DE102012218265B4 - Rückseitenfeld-Strukturen für Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheiten und Verfahren zum Herstellen einer Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit - Google Patents

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Abstract

Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit, aufweisend:wenigstens eine obere Zelle (10), bestehend aus wenigstens einem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial;eine untere Germanium-Zelle (16) in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle (10), wobei die untere Zelle (16) eine Germanium-enthaltende Schicht (18) in Kontakt mit der Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle (10), wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (20) in Kontakt mit einer Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht (18) und wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (22) in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (20) aufweist; undeinen leitfähigen Kontakt (24) in Kontakt mit einer Oberfläche der dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (22), wobei der leitfähige Kontakt (24) wenigstens ein transparentes leitfähiges Material enthält, wobei ein Übergang zwischen der Germanium-enthaltenden Schicht (18) und einer Rückseitenfeld Struktur aus der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (20) und der dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (22) ein elektrisches Feld erzeugt, das eine Barriere für den Strom von Minoritätsträgern zu dem leitfähigen Kontakt (24) einführt, wobei die Germanium-enthaltende Schicht (18) und die Rückseitenfeld Struktur den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Photovoltaikeinheit und ein Verfahren zum Herstellen davon. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine Rückseitenfeld-Struktur für eine Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit, die die Gesamt-Leerlaufspannung der Photovoltaikeinheit erhöht.
  • Eine Photovoltaikeinheit ist eine Einheit, die die Energie einfallender Photonen in elektromotorische Kraft (e.m.f.) umwandelt. Typische Photovoltaikeinheiten schließen Solarzellen ein, die dafür ausgelegt sind, die Energie in der elektromagnetischen Strahlung von der Sonne in elektrische Energie umzuwandeln. Jedes Photon hat eine Energie, die durch die Formel E = hv gegeben ist, worin die Energie E gleich dem Produkt der Planckschen Konstante h mit der Frequenz v der mit dem Photon verbundenen elektromagnetischen Strahlung ist.
  • Ein Photon, das eine Energie größer als die Elektronenbindungsenergie eines Stoffs aufweist, kann mit dem Stoff wechselwirken und ein Elektron aus dem Stoff freisetzen. Während die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung jedes Photons mit jedem Atom stochastisch ist, kann eine Struktur mit ausreichender Dicke hergestellt werden, um die Wechselwirkung von Photonen mit der Struktur mit hoher Wahrscheinlichkeit herbeizuführen. Wenn ein Elektron durch ein Photon aus einem Atom herausgeschlagen wird, wird die Energie des Photons in elektrostatische Energie und kinetische Energie des Elektrons, des Atoms und/oder des Kristallgitters, welches das Atom enthält, umgewandelt. Das Elektron muss nicht über ausreichend Energie verfügen, um von dem ionisierten Atom zu entweichen. Im Fall eines Materials, das eine Bandstruktur aufweist, kann das Elektron einfach einen Übergang zu einem anderen Band durchführen, um die Energie des Photons zu absorbieren.
  • Die positive Ladung des ionisierten Atoms kann an dem ionisierten Atom lokalisiert bleiben oder sie kann in dem Gitter, welches das Atom enthält, verteilt werden. Wenn die positive Ladung von dem ganzen Gitter geteilt wird und so zu einer nichtlokalisierten Ladung wird, wird diese Ladung als Loch in einem Valenzband des Gitters, welches das Atom enthält, beschrieben. Ähnlich kann das Elektron nichtlokalisiert sein und von allen Atomen des Gitters geteilt werden. Diese Situation tritt in einem Halbleitermaterial auf und wird als Fotoerzeugung eines Elektron-Loch-Paars bezeichnet. Die Bildung von Elektron-Loch-Paaren und der Wirkungsgrad der Fotoerzeugung hängen von der Bandstruktur des bestrahlten Materials und der Energie des Photons ab. Wenn das bestrahlte Material ein Halbleitermaterial ist, tritt Fotoerzeugung auf, wenn die Energie eines Photons die Energie der Bandlücke übersteigt, d.h. den Energieunterschied zwischen den Bandkanten des Leitungs- und des Valenzbandes des bestrahlten Materials.
  • Die Wanderungsrichtung geladener Teilchen, d.h. der Elektronen und Löcher, in einem bestrahlten Material ist hinlänglich stochastisch (als Ladungsträger-„Diffusion“ bekannt). Ohne Vorhandensein eines elektrischen Felds führt die Fotoerzeugung von Elektron-Loch-Paaren also einfach zur Erwärmung des bestrahlten Materials. Ein elektrisches Feld kann aber die räumliche Wanderungsrichtung der geladenen Teilchen beeinflussen, um die durch Fotoerzeugung gebildeten Elektronen und Löcher zu nutzen.
  • Mehrfachübergang-Solarzellen, die Verbund-Halbleitersubzellen enthalten, werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer Strahlungsbeständigkeit weithin für die Energieerzeugung im Raum verwendet. Zusätzlich gibt es eingehende Forschungsaktivitäten zur Entwicklung einer kostenwirtschaftlichen Technologie zur Verwendung dieser hocheffizienten Solarzellen bei terrestrischen Anwendungen. Die Anstrengungen zielen auch auf eine weitere Erhöhung des Umwandlungswirkungsgrads durch Einführen neuer Strukturen und Materialien unter Einsatz von Konzentratoren und auf die weitere Verringerung der mit dem Substrat verbundenen Kosten.
  • Mehrfachübergang-Solarzellen werden aufgrund der inhärent hohen Infrarot(IR)-Absorptionseigenschaft von Ge hauptsächlich auf Germanium(Ge)-Substraten hergestellt. Zusammen mit dem Umstand, dass das Gitter von Ge mit einigen III-V-Materialien übereinstimmt, erlaubt dies die Integration von III-V-Subzellen auf einem Ge-Substrat, wobei das Substrat als untere Zelle dient.
  • Ein verbreiteter Ansatz für eine weitere Steigerung des Umwandlungswirkungsgrads einer Solarzelle ist das Anfügen eines Rückseitenfeld(back-surface field, BSF)-Bereichs, um die Rekombination von Minoritätsträgern im hinteren Teil der Zelle zu verringern. Dies kann zu einer Erhöhung der Kurzschlussstromdichte und der Leerlaufspannung der Zelle führen. Herkömmlich dienen p+-Aluminium-diffundierte oder Bor-diffundierte Bereiche in p-Typ-Ge-Substraten als BSF-Bereich. Dennoch ist die Kurzschlussstromdichte in Mehrfachsolarzellen mit einem dicken Ge-Substrat hauptsächlich durch die Subzellen beschränkt, die über der Ge-Zelle angeordnet sind. Andererseits ist eine Erhöhung der Leerlaufspannung bei Verwendung von herkömmlich diffundierten BSF-Bereichen aufgrund des vergleichsweise kleinen Energieband-Versatzes zwischen dem BSF-Bereich und dem Ge-Substrat auf einige zehn Millivolt beschränkt. Daher wird die erhaltene Erhöhung der Leerlaufspannung für die untere Ge-Zelle nicht ausreichend hoch sein, um einen zusätzlichen Arbeitsgang für die Diffusion von Al oder Bor zu rechtfertigen. Als Folge setzt die aktuelle Mehrfachübergang-Technologie aufgrund der Verwendung eines vergleichsweise dicken Ge-Substrats keinen BSF-Bereich für die untere Ge-Zelle ein.
