102012025773B3; US20130025653A1; US20160118525A1

Abstract

Verfahren, das Folgendes umfasst:Erzeugen einer dotierten p-leitenden Gruppe-III/V-Substratschicht (12);Abscheiden einer amorphen hydrierten n+-leitenden Siliciumschicht (72) auf der Substratschicht, undTempern der Substratschicht und der amorphen hydrierten n+-leitenden Siliciumschicht und dadurch Bilden einer Emitterschicht, die in der Substratschicht einen n+leitenden Bereich (74) umfasst, und einer an die Emitterschicht angrenzenden epitaxialen n+-leitenden Schicht (76).

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Physik und insbesondere Verfahren zur Herstellung von Strukturen von Solarzellen, die Gruppe-III/V-Absorbermaterialien umfassen.
Hintergrund der Erfindung
Gruppe III/V-Halbleiter mit direkter Bandlücke wie beispielsweise Galliumarsenid gelten aufgrund ihrer starken Absorption als attraktive Anwärter für die Herstellung leistungsfähiger Solarzellen. Leistungsfähige Gruppe-III/V-Solarzellen können durch epitaxiales Wachstum der Strukturen unter Verwendung verschiedener Techniken wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung metallorganischer Verbindungen und durch Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden, die sich jedoch aufgrund hoher Kosten für viele terrestrische Anwendungen als zu teuer erweisen. Es sind alternative Lösungsansätze wie beispielsweise die Bildung von ITO-Schottky-Kontakten und die Zinkdiffusion vorgeschlagen worden. Solche Lösungsansätze bieten jedoch aufgrund des Fehlens einer ausreichenden Oberflächenpassivierung keine Grundlage für die Herstellung leistungsfähiger Zellen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die Grundgedanken der Erfindung stellen Techniken zur Leistungssteigerung von Solarzellen und Solarzellenstrukturen bereit, die am Heteroübergang einen höheren Wirkungsgrad beim Sammeln von Ladungsträgern aufweisen. Bei einem Aspekt beinhaltet ein Verfahren die folgenden Schritte: Erzeugen einer dotierten p-leitenden Gruppe-III/V-Substratschicht, Abscheiden einer n⁺-leitenden hydrierten amorphen Siliciumschicht oder von epitaxial aufgebrachtem n⁺-leitendem kristallinem Silicium auf der Substratschicht, Tempern der Probe und dadurch Bilden einer Emitterschicht, die einen n⁺leitenden Bereich in der Substratschicht und eine an die Emitterschicht angrenzende epitaxial aufgebrachte n⁺-leitende Schicht umfasst. Als weitere Fertigungsschritte kommen infrage das Bilden einer intrinsischen hydrierten amorphen Halbleiterschicht auf der n⁺-leitenden Epitaxieschicht und das Bilden einer transparenten leitenden Schicht wie beispielsweise eine TCO oberhalb der intrinsischen hydrierten amorphen Halbleiterschicht.
Ein weiteres erläuterndes beispielhaftes Verfahren beinhaltet das Erzeugen einer dotierten Gruppe-III/V-Substratschicht und das Bilden einer intrinsischen hydrierten epitaxialen Halbleiterschicht, die Si_xGe_1-x umfasst, wobei x zwischen 0 und 1 liegt, auf der Substratschicht durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung bei einer Temperatur unterhalb 400 °C. Auf der intrinsischen epitaxialen Halbleiterschicht wird eine Si_x,Ge_1-x,:H umfassende intrinsische amorphe Halbleiterschicht gebildet, wobei x' zwischen 0 und 1 liegt, und auf der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht wird eine Emitterschicht gebildet.
Gemäß weiteren erläuternden beispielhaften Beispielen werden Photovoltaikelemente bereitgestellt. Bei einem Beispiel wird eine Solarzellenstruktur bereitgestellt, die eine dotierte Gruppe-III/V-Absorberschicht, eine der Absorberschicht benachbarte epitaxiale intrinsische Halbleiterschicht, eine Emitterschicht oberhalb der epitaxialen intrinsischen Halbleiterschicht und eine transparente leitende Schicht oberhalb der Emitterschicht umfasst. Die intrinsische epitaxiale Halbleiterschicht kann Si_xGe_1-x umfassen, wobei x zwischen 0 und 1 liegt. An die intrinsische epitaxiale Halbleiterschicht grenzt eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht an, die aus Si_x,Ge_1-x': H bestehen kann, wobei x' zwischen 0 und 1 liegt. Die Emitterschicht kann aus Si_yGe_1-y:H bestehen, wobei y zwischen 0 und 1 liegt.
Gemäß einem weiteren erläuternden Beispiel umfasst eine Solarzellenstruktur eine p-leitende Gruppe-III/V-Substratschicht und eine an die Substratschicht angrenzende n⁺leitende Gruppe-III/V-Emitterschicht. An die Emitterschicht grenzt eine n⁺-leitende epitaxiale Schicht an, wobei die n⁺leitende epitaxiale Schicht Si_xGe_1-x umfasst, wobei x zwischen 0 und 1 liegt. Eine aus Si_yGe_1-y:H bestehende intrinsische amorphe Halbleiterschicht, wobei y zwischen 0 und 1 liegt, grenzt an die n⁺-leitende epitaxiale Schicht an, und oberhalb der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht liegt eine transparente leitende Schicht.