  • Die WO 2010 / 044 978 A1 betrifft eine Halbleiterstruktur, die umfasst: (i) ein Si-Substrat; (ii) einen Pufferbereich, der direkt über dem Si-Substrat gebildet ist, wobei der Pufferbereich umfasst: (a) eine Ge-Schicht mit einer Dichte von durchgehenden Versetzungen unter etwa 105 cm-2; oder (b) eine Ge1-xSnx Schicht, die direkt über dem Si-Substrat gebildet ist, und eine Ge1-x-ySixSny Schicht, die über der Ge1-xSnx Schicht gebildet ist; und (iii) eine Vielzahl von III-V-Aktivblöcken, die über dem Pufferbereich gebildet sind, wobei der erste III-V-Aktivblock, der über dem Pufferbereich gebildet ist, gitterangepasst oder pseudomorphisch an den Pufferbereich angespannt ist.
  • Die DE 10 2012 212 184 A1 betrifft Solarzellenstrukturen, die durch epitaxiales Wachstum von Silicium auf einer Gruppe-III/V-Substratschicht bei niedrigen Temperaturen einen höheren Wirkungsgrad beim Sammeln von Ladungsträgern aufweisen. Außerdem beinhaltet eine Solarzellenstruktur mit einer verbesserten Leerlaufspannung eine Gruppe-III/V-Emitterschicht mit dünner Grenzschicht, die durch epitaxiale Beschichtung oder Diffusion gebildet wird und auf die anschließend durch epitaxiale Beschichtung SixGe1-x passiviert wird.
  • Die US 2008 / 0 173 347 A1 betrifft eine Halbleiterstruktur, die ein Halbleitersubstrat eines Leitfähigkeitstyps mit einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche, eine erste Halbleiterschicht, die auf der vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, eine zweite Halbleiterschicht, die auf einem Teil der hinteren Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, und eine dritte Halbleiterschicht, die auf einem anderen Teil der hinteren Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, umfassen kann. Jede der zweiten und dritten Halbleiterschichten kann über ihre Tiefe von im Wesentlichen intrinsisch an einer Grenzfläche mit dem Substrat zu im Wesentlichen leitend an einer gegenüberliegenden Seite abgestuft sein und einen ausgewählten Leitfähigkeitstyp aufweisen, der durch den Einbau eines oder mehrerer ausgewählter Dotierstoffe erhalten wird.
  • Die GB 2 444 562 A betrifft eine Kaskaden-Solarzelle mit auf amorphem Silizium basierender Solarzelle, die eine auf amorphem Silizium basierende Solarzelle auf einer nicht auf Silizium basierenden Solarzelle aufweist, wobei die auf amorphem Silizium basierende Solarzelle als Antireflexionsfläche und zum Absorbieren von einfallendem Licht mit kurzer Wellenlänge gestaltet ist.
  • Die US 6 252 158 B1 betrifft ein photovoltaisches Element. Das Element hat eine erste Halbleiterschicht vom Leitungstyp des n+-Typs oder des p+-Typs, eine intrinsische Halbleiterschicht vom i-Typ und eine zweite Halbleiterschicht vom Leitungstyp des p+-Typs oder des n+-Typs, die nacheinander auf ein Substrat geschichtet sind. Wenn eine Einheit als ein Satz aus einer ersten mikrokristallinen Silizium-Basis-Halbleiterschicht und einer zweiten mikrokristallinen Silizium-Basis-Halbleiterschicht mit gegenseitig unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten bei 800 nm definiert ist, umfasst die i-Typ-Schicht mindestens zwei solcher Einheiten. Dies ermöglicht es, das photovoltaische Element bereitzustellen, das das Licht effizient absorbieren kann, wobei das für amorphe Halbleiter spezifische Phänomen der Lichtdegradation (Staebler-Wronski-Effekt) vermieden wird, und das gute elektrische Eigenschaften (Mobilität µ, Lebensdauer τ) und dergleichen aufweist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Offenbarung enthält das Einführen einer Rückseitenfeld-Struktur für eine untere Germanium-Zelle einer Mehrfachübergang-Photovoltaikeinheit, die zu einer wesentlichen Verstärkung der Gesamt-Leerlaufspannung der Photovoltaikeinheit führen kann. Die Rückseitenfeld-Struktur gemäß der vorliegenden Offenbarung weist wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht, die gegebenenfalls Ge, C oder sowohl Ge als auch C enthalten kann, in Kontakt mit einer Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht auf, und wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht, die ebenfalls gegebenenfalls eines von Ge und C enthalten kann, in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht. Die intrinsischen und/oder dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schichten können Multischichten mit verschiedenen Ge- und C-Gehalten sein. Die intrinsischen und/oder dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schichten können amorph, nano/mikrokristallin, polykristallin oder einkristallin sein.
  • Die Erfindung betrifft eine Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit und ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit, deren Merkmalen in den entsprechenden Hauptansprüchen angegeben sind. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • In einem Beispielwird eine Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit bereitgestellt, die wenigstens eine obere Zelle aufweist, die aus wenigstens einem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial besteht. Die Einheit weist ferner eine untere Zelle auf, die in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle steht. Die untere Zelle weist eine Germanium-enthaltende Schicht in Kontakt mit der Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle, wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht in Kontakt mit einer Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht und wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht auf. Die intrinsischen und/oder dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schichten können amorph, nano/mikrokristallin, polykristallin oder einkristallin sein.