Der hierin gebrauchte Ausdruck, eine Aktion zu „ermöglichen“, beinhaltet das Ausführen der Aktion, das Erleichtern der Aktion, das Unterstützen beim Ausführen der Aktion oder das Auslösen der Ausführung der Aktion. Somit können auf einem Prozessor ausgeführte Anweisungen zum Beispiel, jedoch im Sinne einer nicht abschließenden Aufzählung, eine Aktion ermöglichen, die durch auf einem entfernt angeordneten Prozessor ausgeführte Anweisungen ausgeführt wird, indem geeignete Daten oder Befehle zum Auslösen oder Veranlassen der auszuführenden Aktion gesendet werden. Um Missverständnisse auszuschließen, gilt eine Aktion dennoch als durch eine handelnde Person oder eine Kombination von Personen ausgeführt, wenn die Aktion durch die Person nicht selbst ausgeführt, sondern ermöglicht wird.
Techniken der vorliegenden Erfindung können wesentliche vorteilhafte technische Ergebnisse liefern, darunter Verfahren zum Herstellen leistungsfähiger Solarzellen, die besonders für den Einsatz in Solarpanelen geeignet sind. Die dadurch gebildeten Strukturen können jedoch auch für netzunabhängige elektronische Schaltungen und Sensoren verwendet werden, die mit Solarstrom betrieben werden. Eine oder mehrere Ausführungsformen können einen oder mehrere der folgenden Vorteile bieten:

• Verbesserung der Leerlaufspannung (V_oc)
• Verbesserung der Kurzschlussstromdichte (J_sc)
• Verbesserung des Wirkungsgrades der Solarzelle (η)
• Verbesserung des Füllfaktors (FF)

Ein erläuterndes beispielhaftes Verfahren umfasst:

Erzeugen einer dotierten p-leitenden Gruppe-III/V-Substratschicht;
Abscheiden einer n⁺-leitenden hydrierten amorphen Siliciumschicht auf der Substratschicht, und
Tempern der Substratschicht und der n⁺-leitenden hydrierten amorphen Siliciumschicht, um dadurch eine Emitterschicht zu bilden, die einen n⁺-leitenden Bereich in der Substratschicht und eine an die Emitterschicht angrenzende n⁺-leitende epitaxiale Schicht umfasst.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Substratschicht GaAs.
Eine erläuternde beispielhafte Solarzellenstruktur umfasst:

eine dotierte Gruppe-III/V-Absorberschicht;
eine an die Absorberschicht angrenzende epitaxiale intrinsische Halbleiterschicht;
eine Emitterschicht oberhalb einer epitaxialen intrinsischen Halbleiterschicht, und
eine transparente leitende Schicht oberhalb der Emitterschicht.

In einem weiteren erläuternden Beispiel umfasst die epitaxiale intrinsische Halbleiterschicht Si_xGe_1-x:H, wobei x zwischen 0 und 1 liegt, und beinhaltet ferner eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht, die aus Si_x,Ge_1-x': H besteht und an die intrinsische hydrierte epitaxiale Halbleiterschicht angrenzt, wobei x' zwischen 0 und 1 liegt.
In einem weiteren erläuternden Beispiel besteht die Emitterschicht aus dotiertem amorphem Si_yGe_1-y:H, wobei y zwischen 0 und 1 liegt.
In einem weiteren erläuternden Beispiel liegt x zwischen 0 und 0,5.
In einem weiteren erläuternden Beispiel liegt x' zwischen 0 und 0,5.
In einem weiteren erläuternden Beispiel liegt y zwischen 0 und 0,5.
In einem weiteren erläuternden Beispiel beinhaltet die Solarzellenstruktur ferner ein Rückseitenfeld unterhalb der Substratschicht.
Diese sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung anschaulicher Ausführungsformen deutlich, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen werden sollte.
Figurenliste

1 enthält als erläuterndes Beispiel eine beispielhafte Tabelle, die drei beispielhafte Solarzellenstrukturen mit einem Heteroübergang beschreibt;
2 enthält ein Diagramm als erläuterndes Beispiel, das verschiedene Eigenschaften der in 1 gezeigten beispielhaften Strukturen veranschaulicht;
3 zeigt eine Querschnittsansicht als erläuterndes Beispiel einer der in 1 gezeigten beispielhaften Strukturen unter Verwendung eines Transmissions-Elektronenmikroskops (TEM);
4 zeigt als erläuterndes Beispiel eine schematische Darstellung einer Solarzellenstruktur, die eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht auf einer Gruppe-III/V-Substratschicht beinhaltet;
5 zeigt als erläuterndes Beispiel eine schematische Darstellung einer Solarzellenstruktur;
6 zeigt als erläuterndes Beispiel eine schematische Darstellung einer Solarzellenstruktur,
die 7A bis 7C veranschaulichen einen Prozess zur Bildung einer beispielhaften Solarzellenstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
8 zeigt als erläuterndes Beispiel die beispielhafte Energiebänderstruktur der in 6 gezeigten Solarzellenstruktur.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Solarzellenstrukturen mit Gruppe-III/V-Heteroübergang auf der Grundlage von a-Si:H/Gruppe-III/V-Heterostrukturen weisen einen Weg zu einer preiswerten leistungsfähigen PV(Photovoltaik)-Technologie, wenn diese in Verbindung mit einer Schichtübertragungstechnik umgesetzt wird. Durch die Verwendung von a-Si:H als intrinsische Schicht (i-a:Si:H) kann die Oberflächenpassivierung von GaAs deutlich verbessert werden. In der US-Patentanmeldung US 2010 / 0 307 572 A1 mit dem Titel „Heterojunction III-V Photovoltaic Cell Fabrication“ werden Techniken zur Bildung von Gruppe-III/V-Photovoltaikzellen mit einem und zwei Heteroübergängen beschrieben.