  • In einem weiteren Beispiel wird ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit bereitgestellt. Das Verfahren weist das Herstellen wenigstens einer intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht in Kontakt mit einer Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht auf. Anschließend wird wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht gebildet. Die intrinsischen und/oder dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schichten können amorph, nano/mikrokristallin, polykristallin oder einkristallin sein.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine bildliche Darstellung (durch eine Querschnittansicht), die eine Photovoltaikeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 2 ist eine bildliche Darstellung (durch eine Querschnittansicht), die eine Photovoltaikeinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 3 ist eine bildliche Darstellung (durch eine Querschnittansicht), die das Bilden von wenigstens einer intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht auf einer Oberfläche einer Germanium-enthaltenden Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 4 ist eine bildliche Darstellung (durch eine Querschnittansicht), die die Struktur von 3 nach dem Bilden von wenigstens einer dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht auf einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 5 ist eine bildliche Darstellung (durch eine Querschnittansicht), die die Struktur von 4 nach dem Bilden eines leitfähigen Kontakts auf einer Oberfläche der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit, aufweisend:
    • Bilden von wenigstens einer intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht in Kontakt mit einer Oberfläche einer Germanium-enthaltenden Schicht; und
    • Bilden von wenigstens einer dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren ferner das Bilden einer oberen Zelle, die aus wenigstens einem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial besteht, auf einer anderen Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren ferner das Bilden einer Vielzahl von Metallfingern auf, die innerhalb einer Vielzahl von strukturierten Antireflexbeschichtungen angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Metallfingern und die Vielzahl von strukturierten Antireflexbeschichtungen auf einer weiteren Oberfläche der oberen Zelle angeordnet sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren ferner das Bilden einer transparenten leitfähigen Materialschicht auf, die auf einer weiteren Oberfläche der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Verfahren, wobei die Germanium-enthaltende Schicht eine Dicke von 20 µm oder weniger aufweist und wobei eine transparente leitfähige Materialschicht und ein Handhabungssubstrat auf einer weiteren Oberfläche der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht gebildet werden.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung, die Photovoltaikeinheiten mit erhöhter Gesamt-Leerlaufspannung bereitstellt, wird nun ausführlicher beschrieben, wobei auf die nachstehende Diskussion und die Abbildungen, die der vorliegenden Anmeldung beigefügt sind, verwiesen wird. Es wird angemerkt, dass die Abbildungen der vorliegenden Anmeldung nur zu veranschaulichenden Zwecken bereitgestellt werden und dass die Abbildungen selbst nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Ferner wird angemerkt, dass in den Abbildungen gleiche und entsprechende Elemente unter Verwendung gleicher Referenzzahlen gekennzeichnet sind.
  • In der nachstehenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, wie z.B. besondere Strukturen, Komponenten, Materialien, Abmessungen, Verarbeitungsschritte und Verfahren, um das Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Dem Fachmann ist aber klar, dass die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auch ohne diese spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden können. In anderen Fällen wurden gut bekannte Strukturen oder Verarbeitungsschritte nicht im Einzelnen beschrieben, um Verunklarung der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden.
  • Es ist zu beachten, dass wenn ein Element wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat als „auf“ oder „über“ einem anderen Element angeordnet bezeichnet wird, es direkt auf dem anderen Element angeordnet sein kann oder dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt auf“ oder „direkt über“ einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischen liegenden Elemente vorhanden. Ferner ist zu beachten, dass wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder daran „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder daran gekoppelt sein kann oder dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als mit einem anderen Element „direkt verbunden“ oder daran „direkt gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine dazwischen liegenden Elemente vorhanden.
  • Wie vorstehend angemerkt, stellt die vorliegende Offenbarung eine Rückseitenfeld-Struktur für eine untere Germanium-Zelle einer Mehrfachübergang-Photovoltaikeinheit bereit, die zu einer wesentlichen Erhöhung der Gesamt-Leerlaufspannung der Mehrfachübergang-Photovoltaikeinheit führen kann. Mit „Gesamt-Leerlaufspannung“ ist eine Spannung von 1,2 V bis 2,7 V gemeint. Mit „wesentlicher Erhöhung“ ist eine Verbesserung von 50 mV bis 500 mV gemeint.
  • Wie hierin verwendet, ist eine „Photovoltaikeinheit“ eine Einheit wie eine Solarzelle, die freie Elektronen und/oder Leerstellen, d.h. Löcher, erzeugt, wenn sie gegenüber Strahlung, wie z.B. Licht, exponiert wird, mit dem Ergebnis der Erzeugung eines elektrischen Stroms. Eine Photovoltaikeinheit enthält typischerweise Schichten von p-Typ-Leitfähigkeit und n-Typ-Leitfähigkeit, die eine Grenzfläche teilen, um einen Übergang bereitzustellen.
  • Bei der vorliegenden Offenbarung bedeutet „Rückseitenfeld-Struktur“ eine Struktur, die einen dotierten Bereich enthält, der eine höhere Dotierstoffkonzentration als eine Germanium-enthaltende Schicht und/oder eine geringere Elektronenaffinität (Xe) als die Germanium-enthaltende Schicht (im Fall von n-Typ-Dotierung) und/oder eine größere Summe von Elektronenaffinität und Bandlücke (Eg), d.h. Xe +Eg, als die Germanium-enthaltende Schicht (im Fall von p-Typ-Dotierung) aufweist. Die Rückseitenfeld-Struktur und die Germanium-enthaltende Schicht weisen typischerweise den gleichen Leitfähigkeitstyp auf, beispielsweise p-Typ- oder n-Typ-Leitfähigkeit. Der Übergang zwischen der Rückseitenfeld-Struktur und der Germanium-enthaltenden Schicht erzeugt ein elektrisches Feld, das eine Barriere für den Strom von Minoritätsträgern zu der hinteren Oberfläche einführt. Die Rückseitenfeld-Struktur verringert daher die Rate von Träger-Rekombination an der hinteren Oberfläche und hat somit eine Nettowirkung der Passivierung der hinteren Oberfläche der Solarzelle.
  • Es wird nun auf 1 und 2 verwiesen, die Photovoltaikeinheiten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellen. Jede Photovoltaikeinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält wenigstens eine obere Zelle 10. Die wenigstens eine obere Zelle 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung besteht aus wenigstens einem III-V-Halbleitermaterial. Das wenigstens eine III-V-Halbleitermaterial enthält wenigstens ein Element aus der Gruppe III des periodischen Systems der Elemente und wenigstens ein Element aus der Gruppe V des periodischen Systems der Elemente. Das III-V-Halbleitermaterial, das eingesetzt werden kann, kann ein binäres, d.h. Zweielement-, III-V-Halbleitermaterial, ein ternäres, d.h. Dreielement-, III-V-Halbleitermaterial oder ein quaternäres, d.h. Vierelement-, III-V-Halbleitermaterial enthalten. In der oberen Zelle 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung können auch III-V-Halbleitermaterialien, die mehr als 4 Element enthalten, verwendet werden.
  • Typische Beispiele von III-V-Halbleitermaterialien, die in der wenigstens einen oberen Zelle 10 vorhanden sein können, schließen Aluminiumantimonid (AlSb), Aluminiumarsenid (AlAs), Aluminiumnitrid (AIN), Aluminiumphosphid (AlP), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumantimonid (InSb), Indiumarsenid (InAs), Indiumnitrid (InN), Indiumphosphid (InP), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Indiumgalliumphosphid (InGaP), Aluminiumindiumarsenid (AllnAs), Aluminiumindiumantimonid (AllnSb), Galliumarsenidnitrid (GaAsN), Galliumarsenidantimonid (GaAsSb), Aluminiumgalliumnitrid (AIGaN), Aluminiumgalliumphosphid (AIGaP), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Indiumarsenidantimonid (InAsSb), Indiumgalliumantimonid (InGaSb), Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGalnP), Aluminiumgalliumarsenidphosphid (AIGaAsP), Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP), Indiumarsenidantimonidphosphid (InArSbP), Aluminiumindiumarsenidphosphid (AllnAsP), Aluminiumgalliumarsenidnitrid (AlGaAsN), Indiumgalliumarsenidnitrid (InGaAsN), Indiumaluminiumarsenidnitrid (InAlAsN), Galliumarsenidantimonidnitrid (GaAsSbN), Galliumindiumnitridarsenidaluminiumantimonid (GalnNAsSb), Galliumindiumarsenidantimonidphosphid (GalnAsSbP) und Kombinationen davon ein, ohne darauf beschränkt zu sein.
  • Jede Photovoltaikeinheit enthält auch eine untere Zelle 16 in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle 10. Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist die untere Zelle 16 eine Germanium-enthaltende Schicht 18 in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle 10, wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20, die in Kontakt mit einer Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht 18 steht, und wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 auf, die in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 steht. Die intrinsischen und/oder dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schichten (20 und 22) können amorph, nano/mikrokristallin, polykristallin oder einkristallin sein.
  • Der Begriff „einkristallin“ bezeichnet einen kristallinen Feststoff, bei dem das Kristallgitter des gesamten Materials im Wesentlichen kontinuierlich und im Wesentlichen bis zu den Rändern des Materials nicht unterbrochen ist, mit im Wesentlichen keinen Korngrenzen. Der Begriff „nano/mikrokristallin“ bezeichnet ein Material mit kleinkörnigen Kristalliten, die in einer amorphen Phase eingebettet sind.
  • Der Begriff „polykristallin“ bezeichnet ein Material, das ausschließlich kristalline Körner enthält, die von Korngrenzen getrennt sind. Der Begriff „amorph“ bezeichnet, dass der Halbleiterschicht eine wohldefinierte Kristallstruktur fehlt.
  • Die Germanium-enthaltende Schicht 18 weist ein Material auf, das wenigstens Germanium enthält. Bei einer Ausführungsform enthält die Germanium-enthaltende Schicht 18 der unteren Zelle 16 Germanium in einem Gehalt von mehr als 50 Atom-%. Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die Germanium-enthaltende Schicht 18 Germanium in einem Gehalt von mehr als 99 Atom-%. Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist die Germanium-enthaltende Schicht 18 eine reine Germaniumschicht, d.h. ein Germanium-enthaltendes Material mit 100 Atom-% Germanium.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die Germanium-enthaltende Schicht 18 einkristallin sein.
  • Die Germanium-enthaltende Schicht 18, die bei der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden kann, kann nichtdotiert (d.h. intrinsisch) oder dotiert sein. Wenn dotiert, kann die Germanium-enthaltende Schicht 18 eine n-Typ- oder eine p-Typ-Leitungsfähigkeit aufweisen. Wie hierin verwendet, bezeichnet „p-Typ“ das Hinzufügen von Verunreinigungen, die Fehlstellen von Valenzelektronen (d.h. Löcher) erzeugen, zu einem intrinsischen Halbleiter. Wie hierin verwendet, bezeichnet „n-Typ“ das Hinzufügen von Verunreinigungen, die freie Elektronen beitragen, zu einem intrinsischen Halbleiter. Der Begriff „Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet einen p-Typ- oder n-Typ-Dotierstoff. Beispiele von p-Typ-Dotierstoffen, die verwendet werden können, um der Germanium-enthaltenden Schicht 18 eine p-Typ-Leitfähigkeit zu verleihen, schließen Gallium (Ga), Bor (B) und Aluminium (Al) ein, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispiele von n-Typ-Dotierstoffen, die verwendet werden können, um der Germanium-enthaltenden Schicht 18 eine n-Typ-Leitfähigkeit zu verleihen, schließen Antimon (Sb), Arsen (As) und Phosphor (P) ein, ohne darauf beschränkt zu sein.
  • Der Dotierstoff, welcher der Germanium-enthaltenden Schicht 18 den Leitfähigkeitstyp verleiht, kann durch ein in-situ-Dotierverfahren eingeführt werden. Mit „in situ“ ist gemeint, dass der Dotierstoff, welcher den Leitfähigkeitstyp der Materialschicht verleiht, bei der Herstellung der Materialschicht eingeführt wird. Der p-Typ- und/oder n-Typ-Dotierstoff für die Germanium-enthaltende Schicht 18 kann auch nach dem Abscheiden der Germanium-enthaltenden Schicht 18 unter Verwendung von wenigstens einem von Plasmadotierung, Ionenimplantation und/oder Ausdiffundieren aus einer Einweg-Diffusionsquelle (beispielsweise Borsilicatglas) eingeführt werden.
  • Wenn auf eine p-Typ-Leitfähigkeit dotiert, kann die Konzentration des p-Typ-Dotierstoffs in der Germanium-enthaltenden Schicht 18 im Bereich von 1014 Atome/cm3 bis 1018 Atome/cm3 liegen. Wenn auf eine n-Typ-Leitfähigkeit dotiert, kann die Konzentration des n-Typ-Dotierstoffs in der Germanium-enthaltenden Schicht 18 im Bereich von 1014 Atome/cm3 bis 1018 Atome/cm3 liegen.
  • Die Dicke der Germanium-enthaltenden Schicht 18 der unteren Zelle 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung kann variieren. Bei einer Ausführungsform beträgt die Dicke der Germanium-enthaltenden Schicht 18 der unteren Zelle 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung von 0,5 µm bis 150 µm. Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dicke der Germanium-enthaltenden Schicht 18 der unteren Zelle 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung 20 µm oder weniger. Wie vorstehend angemerkt, weist die untere Zelle 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 auf. Die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 kann amorph, nano/mikrokristallin, polykristallin oder einkristallin sein. Der Begriff „wenigstens eine“ bedeutet, dass eine oder mehrere Schichten (d.h. 2, 3, 4, 5 usw.) eingesetzt werden. Typischerweise werden 1 bis 3 Schichten von intrinsischen hydrierten amorphen, nano/mikrokristallinen, polykristallinen oder einkristallinen Silicium-enthaltenden Materialien eingesetzt. Wenn mehr als eine Schicht eingesetzt wird, können die anderen Schichten die gleiche oder eine verschiedene Zusammensetzung aufweisen. Der Begriff „hydriert“ bedeutet, dass die Halbleiterschicht Wasserstoff enthält. Der Begriff „intrinsisch“ bedeutet, dass das Halbleitermaterial nichtdotiert ist, d.h. ein im Wesentlichen reines Halbleitermaterial ohne wesentlich darin vorhandenen Dotierstoff. Die Anzahl an Ladungsträgern in dem intrinsischen Halbleiter ist durch die Eigenschaften des Materials selbst bestimmt und nicht durch die Menge an Verunreinigungen, d.h. Dotierstoffen. Typischerweise ist in intrinsischen Halbleitern die Anzahl von angeregten Elektronen und die Anzahl von Löchern gleich (n = p). Die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 kann zum Passivieren der oberen Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht 18 dienen und die Elektron-Loch-Rekombination verringern.
  • Bei einer Ausführungsform weist die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 ein Silicium-Halbleitermaterial auf, das Silicium in einem Gehalt von 50 Atom-% oder mehr enthält. Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 Silicium in einem Gehalt, der größer ist als 95 Atom-%. Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 eine reine Siliciumschicht, d.h. ein Silicium-enthaltendes Material mit 100 Atom-% Silicium.