4 zeigt als erläuterndes Bespiel eine beispielhafte Solarzellenstruktur 10, die unter Verwendung der in der US-Patentanmeldung US 2010 / 0 307 572 A1 beschriebenen Techniken hergestellt werden kann. Die Struktur 10 beinhaltet eine Substratschicht 12, die ein dotiertes Gruppe-III/V-Substrat umfasst, welche n-leitend oder p-leitend sein kann. Auf intrinsischen amorphen Siliciumschichten 16 oberhalb der Substratschicht 12 werden dotierte amorphe Siliciumschichten 18, 18' gebildet. Die amorphen Siliciumschichten 18, 18' können von einem Leitungstyp sein, der gleich dem Leitungstyp der Substratschicht oder diesem entgegengesetzt sein kann. Wenn der Leitungstyp einer amorphen Siliciumschicht dem der Substratschicht entgegengesetzt ist, dient die amorphe Siliciumschicht als Emitter. Bei der in 4 gezeigten Struktur weist eine der amorphen Siliciumschichten 18' denselben Leitungstyp wie die Substratschicht auf, während die andere amorphe Siliciumschicht vom entgegengesetzten Leitungstyp ist. Auf den amorphen Siliciumschichten 18 sind transparente Schichten 20 wie beispielsweise ein transparentes leitendes Oxid (transparent conduction oxide, TCO) gebildet. Auf den transparenten Schichten können metallische Vorderseitenkontakte gebildet sein, die (nicht gezeigte) Fingerkontakte und Busstreifen beinhalten. Obwohl die i-a:Si:H-Schichten 16 die Oberflächenpassivierung der GaAs-Substratschicht verbessert, führt die relativ hohe Oberflächendichte der Haftstellen an dem Heteroübergang i-a:Si:H/GaAs zu einem sehr hohen Dunkelstrom, der die Leerlaufspannung verringert.
1 zeigt als erläuterndes Beispiel eine Tabelle für drei beispielhafte Strukturen, von denen eine der in 4 gezeigten insofern ähnlich ist, als eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht an eine Gruppe-III/V-Substratschicht angrenzt und oberhalb der intrinsischen Halbleiterschicht eine dotierte hydrierte amorphe Halbleiterschicht gebildet ist. Die intrinsische Halbleiterschicht dieser „Probe 1“ oder „Referenzstruktur“ weist ein relativ niedriges Wasserstoffverdünnungsverhältnis (hydrogen dilution, HD) auf, was zu einer amorphen Struktur führt. Die Struktur beinhaltet ein InGaP-Rückseitenfeld (back surface field, BSF). Für die Schichten der „Referenzstruktur“ von 1 werden bestimmte Dicken gewählt, um einen Leistungsvergleich mit den beiden anderen Strukturen zu ermöglichen, deren entsprechende Schichten jeweils gleich dick sind. Dem Fachmann ist es einsichtig, dass für die Schichten andere Dicken gewählt werden können.
Die in 1 als „Neue Struktur 1“ und „Neue Struktur 2“ bezeichneten beispielhaften Strukturen stellen Beispiele für Strukturen mit einem Heteroübergang dar. Es dürfte jedoch auch klar sein, dass diese Herangehensweise auch auf Solarzellenstrukturen mit zwei Heteroübergängen angewendet werden können. Beide Strukturen beinhalten intrinsische Halbleiterschichten, die an eine GaAs-Absorberschicht angrenzen. Diese intrinsischen Halbleiterschichten sind epitaxialer Herkunft und wurden mit relativ hohen Wasserstoffverdünnungsverhältnissen bei Temperaturen unterhalb 200 °C unter Verwendung der plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) erzeugt. Die neue Struktur 2 beinhaltet ferner eine amorphe intrinsische Halbleiterschicht mit einem relativ niedrigen Wasserstoffverdünnungsverhältnis, die auf der epitaxialen Schicht liegt. Die Änderungen der Wasserstoffverdünnungsverhältnisse in der epitaxialen und der amorphen i-Si:H-Schicht werden durch Änderung des Wasserstoffgasstroms erreicht, während die Strömungsgeschwindigkeit der Silicium-Ausgangssubstanz (bei dieser anschaulichen Ausführungsform Silan (SiH₄)) konstant gehalten wird. Das epitaxiale Wachstum von Si mit einem Gehalt an Kohlenstoff, Germanium oder anderen Elementen bei niedrigen Temperaturen wird in der US-Patentanmeldung US 2012 / 0 210 932 A1 mit dem Titel „LOW-TEMPERATURE SELECTIVE EPITAXIAL GROWTH OF SILICON FOR DEVICE INTEGRATION“, eingereicht am 23. Februar 2011, näher erläutert.
2 stellt als erläuterndes Beispiel verschiedene Leistungsparameter für die drei in 1 beschriebenen beispielhaften Strukturen dar. Das Diagramm zeigt die Kurzschlussstromdichte als Funktion der Spannung. Die Leerlaufspannung, die Kurzschlussstromdichte, der Füllfaktor und der Wirkungsgrad der drei Strukturen sind als Diagramm dargestellt. Während V_oc für die Probe 1 (die „Referenzstruktur“) größer als bei den Proben 2 und 3 ist, sind die Kurzschlussstromdichte, der Füllfaktor und der Wirkungsgrad der Proben 2 und 3 größer als bei Probe 1.
3 zeigt als erläuterndes Beispiel eine TEM-Aufnahme der beispielhaften Probe 2 (Neue Struktur 1). In dieser Figur sind die p-leitende GaAs-Absorberschicht, die epitaxiale intrinsische Halbleiterschicht, die Emitterschicht (n⁺-leitendes a-Si:H) und eine aus ZnO:Al bestehende TCO-Schicht dargestellt. Das BSF ist in diesem Bild nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die epitaxiale hydrierte intrinsische Siliciumschicht bei einer Temperatur von 150 °C aufgebracht worden.
Es dürfte klar sein dass die Gruppe-III/V-Absorberschicht der Neuen Struktur 1 oder der Neuen Struktur 2 aus In_xGa_1-xAs bestehen kann, wobei x im Bereich von 0 bis 0,53 liegt. Für den verwendeten Rückseitenkontakt können herkömmliche Rückseitenfelder gewählt werden, die dem Fachmann bestens bekannt sind.
5 zeigt als erläuterndes Beispiel eine beispielhafte Solarzellenstruktur 50. Bestimmte Schichten der Struktur 50, die auch in der in 4 gezeigten Solarzellenstruktur 10 vorkommen, werden mit denselben Bezugsnummern bezeichnet. Die Solarzellenstruktur 50 enthält eine dotierte Gruppe-III/V-Substratschicht 12 wie beispielsweise GaAs oder In_xGa_1-xAs, wobei x im Bereich von 0 bis 0,53 liegen kann. Als Absorbermaterial, welches die Substratschicht umfasst, kann In_yGa_1-yP dienen, wobei y im Bereich von 0,4 bis 1 liegt. Der Dotierungsgrad der Substratschicht beträgt 10¹⁴ bis 10¹⁸/cm³. Die aus epitaxialem Si_xGe_1-x bestehenden intrinsischen Halbleiterschichten 52 grenzen an die Substratschicht an. Diese Schichten 52 enthalten Wasserstoff, wenn sie mittels PECVD aufgebracht werden. Der Wert von x kann für diese Schichten 52 zwischen 0 und 1, vorzugsweise zwischen 0 und 0,5, liegen. Die Abscheidungstemperatur dieser epitaxialen Schichten 52 liegt bei Anwendung des PECVD-Verfahrens zwischen 150 °C und 400 °C. Die bevorzugte Dicke der Epitaxieschichten liegt zwischen 3 nm und 15 nm. Epitaxiale SiGe-Schichten 52 mit einem Ge-Gehalt von weniger 35 % können mittels herkömmlicher CVD-Verfahren bei Temperaturen von mehr als 600 °C aufgebracht werden. Bei Abscheidung mittels CVD-Verfahren enthalten die Schichten 52 keinen Wasserstoff. Das Wachstum der Epitaxieschichten mittels PECVD bei niedrigen Temperaturen ist bevorzugt, damit die Gruppe-III/V-Solarzellen mit Heteroübergang bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden können, was für Anwendungen wie beispielsweise flexible Solarzellen besonders wichtig ist.