  • Bei einer Ausführungsform kann die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 Germanium enthalten. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 auch Kohlenstoff enthalten. Bei noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 sowohl Germanium als auch Kohlenstoff enthalten.
  • Bei einer Ausführungsform kann die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 eine intrinsische hydrierte amorphe, nano/mikrokristalline, polykristalline oder einkristalline Siliciumschicht, eine intrinsische hydrierte amorphe, nano/mikrokristalline, polykristalline oder einkristalline Silicium-Germanium-Schicht, eine intrinsische hydrierte amorphe, nano/mikrokristalline, polykristalline oder einkristalline Silicium-Kohlenstoff-Schicht, eine intrinsische hydrierte amorphe, nano/mikrokristalline, polykristalline oder einkristalline Silicium-Germanium-Kohlenstoff-Schicht oder Multischichten davon sein.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 Germanium enthält, beträgt der Gehalt an Germanium in der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 typischerweise von mehr als 0 Atom-% bis weniger als 100 Atom-%, wobei ein Bereich von mehr als 0 Atom-% bis 50 Atom-% typischer ist.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 Kohlenstoff enthält, beträgt der Gehalt an Kohlenstoff in der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 typischerweise von mehr als 0 Atom-% bis weniger als 80 Atom-%, wobei ein Bereich von mehr als 0 Atom-% bis 50 Atom-% typischer ist.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 Germanium und Kohlenstoff enthält, beträgt der Gehalt an Germanium in der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 typischerweise von mehr als 0 Atom-% bis weniger als 100 Atom-% und der Gehalt an Kohlenstoff in der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 liegt typischerweise im Bereich von mehr als 0 Atom-% bis weniger als 80 Atom-%. Bei einer weiteren Ausführungsform, wobei sowohl Germanium als auch Kohlenstoff in der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 vorhanden sind, beträgt der Gehalt an Germanium in der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 typischerweise von mehr als 0 Atom-% bis 50 Atom-% und der Gehalt an Kohlenstoff in der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 liegt typischerweise im Bereich von mehr als 0 Atom-% bis 50 Atom-%.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann der Gehalt an Kohlenstoff und/oder Germanium in der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 konstant sein oder über die Schicht variieren. Bei manchen Ausführungsformen kann die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 ferner wenigstens eines von Stickstoff, Sauerstoff, Fluor und Deuterium enthalten.
  • Bei einer Ausführungsform beträgt die Dicke der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 von 1 nm bis 20 nm. Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dicke der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 von 2 nm bis 10 nm. Es können auch andere Dicken eingesetzt werden, die größer oder kleiner als die vorstehend genannten sind.
  • Wie vorstehend beschrieben, weist die untere Zelle 16 gemäß der vorliegenden Offenbarung auch wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 auf. Die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 kann amorph, nano/mikrokristallin, polykristallin oder einkristallin sein. Der Begriff „wenigstens eine“ bedeutet, dass eine oder mehreren Schichten (d.h. 2, 3, 4, 5 usw.) eingesetzt werden. Typischerweise werden 1 bis 5 Schichten von dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Materialien eingesetzt. Wenn mehr als eine Schicht eingesetzt wird, können die anderen Schichten die gleiche oder eine andere Zusammensetzung und/oder Dotierstofftyp und -konzentration aufweisen. Der Begriff „hydriert“ bedeutet, dass die Halbleiterschicht Wasserstoff enthält. Die Begriffe „amorph“, „nano/mikrokristallin“, „polykristallin“ und „einkristallin“ haben die gleichen Bedeutungen wie vorstehend angegeben.
  • Bei einer Ausführungsform weist die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 ein Silicium-Halbleitermaterial auf, das Silicium in einem Gehalt von 50 Atom-% oder mehr enthält. Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 Silicium in einem Gehalt, der größer ist als 95 Atom-%. Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 eine reine Siliciumschicht, d.h. ein Silicium-enthaltendes Material mit 100 Atom-% Silicium.
  • Bei einer Ausführungsform kann die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 Germanium enthalten. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 auch Kohlenstoff enthalten. Bei noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 sowohl Germanium als auch Kohlenstoff enthalten.
  • Bei einer Ausführungsform kann die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 eine dotierte hydrierte amorphe, nano/mikrokristalline, polykristalline oder einkristalline Siliciumschicht, eine dotierte hydrierte amorphe, nano/mikrokristalline, polykristalline oder einkristalline Silicium-Germanium-Schicht, eine dotierte intrinsische hydrierte amorphe, nano/mikrokristalline, polykristalline oder einkristalline Silicium-Kohlenstoff-Schicht, eine dotierte intrinsische hydrierte amorphe, nano/mikrokristalline, polykristalline oder einkristalline Silicium-Germanium-Kohlenstoff-Schicht oder Multischichten davon sein.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 Germanium enthält, beträgt der Gehalt an Germanium in der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 typischerweise von mehr als 0 Atom-% bis weniger als 100 Atom-%, wobei ein Bereich von mehr als 0 Atom-% bis 50 Atom-% typischer ist.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 Kohlenstoff enthält, beträgt der Gehalt an Kohlenstoff in der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 typischerweise von mehr als 0 Atom-% bis weniger als 80 Atom-%, wobei ein Bereich von mehr als 0 Atom-% bis 50 Atom-% typischer ist.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 Germanium und Kohlenstoff enthält, beträgt der Gehalt an Germanium in der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 typischerweise von mehr als 0 Atom-% bis weniger als 100 Atom-% und der Gehalt an Kohlenstoff in der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 liegt typischerweise im Bereich von mehr als 0 Atom-% bis weniger als 80 Atom-%. Bei einer weiteren Ausführungsform, wobei sowohl Germanium als auch Kohlenstoff in der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 vorhanden sind, beträgt der Gehalt an Germanium in der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 typischerweise von mehr als 0 Atom-% bis 50 Atom-% und der Gehalt an Kohlenstoff in der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 liegt typischerweise im Bereich von mehr als 0 Atom-% bis 50 Atom-%.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann der Gehalt an Kohlenstoff und/oder Germanium in der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 konstant sein oder über die Schicht variieren. Bei manchen Ausführungsformen kann die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 ferner wenigstens eines von Stickstoff, Sauerstoff, Fluor und Deuterium enthalten.
  • Die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 weist eine n-Typ- oder p-Typ-Leitfähigkeit auf. Typischerweise weist die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 die gleiche Leitfähigkeit wie die Germanium-enthaltende Schicht 18 auf. Wenn also die Germanium-enthaltende Schicht 18 eine p-Typ-Leitfähigkeit aufweist, weist die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 ebenfalls eine p-Typ-Leitfähigkeit auf. Wenn die Germanium-enthaltende Schicht 18 eine n-Typ-Leitfähigkeit aufweist, weist die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 ebenfalls eine n-Typ-Leitfähigkeit auf. Der Begriff „p-Typ“ bezeichnet die Zugabe von Verunreinigungen, die Fehlstellen von Valenzelektronen (d.h. Löcher) erzeugen, zu einem intrinsischen Halbleiter. Wie hier verwendet, bezeichnet „n-Typ“ die Zugabe von Verunreinigungen, die freie Elektronen beitragen, zu einem intrinsischen Halbleiter. Der Begriff „Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet einen p-Typ- oder n-Typ-Dotierstoff. Beispiele von p-Typ-Dotierstoffen, die verwendet werden können, um der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 eine p-Typ-Leitfähigkeit zu verleihen, schließen Elemente der Gruppe IIIA des periodischen Systems der Elemente ein. Beispiele von n-Typ-Dotierstoffen, die verwendet werden können, um der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 eine n-Typ-Leitfähigkeit zu verleihen, schließen Elemente der Gruppe VA des periodischen Systems der Elemente ein.
  • Der Dotierstoff, welcher der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 den Leitfähigkeitstyp verleiht, kann durch ein in-situ-Dotierverfahren eingeführt werden. Mit „in situ“ ist gemeint, dass der Dotierstoff, welcher der Materialschicht den Leitfähigkeitstyp verleiht, bei der Herstellung der Materialschicht eingeführt wird. Der p-Typ- und/oder n-Typ-Dotierstoff für die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 kann auch nach dem Abscheiden der unter Verwendung von wenigstens einem von Plasmadotierung, Ionenimplantation und/oder Ausdiffundieren aus einer Einweg-Diffusionsquelle (beispielsweise Borsilicatglas) eingeführt werden.
  • Wenn auf eine p-Typ-Leitfähigkeit dotiert, kann die Konzentration des p-Typ-Dotierstoffs in der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 im Bereich von 1014 Atome/cm3 bis 1020 Atome/cm3 liegen. Wenn auf eine n-Typ-Leitfähigkeit dotiert, kann die Konzentration des n-Typ-Dotierstoffs in der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 im Bereich von 1014 Atome/cm3 bis 1020 Atome/cm3 liegen.
  • Bei einer Ausführungsform beträgt die Dicke der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 von 2 nm bis 20 nm. Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dicke der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 von 2 nm bis 30 nm. Es können auch andere Dicken eingesetzt werden, die größer oder kleiner als die vorstehend genannten sind.
  • Jede Photovoltaikeinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Metallraster enthalten, das an der obersten Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle 10 angeordnet ist. Das Metallraster weist eine Vielzahl von Metallfingern 14 auf, die innerhalb einer Vielzahl von strukturierten Antireflexbeschichtungen 12 angeordnet sind. Die Metallfinger 14 können ein Metall oder eine Metalllegierung aufweisen. Bei einer Ausführungsform bestehen die Metallfinger 14 aus Al. Bei einer weiteren Ausführungsform können die Metallfinger 14 aus einem von Ni, Co, Pt, Pd, Fe, Mo, Ru, W, Pd, Zn, Sn, Au, AuGe und Ag bestehen. Jeder Metallfinger 14 kann die gleiche oder eine verschiedene Dicke aufweisen. Typischerweise beträgt die Dicke jedes der Metallfinger 14 von 5 nm bis 15 µm, wobei eine Dicke 1 µm bis 10 µm typischer ist.
  • Die strukturierten Antireflexbeschichtungen 12, die bei der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden können, schließen jedes herkömmliche ARC-Material ein, wie z.B. eine anorganische ARC oder eine organische ARC. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält das ARC-Material Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Siliciumoxynitrid, Magnesiumfluorid, Zinksulfid, Titanoxid, Aluminiumoxid oder eine Kombination davon. Typischerweise beträgt die Dicke jeder der strukturierten Antireflexbeschichtungen 12 von 10 nm bis 200 nm.
  • Jede Photovoltaikeinheit kann auch einen leitfähigen Kontakt 24 aufweisen, der an der untersten Oberfläche der unteren Zelle 16 angeordnet ist. Der vorhandene leitfähige Kontakt 24 enthält wenigstens ein transparentes leitfähiges Material. In der gesamten Offenbarung ist ein Element „transparent“, wenn das Element im sichtbaren elektromagnetischen Spektralbereich ausreichend transparent ist. Der leitfähige Kontakt 24 enthält ein leitfähiges Material, das in einem Bereich der elektromagnetischen Strahlung transparent ist, bei dem die Fotoerzeugung von Elektronen und Löchern in der Photovoltaikeinheit stattfindet. Bei einer Ausführungsform kann das transparente leitfähige Material ein transparentes leitfähiges Oxid enthalten, wie z.B., aber nicht darauf beschränkt, ein Fluor-dotiertes Zinnoxid (SnO2:F), ein Aluminium-dotiertes Zinkoxid (ZnO:Al), Zinnoxid (SnO) und Indiumzinnoxid (InSnO2, oder abgekürzt ITO). Die Dicke des leitfähigen Kontakts 24 kann abhängig von dem Typ des eingesetzten transparenten leitfähigen Materials und dem Verfahren, das zum Herstellen des transparenten leitfähigen Materials verwendet wurde, variieren. Typischerweise, und bei einer Ausführungsform, liegt die Dicke des leitfähigen Kontakts 24 im Bereich von 20 nm bis 500 nm. Andere Dicken, einschließlich solcher von weniger als 20 nm und/oder größer als 500 nm, können ebenfalls eingesetzt werden.
  • Bei manchen Ausführungsformen, und wie in 2 gezeigt, kann die Photovoltaikeinheit auch ein Handhabungssubstrat 26 aufweisen, das unterhalb des leitfähigen Kontakts 24 angeordnet ist. Diese Ausführungsform wird typischerweise in Fällen eingesetzt, bei denen die Germanium-enthaltende Schicht 18 eine Dicke von 20 µm oder weniger aufweist. Beispiele von Handhabungssubstraten, die bei der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden können, schließen Siliciumsubstrate, Glas-, Teflon-, Invar-, Polyimid- und Kaptonplatten ein, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Dicke des Handhabungssubstrats 26 beträgt typischerweise von 50 µm bis 10 mm, wobei eine Dicke von 50 µm bis 2 mm typischer ist.
  • Es wird nun auf 3 bis 5 verwiesen, die grundlegende Arbeitsschritte veranschaulichen, die bei der Herstellung einiger der Photovoltaikeinheiten gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können. Insbesondere veranschaulichen 3 bis 5 eine Ausführungsform, bei der die Photovoltaikeinheit von 1 hergestellt wird. Die in 2 gezeigte Photovoltaikeinheit würde auf ähnliche Weise hergestellt werden, mit der Ausnahme, dass die Dicke der Germanium-enthaltenden Schicht 18 20 µm oder weniger betragen würde und ein Handhabungssubstrat 26 an der untersten Oberfläche der unteren Zelle 16 gebildet werden würde. Das Handhabungssubstrat 26 kann unter Verwendung eines herkömmlichen Abscheidungsverfahrens gebildet werden. Alternativ dazu kann bei der Herstellung des Handhabungssubstrats 26 an der Struktur ein Schichtübertragungsverfahren eingesetzt werden.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung weist das Bilden von wenigstens einer intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 in Kontakt mit einer Oberfläche einer Germanium-enthaltenden Schicht 18 auf. Als nächstes wird wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 gebildet. Die anderen Komponenten der in 1 und 2 gezeigten Photovoltaikeinheit können vor und/oder nach anderen der vorstehend genannten Schritte gebildet werden.