In diesen erläuternden Beispielen grenzen an die intrinsischen epitaxialen Si_xGe_1-x-Schichten intrinsische hydrierte amorphe Halbleiterschichten 54 an, die aus Si_x,Ge_1-x,:H bestehen, wobei x' zwischen 0 und 1, vorzugsweise zwischen 0 und 0,5, liegt. Diese Schichten können unter Einbeziehung geeigneter Quellenmaterialien mittels PECVD oder durch chemische Heißdrahtabscheidung aus der Gasphase abgeschieden werden. Bei einer Ausführungsform werden die intrinsischen hydrierten amorphen Halbleiterschichten 54 in einer Arbeitskammer abgeschieden, die eine gasförmige Halbleiterverbindung als Ausgangssubstanz und ein Trägergas wie beispielsweise Wasserstoff enthält. Die Wasserstoffatome innerhalb des Trägergases werden in das abgeschiedene Material eingebaut und bilden so den intrinsischen Halbleiter, der das Material der intrinsischen Halbleiterschicht enthält. Der Germaniumgehalt der hydrierten amorphen SiGe-Schichten 54 kann von dem der Epitaxieschichten 52 verschieden sein. Zusammen mit dem Germanium oder an seiner Stelle können Kohlenstoffatome in die amorphen Halbleiterschichten eingebaut werden. Der Gehalt an Germanium und Kohlenstoff kann abgestuft sein. Die einzelnen amorphen Halbleiterschichten können jeweils aus Mehrschichtstrukturen mit unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen. Wenn in der oben angegebenen Formel Kohlenstoff anstelle von Germanium verwendet würde, läge der Wert von x' zwischen 0 und 0,6 und vorzugsweise zwischen 0 und 0,3.
Eine dotierte hydrierte amorphe Emitterschicht 56 grenzt an eine der beiden amorphen Halbleiterschichten an. Deren Leitungstyp ist dem der Substratschicht 12 entgegengesetzt. Diese Schicht 56 besteht aus a-Si_yGe_1-y:H, wobei y zwischen 0 und 1 und vorzugsweise zwischen 0 und 0,5 liegt. An die andere der beiden intrinsischen hydrierten amorphen Halbleiterschichten 54 grenzt eine Rückseitenfeldschicht 56' an. Deren Leitungstyp stimmt mit dem Leitungstyp der Substratschicht 12 überein. Diese Schicht besteht aus a-Si_zGe_1-z:H, wobei z zwischen 0 und 1 und vorzugsweise zwischen 0 und 0,5 liegt.
An die Emitterschicht 56 und die Rückseitenfeldschicht 56' grenzen transparente leitende Schichten 20 an. Die transparenten Schichten bestehen aus einem leitenden Material, das in dem Bereich der elektromagnetischen Strahlung transparent ist, in dem die Elektronen und Löcher innerhalb der Solarzellenstruktur 50 gebildet werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 5 kann die transparente leitende Schicht 20 TCO wie beispielsweise Indium-/Zinnoxid (ITO), Zinnoxid (SnO), mit Fluor dotiertes Zinnoxid (SnO₂:F) oder mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al) umfassen. Alternativ können zur Bildung dieser transparenten leitenden Schicht 20 transparente leitende Dünnschichten wie beispielsweise Dünnschichten auf der Grundlage von Kohlenstoffnanoröhrchen und Dünnschichten auf der Grundlage von Graphen verwendet werden. Diese Beispiele sind nicht als Einschränkung, sondern nur als Beispiel anzusehen. Die Dicke kann je nach Art des transparenten leitenden Materials und der zur Bildung dieser Schicht verwendeten Technik variieren. Üblicherweise und bei einer beispielhaften Ausführungsform liegt die Dicke der transparenten leitenden Schicht 20 zwischen 20 nm und 500 nm. Alternativ können auch andere Dicken gewählt werden, darunter solche kleiner als 20 nm und/oder größer als 500 nm. Die bevorzugte Dicke der transparenten leitenden Schicht zur Verringerung der Reflexion der Si-Oberfläche liegt für eine TCO-Schicht im Bereich von 70 nm bis 110 nm. Die Dicke von Nanoröhrchen- und Graphenschichten kann im Bereich von 2 nm bis 50 nm liegen. Die transparente leitende Schicht wird üblicherweise unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses wie beispielsweise durch Sputtern oder CVD gebildet. Als Beispiele von CVD-Prozessen, die für eine Anzahl verschiedener Schichttypen geeignet sind, kommen APCVD, LPCVD, PECVD, MOCVD und deren Kombinationen infrage. Außerdem kommen als Techniken zur Bildung der transparenten leitenden Schicht 20 auch HF- und Gleichstrom-Magnetronsputtern infrage.
Die hydrierten amorphen SiGe-Schichten 56, 56' können aus gasförmigen Ausgangssubstanzen wie beispielsweise SiH₄, SiF₄ oder H₂SiCl₂ (Dichlorsilan, DCS) gebildet werden. German ist eine bekannte Ausgangssubstanz zur Bildung von germaniumhaltigen Schichten. Die Schichten können „in situ“ durch Zugabe eines Dotandengases dotiert werden, das Dotandenatome in dem Gasgemisch enthält. Die Dotandenatome werden in das abgeschiedene Material eingebaut und bilden so den hydrierten dotierten Halbleiter. Beispiele von Dotandengasen, die p-leitende Dotandenatome enthalten, sind B₂H₆ und B(CH₃)₃ (Tetramethylboran, TMB). Als Beispiele eines n-leitenden Dotandengases kommen AsH₃ und PH₃ infrage. Die Konzentration der n-leitenden Dotanden in bestimmten Schichten der Struktur 50 liegen im Bereich von 10¹⁶ Atome/cm³ bis 10²¹ Atome/cm³, wobei der Bereich von 10¹⁸ bis 10²⁰ Atome/cm³ gebräuchlich ist. Der Wirkungsgrad der Dotierung (das Verhältnis aktivierter Dotandenatome zur Gesamtzahl der Dotandenatome) beträgt üblicherweise 0,1 % bis 20 %, obwohl für die Dotierung auch höhere und niedrigere Wirkungsgrade möglich sind. Der Wirkungsgrad der Dotierung nimmt im Allgemeinen bei höherer Konzentration der Dotandenatome ab. Bei den p-leitenden Dotanden liegt die Konzentration normalerweise ebenso im Bereich von 10¹⁶ bis 10²¹ Atome/cm³, wobei der Bereich von 10¹⁸ bis 10²⁰ Atome/cm³ gebräuchlich ist. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform dient die Schicht 56 oberhalb der Substratschicht 12 als Emitter und die Schicht 56' unterhalb der Substratschicht als Rückseitenfeld BSF.