  • Beispielsweise, und wie in 3 gezeigt, beginnt das Verfahren mit dem Bilden von wenigstens einer intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 auf einer Oberfläche einer Germanium-enthaltenden Schicht 18, die zuvor bearbeitet worden ist, um die wenigstens eine obere Zelle 10, Metallfinger 14 und eine strukturierte Antireflexbeschichtung 12 aufzuweisen. Die Schicht 20 kann amorph, nano/mikrokristallin, polykristallin oder einkristallin sein. Obwohl die nachstehenden Abbildungen und die nachstehende Beschreibung das Vorhandensein von wenigstens einer oberen Zelle 10, von Metallfingern 14 und strukturierten Antireflexbeschichtung 12 darstellen, können diese Elemente entweder vor oder nach dem Bilden der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 gebildet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird zuerst eine Germanium-enthaltende Schicht 18 bereitgestellt. Die Germanium-enthaltende Schicht 18 kann unter Verwendung von Verfahren, die dem Fachmann gut bekannt sind, gebildet werden, einschließlich beispielsweise Abscheidung und Wachstum. Bei einer Ausführungsform kann die Germanium-enthaltende Schicht 18 unter Verwendung eines Czochralsky(CZ)-Verfahrens hergestellt werden. Das Czochralsky(CZ)-Verfahren weist den Einsatz eines Keims von einkristallinem Germanium und Anordnen davon in Kontakt mit der oberen Oberfläche von geschmolzenem Germanium auf. Beim langsamen Heben (oder Ziehen) des Keims verfestigen sich Atome des geschmolzenen Germaniums in der Struktur des Keims und erweitern die Einkristallstruktur. Die Einkristallstruktur wird dann zu Wafern gesägt, d.h. Substraten, welche die Germanium-enthaltende Schicht 18 bereitstellen können.
  • Nach der Bereitstellung der Germanium-enthaltenden Schicht 18 kann die obere Zelle, einschließlich des III-V-Halbleitermaterials, unter Verwendung eines herkömmlichen Abscheidungsverfahrens auf einer Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht 18 gebildet werden. Alternativ dazu kann eine Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht 18 durch ein Schichtübertragungsverfahren mit der wenigstens einen oberen Zelle 10 mit oder ohne die Metallfinger 14 und strukturierte Antireflexbeschichtung 12 versehen werden. Das auf der wenigstens einen oberen Zelle 10 vorhandene Metallraster kann gebildet werden, indem zuerst eine Deckschicht aus einer Antireflexbeschichtung auf einer Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle 10 bereitgestellt wird, die der Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle 10 gegenüberliegt, die in direktem Kontakt mit der Germanium-enthaltenden Schicht 18 steht. Die Deckschicht der Antireflexbeschichtung kann unter Verwendung eines beliebigen herkömmlichen Abscheidungsverfahrens gebildet werden. Nach dem Abscheiden der Deckschicht der Antireflexbeschichtung wird die Deckschicht der Antireflexbeschichtung durch herkömmliche Verfahren, wie z.B. Lithographie und Ätzen, strukturiert. Das Strukturieren entfernt Teile der Deckschicht der Antireflexbeschichtung, während andere Teile der Deckschicht der Antireflexbeschichtung auf der Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle 10 zurückbleiben. Anschließend werden Metallfinger 14 gebildet. Bei einer Ausführungsform werden Metallfinger 14 durch Siebdrucken unter Verwendung einer leitfähigen Paste gebildet. Alternativ dazu können die Metallfinger durch Sputtern, thermisches oder Elektronenstrahl-Aufdampfen oder Plattieren gebildet werden.
  • Die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20, die auf einer Oberfläche einer Germanium-enthaltenden Schicht 18 gebildet wird, wird durch ein beliebiges physikalisches oder chemisches Wachstums-Abscheidungsverfahren gebildet. Beispielsweise kann plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung verwendet werden, um die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 zu bilden. Bei einer Ausführungsform wird die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 20 in einer Prozesskammer gebildet, die wenigstens ein Halbleitervorläuferquellenmaterial-Gas und einen Träger, der Wasserstoff enthalten kann, enthält. Bei einer Ausführungsform enthält das wenigstens eine Halbleitervorläuferquellenmaterial-Gas ein Silicium-enthaltendes Vorläufergas. Es kann auch ein optionales Kohlenstoff-enthaltendes Quellengas und/oder ein Germanium-enthaltendes Vorläuferquellengas verwendet werden. Beispiele von Silicium-enthaltenden Vorläuferquellengasen, die bei der Herstellung der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 eingesetzt werden können, schließen SiH4 Si2H6, SiH2Cl2 und SiCl4 ein, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispiele von Kohlenstoff-enthaltenden Vorläuferquellengasen, die bei der Herstellung der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 eingesetzt werden können, schließen CCl4 und CH4 ein, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispiele von Germanium-enthaltenden Vorläuferquellengasen, die bei der Herstellung der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 eingesetzt werden können, schließen GeH4 ein, ohne darauf beschränkt zu sein.
  • Nun wird auf 4 verwiesen, die die Struktur von 3 nach dem Bilden der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 auf einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Die Schicht 22 kann amorph, nano/mikrokristallin, polykristallin oder einkristallin sein. Die Schichten 20 und 22 können die gleiche oder verschiedene Kristallstrukturen aufweisen. Die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 kann durch ein beliebiges physikalisches oder chemisches Wachstums-Abscheidungsverfahren gebildet werden. Beispielsweise kann plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung verwendet werden, um die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 zu bilden. Die Dotierstoffe können während des Abscheidungsverfahrens durch Einschließen von wenigstens einem Dotierstoffatom einverleibt werden. Dieses Verfahren wird als in-situ-Abscheidungsverfahren bezeichnet. Alternativ dazu können, wie vorstehend erwähnt, die Dotierstoffe einer zuvor nichtdotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht einverleibt werden.
  • Bei einer Ausführungsform wird die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 in einer Prozesskammer gebildet, die wenigstens ein Halbleitervorläuferquellenmaterial-Gas und einen Träger, der Wasserstoff enthalten kann, enthält. Bei einer Ausführungsform enthält das wenigstens eine Halbleitervorläuferquellenmaterial-Gas ein Silicium-enthaltendes Vorläufergas. Es kann auch ein optionales Kohlenstoff-enthaltendes Quellengas und/oder ein Germanium-enthaltendes Vorläuferquellengas verwendet werden. Beispiele von Silicium-enthaltenden Vorläuferquellengasen, die bei der Herstellung der Schicht 22 eingesetzt werden können, schließen SiH4 Si2H6, SiH2Cl2 und SiCl4 ein, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispiele von Kohlenstoff-enthaltenden Vorläuferquellengasen, die bei der Herstellung der Schicht 22 eingesetzt werden können, schließen CCl4 und CH4 ein, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispiele von Germanium-enthaltenden Vorläuferquellengasen, die bei der Herstellung der Schicht 22 eingesetzt werden können, schließen GeH4 ein, ohne darauf beschränkt zu sein.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen der Dotierstoff in die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht 22 eingeführt wird, kann während des Abscheidungsverfahrens eine Dotierstoffquelle vorhanden sein. Alternativ dazu können die Dotierstoffe wie vorstehend beschrieben nach dem Abscheiden der Schicht 22 eingeführt werden.
  • Bezug nehmend auf 5 wird die Struktur von 4 nach dem Bilden eines leitfähigen Kontakts 24 auf einer Oberfläche der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht 22 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Der wenigstens eine leitfähige Kontakt 24 kann unter Verwendung eines Abscheidungsverfahrens, wie z.B. Sputtern oder chemische Gasphasenabscheidung, gebildet werden. Beispiele von chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren, die für die Verwendung bei der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, schließen APCVD, LPCVD, PECVD, MOCVD und Kombinationen davon ein, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispiele von Sputterverfahren, die verwendet werden können, schließen beispielsweise RF- und DC-Magnetron-Sputtern ein.

Claims (14)

  1. Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit, aufweisend: wenigstens eine obere Zelle (10), bestehend aus wenigstens einem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial; eine untere Germanium-Zelle (16) in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle (10), wobei die untere Zelle (16) eine Germanium-enthaltende Schicht (18) in Kontakt mit der Oberfläche der wenigstens einen oberen Zelle (10), wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (20) in Kontakt mit einer Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht (18) und wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (22) in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (20) aufweist; und einen leitfähigen Kontakt (24) in Kontakt mit einer Oberfläche der dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (22), wobei der leitfähige Kontakt (24) wenigstens ein transparentes leitfähiges Material enthält, wobei ein Übergang zwischen der Germanium-enthaltenden Schicht (18) und einer Rückseitenfeld Struktur aus der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (20) und der dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (22) ein elektrisches Feld erzeugt, das eine Barriere für den Strom von Minoritätsträgern zu dem leitfähigen Kontakt (24) einführt, wobei die Germanium-enthaltende Schicht (18) und die Rückseitenfeld Struktur den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen.
  2. Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine obere Zelle (10), die aus wenigstens einem III-V-Halbleitermaterial besteht, wenigstens eine Materialschicht enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumantimonid (AlSb), Aluminiumarsenid (AlAs), Aluminiumnitrid (AIN), Aluminiumphosphid (AlP), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumantimonid (InSb), Indiumarsenid (InAs), Indiumnitrid (InN), Indiumphosphid (InP), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Indiumgalliumphosphid (InGaP), Aluminiumindiumarsenid (AlInAs), Aluminiumindiumantimonid (AllnSb), Galliumarsenidnitrid (GaAsN), Galliumarsenidantimonid (GaAsSb), Aluminiumgalliumnitrid (AIGaN), Aluminiumgalliumphosphid (AIGaP), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Indiumarsenidantimonid (InAsSb), Indiumgalliumantimonid (InGaSb), Aluminiumgalliumindiumphosphid (AIGaInP), Aluminiumgalliumarsenidphosphid (AIGaAsP), Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP), Indiumarsenidantimonidphosphid (InArSbP), Aluminiumindiumarsenidphosphid (AlInAsP), Aluminiumgalliumarsenidnitrid (AIGaAsN), Indiumgalliumarsenidnitrid (InGaAsN), Indiumaluminiumarsenidnitrid (InAlAsN), Galliumarsenidantimonidnitrid (GaAsSbN), Galliumindiumnitridarsenidaluminiumantimonid (GaInNAsSb), Galliumindiumarsenidantimonidphosphid (GalnAsSbP) und Kombinationen davon.
  3. Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Germanium-enthaltende Schicht (18) einkristallin ist und eine p-Typ-Dotierstoff-Leitfähigkeit aufweist.
  4. Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (20) ferner Germanium und/oder Kohlenstoff enthält.
  5. Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (22) eine p-Typ-Dotierstoff-Leitfähigkeit aufweist und/oder ferner Germanium und/oder Kohlenstoff enthält.
  6. Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (20) Multischichten von intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schichten aufweist, wobei die Multischichten die gleiche Zusammensetzung aufweisen.
  7. Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (20) Multischichten von intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schichten aufweist, wobei die Multischichten eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen.
  8. Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (22) Multischichten von dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schichten aufweist, wobei die Multischichten eine gleiche Zusammensetzung oder eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen.
  9. Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Vielzahl von Metallfingern (14), angeordnet innerhalb einer Vielzahl von strukturierten Antireflexbeschichtungen (12), wobei die Vielzahl von Metallfingern (14) und die Vielzahl von strukturierten Antireflexbeschichtungen (12) auf einer weiteren Oberfläche der oberen Zelle vorhanden sind.
  10. Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Germanium-enthaltende Schicht (18) eine Dicke von 20 µm oder weniger aufweist und wobei die Schicht von transparentem leitfähigem Material (24) und ein Handhabungssubstrat (26) auf einer Oberfläche der wenigstens einen dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (24) angeordnet sind.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit, aufweisend: Bilden wenigstens einer oberen Zelle (10), bestehend aus wenigstens einem III-V-Verbindungs-Halbleitermaterial, wobei die wenigstens eine obere Zelle in Kontakt mit einer Oberfläche einer Germanium-enthaltenden Schicht (18) einer unteren Germanium-Zelle (16) ist; Bilden von wenigstens einer intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (20) in Kontakt mit einer Oberfläche der Germanium-enthaltenden Schicht (18); Bilden von wenigstens einer dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (22) in Kontakt mit einer Oberfläche der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (20); und Bilden eines leitfähigen Kontakts (24) in Kontakt mit einer Oberfläche der dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht (22), wobei der leitfähige Kontakt wenigstens ein transparentes leitfähiges Material enthält, wobei ein Übergang zwischen der Germanium-enthaltenden Schicht (18) und einer Rückseitenfeld Struktur aus der wenigstens einen intrinsischen hydrierten Silicium-enthaltende Schicht (20) und der dotierten hydrierten Silicium-enthaltenden Schicht ein (22) elektrisches Feld erzeugt, das eine Barriere für den Strom von Minoritätsträgern zu dem leitfähigen Kontakt (24) einführt, wobei die Germanium-enthaltende Schicht (18) und die Rückseitenfeld Struktur den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (20) ferner eines von Germanium und Kohlenstoff enthält.
  13. Verfahren nach Anspruch 12 oder 11, wobei die wenigstens eine dotierte hydrierte Silicium-enthaltende Schicht ferner (22) eines von Kohlenstoff und Germanium enthält.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 11, wobei die Germanium-enthaltende Schicht (18) eine p-Typ-Leitfähigkeit aufweist, die darin gebildet wird, bevor die wenigstens eine intrinsische hydrierte Silicium-enthaltende Schicht (20) darauf gebildet wird.
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