6 veranschaulicht als erläuterndes Beispiel schematisch eine beispielhafte Solarzellenstruktur 60, die eine p-leitende Gruppe-III/V-Substratschicht 12 beinhaltet. Eine hohe Störstellen- oder Haftstellendichte (D_it) an der Grenzfläche begrenzt die Leistung einer Solarzellenstruktur durch Verringerung der V_oc. Mit der Solarzellenstruktur 60 können solche Leistungsgrenzen überwunden werden. Durch epitaxiales Wachstum oder durch Einbauen n-leitender Dotandenverunreinigungen in die Substratschicht 12 durch Ionenimplantation oder -diffusion kann auf der Substratschicht eine n⁺-leitende Gruppe-III/V-Emitterschicht 62 mit dünner Grenzschicht gebildet werden. Als Epitaxieverfahren können die chemische Gasphasenabscheidung wie beispielsweise die MOCVD und die Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) dienen. Das zweite mögliche Verfahren beinhaltet das Einbauen von n-leitenden Dotandenverunreinigungen wie beispielsweise Si, Ge, Te oder S durch Ionenimplantation und Aktivierungstempern bei höheren Temperaturen im Bereich von 450 °C bis 1000 °C in die p-leitende Substratschicht 12. Alternativ können die Verunreinigungen aus einer an Verunreinigungen reichen Schicht in die p-leitende Substratschicht diffundiert werden. Bei der an Verunreinigungen reichen Schicht kann es sich zum Beispiel um eine a-Si_1-xGe_x-Schicht oder um eine dünne Schwefelschicht handeln. Die Diffusionstemperatur variiert je nach Art der Verunreinigung zwischen 500 °C und 1000 °C. Die Dicke der durch Epitaxie, Ionenimplantation oder -diffusion gebildete n⁺leitende Emitterschicht 62 liegt im Bereich zwischen 5 nm und 50 nm. Die Konzentrationen der Dotanden können in denselben Bereichen liegen wie bei der Ausführungsform von 5.
Auf der Emitterschicht 62 ist eine n⁺-leitende epitaxiale Si_xGe_1-x-Schicht 64 gebildet, wobei x zwischen 0 und 1 und vorzugsweise zwischen 0 und 0,5 liegt. Diese Schicht kann Wasserstoff enthalten, jedoch muss dies nicht unbedingt der Fall sein, wobei die Anwesenheit von Wasserstoff von den Wachstumsbedingungen abhängt. Die Kanten des Leitungsbandes der Gruppe-III/V-Substratschicht 12 (bei dieser beispielhaften Ausführungsform GaAs) und der n⁺-leitenden epitaxialen Si_xGe_1-x-Schicht 64 sind zueinander passend. Mit anderen Worten, die Energiedifferenz zwischen dem Leitungsband und dem Vakuum ist für beide Bereiche ungefähr gleich (siehe 8). Die Verringerung der V_oc wird dadurch abgeschwächt. An die n⁺leitende epitaxiale Si_xGe_1-x-Schicht 64 grenzt eine intrinsische amorphe hydrierte Halbleiterschicht 66 an. Die i-a:Si_yGe_1-y:H-Schicht 66 (wobei y zwischen 0 und 1 und vorzugsweise zwischen 0 und 0,5 liegt) sorgt für die Oberflächenpassivierung der angrenzenden n⁺-leitenden epitaxialen Si_xGe_1-x-Schicht. Die übrigen Schichten der Solarzellenstruktur bei dieser Ausführungsform sind denen in der Struktur 50 gemäß der Ausführungsform von 5 identisch und wurden in den Zeichnungen mit denselben Bezugsnummern bezeichnet.
Die 7A bis 7C zeigen verschiedene bei der Herstellung einer Solarzellenstruktur mit einer p-leitenden Gruppe-III/V-Substratschicht und einer neuartigen Emitterschicht gemäß der Erfindung ausgeführte Schritte. Es dürfte verständlich sein, dass die Struktur einen geeigneten Rückseitenfeldbereich an der Rückseite der Struktur beinhalten kann.
Unter Bezugnahme auf 7A wird auf einem p⁺-leitenden GaAs-Substrat 70 eine p-leitende GaAs-Substratschicht 12 gebildet. Der vordere Kontakt (Emitterschicht) für die Struktur wird durch Abscheiden einer 5 nm bis 20 nm dicken n⁺-leitenden a-Si:H-Schicht 72 als an Verunreinigungen reichem Material auf der Substratschicht gebildet. Bei dieser Ausführungsform ist die n⁺-leitende a-Si:H-Schicht 72 mit Phosphor dotiert, jedoch kann sie alternativ auch mit Arsen dotiert sein. Die in 7A gezeigte Struktur wird einer Hochgeschwindigkeitstemperung (rapid thermal annealing, RTA) bei erhöhten Temperaturen gemäß 7B unterzogen. Bei dieser Ausführungsform wird die Temperung bei einer Temperatur von 900 °C durchgeführt und die Temperzeit beträgt 60 Sekunden bis 240 Sekunden. Während der Temperung diffundieren einige Siliciumatome in die GaAs-Substratschicht und bilden einen n⁺-leitenden Bereich 74 mit einer Tiefe von ungefähr 10 nm bis 15 nm, während die a-Si:H-Schicht infolge des Festphasenepitaxieprozesses einkristallin wird und die in 7B gezeigte epitaxiale n⁺-leitende Si-Schicht 76 bildet. Diese Schicht 76 enthält höchstwahrscheinlich keinen Wasserstoff, da Si:H-Bindungen oberhalb 400 °C bis 500 °C unbeständig sind. Auf der epitaxialen n⁺-leitenden Si-Schicht 76 wird eine intrinsische Halbleiterschicht (i-a-Si:H) 78 und auf der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht 78 eine transparente leitende Schicht 20 gebildet, um die in 7C gezeigte Struktur 80 zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform besteht die transparente leitende Schicht 20 aus einem TCO wie beispielsweise ZnO:Al. Die V_oc der gebildeten Struktur 80 beträgt 920 mV.
Das unter Bezug auf die 7A bis 7C beschriebene Verfahren kann realisiert werden, indem eine epitaxiale kristalline n⁺leitende Schicht nicht auf der n⁺-leitenden a-Si:H-Schicht, sondern auf der p-leitenden Substratschicht abgeschieden und die Probe anschließend getempert wird.
Ausgehend von der bisherigen Erörterung dürfte allgemein klar sein, dass ein beispielhaftes Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung den Schritt des Erzeugens einer dotierten p-leitenden Gruppe-III/V-Substratschicht beinhaltet, wie sie in 7A gezeigt ist. Auf der Substratschicht wird eine ebenfalls in 7A gezeigte amorphe hydrierte n⁺-leitende Siliciumschicht abgeschieden. Die Substratschicht und die amorphe hydrierte n⁺-leitende Siliciumschicht werden vorzugsweise durch Hochgeschwindigkeitstemperung getempert und bilden eine Emitterschicht 74, die einen n⁺-leitenden Bereich in der Substratschicht und eine an die Emitterschicht angrenzende epitaxiale n⁺-leitende Schicht 76 gemäß 7B umfasst. Als weitere Fertigungsschritte können die Bildung einer intrinsischen amorphen hydrierten Halbleiterschicht 78 auf der epitaxialen n⁺-leitenden Schicht und die Bildung einer transparenten leitenden Schicht 20 wie beispielsweise aus TCO oberhalb der intrinsischen amorphen hydrierten Halbleiterschicht infrage kommen, um das in 7C gezeigte Photovoltaikelement bereitzustellen.
Zur Bildung zumindest eines Teils der in 5 gezeigten Solarzellenstruktur kann ein weiteres beispielhaftes Verfahren angewendet werden. Das beispielhafte Verfahren beinhaltet das Erzeugen einer dotierten Gruppe-III/V-Substratschicht und das Bilden einer intrinsischen hydrierten epitaxialen Halbleiterschicht, die Si_xGe_1-x umfasst, wobei x zwischen 0 und 1 liegt, auf der Substratschicht durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung bei einer Temperatur von weniger als 400 °C. Auf der intrinsischen epitaxialen Halbleiterschicht wird eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht gebildet, die Si_x,Ge_1-x,:H umfasst, wobei x' zwischen 0 und 1 liegt, und auf der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht wird eine Emitterschicht gebildet. Gemäß der obigen Erörterung kann das Verfahren ferner das Bilden einer transparenten leitenden Schicht auf der Emitterschicht beinhalten. Je nachdem, ob eine Solarzellenstruktur mit einem oder zwei Heteroübergängen gewünscht wird, kann das Verfahren weitere Schritte beinhalten.
Gemäß einem weiteren erläuternden Beispiel wird eine Solarzellenstruktur bereitgestellt, die eine dotierte Gruppe-III/V-Absorberschicht wie beispielsweise die unter Bezug auf 1 beschriebene GaAs-Absorberschicht umfasst. Die Absorberschicht grenzt, wie oben unter Bezug auf die Neuen Strukturen 1 und 2 von 1 beschrieben, an eine epitaxiale intrinsische Halbleiterschicht an, die hydriertes Silicium umfasst. Oberhalb der epitaxialen intrinsischen Halbleiterschicht befindet sich eine Emitterschicht, und oberhalb der Emitterschicht befindet sich gemäß 3 eine transparente leitende Schicht.
Eine gemäß einem anderen erläuternden Beispiel bereitgestellte Solarzellenstruktur umfasst eine dotierte Gruppe-III/V-Substratschicht und eine intrinsische hydrierte epitaxiale Halbleiterschicht, die Si_xGe_1-x umfasst, wobei x zwischen 0 und 1 liegt und wobei die intrinsische hydrierte epitaxiale Halbleiterschicht an die Substratschicht angrenzt. 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Struktur 50 mit einer solchen Substratschicht 12 und einer epitaxialen Schicht 52. An die intrinsische hydrierte epitaxiale Halbleiterschicht grenzt eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht an, die aus Si_x,Ge_1-x,:H besteht, wobei x' zwischen 0 und 1 liegt. Die Schicht 54 in der in 5 gezeigten Struktur ist für eine solche Schicht exemplarisch. Oberhalb der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht ist eine dotierte amorphe Emitterschicht angeordnet, die aus Si_yGe_1-y:H besteht, wobei y zwischen 0 und 1 liegt, und oberhalb der dotierten amorphen Emitterschicht ist eine transparente leitende Schicht angeordnet. Die Schichten 56 und 20 in 5 veranschaulichen jeweils entsprechende Strukturen. Eine Struktur, welche die oben genannten Schichten beinhaltet, kann in eine Solarzellenstruktur sowohl mit einer als auch mit zwei Heteroübergängen einbezogen werden.
Eine Solarzellenstruktur gemäß einem weiteren erläuternden Beispiel beinhaltet eine p-leitende Gruppe-III/V-Substratschicht, eine an die Substratschicht angrenzende n⁺leitende Gruppe-III/V-Emitterschicht, und eine an die Emitterschicht angrenzende epitaxiale n⁺-leitende Schicht. Die epitaxiale n⁺-leitende Schicht umfasst Si_xGe_1-x, wobei x zwischen 0 und 1 liegt. Eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht grenzt an die n⁺-leitende Epitaxieschicht an und besteht aus Si_yGe_1-y:H, wobei y zwischen 0 und 1 liegt. Oberhalb der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht ist eine transparente leitende Schicht angeordnet. 6 zeigt eine solche Struktur. Bei der Ausführungsform von 6 beinhaltet die Struktur ferner eine intrinsische epitaxiale Halbleiterschicht 52, die Si_xGe_1-x umfasst und an die Substratschicht angrenzt, eine intrinsische amorphe Halbleiterschicht 54, die Si_x,Ge_1-x,:H umfasst, unterhalb der intrinsischen amorphen Halbleiterschicht eine amorphe Rückseitenfeldschicht 56', die Si_zGe_1-z:H umfasst, (wobei z zwischen 0 und 1 liegt), und unterhalb der amorphen Rückseitenfeldschicht eine transparente leitende Schicht 20 (bei dieser beispielhaften Ausführungsform TCO). 7C zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform einer solchen Struktur, wobei sowohl die Substratschicht als auch die Emitterschicht 12 bzw. 74 GaAs umfassen und die intrinsische amorphe Halbleiterschicht 78 aus i-a:Si:H besteht.

Claims

Verfahren, das Folgendes umfasst: Erzeugen einer dotierten p-leitenden Gruppe-III/V-Substratschicht (12); Abscheiden einer amorphen hydrierten n⁺-leitenden Siliciumschicht (72) auf der Substratschicht, und Tempern der Substratschicht und der amorphen hydrierten n⁺-leitenden Siliciumschicht und dadurch Bilden einer Emitterschicht, die in der Substratschicht einen n⁺leitenden Bereich (74) umfasst, und einer an die Emitterschicht angrenzenden epitaxialen n⁺-leitenden Schicht (76).
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die Schritte des Abscheidens einer intrinsischen amorphen hydrierten Siliciumschicht (78) auf der epitaxialen n⁺-leitenden Schicht und einer transparenten leitenden Schicht (20) oberhalb der intrinsischen amorphen hydrierten Siliciumschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Substratschicht GaAs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei es sich bei der transparenten leitenden Schicht um ein transparentes leitendes Oxid handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Substratschicht GaAs umfasst.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Erzeugen einer dotierten p-leitenden Gruppe-III/V-Substratschicht (12); Abscheiden einer epitaxialen kristallinen n⁺-leitenden Siliciumschicht auf der Substratschicht, und Tempern der Substratschicht und der abgeschiedenen epitaxialen kristallinen n⁺-leitenden Siliciumschicht und dadurch Bilden einer Emitterschicht, die in der Substratschicht einen n⁺-leitenden Bereich (74) umfasst, und einer an die Emitterschicht angrenzenden epitaxialen n⁺-leitenden Schicht (76).
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner die Schritte des Abscheidens einer intrinsischen amorphen hydrierten Siliciumschicht (78) auf der epitaxialen n⁺-leitenden Schicht und einer transparenten leitenden Schicht (20) oberhalb der intrinsischen amorphen hydrierten Siliciumschicht umfasst.