DE102013002298A1 - Mehrfachsolarzelle, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung hiervon - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen vorgeschlagen, welche eine rückseitige, mindestens einen pn-Übergang aufweisende Teilzelle enthaltend GaSb und eine vorderseitige und mindestens zwei pn-Übergänge aufweisende Teilzelle enthält und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die rückseitige Teilzelle eine ≥ 2%, insbesondere > 4%, größere Gitterkonstante aufweist als die vorderseitige Teilzelle und die beiden Teilzellen über eine optisch transparente und elektrisch leitfähige Wafer-Bond Verbindung miteinander verbunden sind. Die Mehrfachsolarzelle erreicht eine hohe Absorption bis zur Bandlückenenergie der untersten GaSb-enthaltenden Teilzelle und eine Photospannung, welche gegenüber Mehrfachsolarzellen aus dem Stand der Technik erhöht ist. Ferner werden Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle vorgestellt und Verwendungen der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle angegeben.

Description

  • Es wird eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen vorgeschlagen, welche eine rückseitige, mindestens einen pn-Übergang aufweisende Teilzelle enthaltend GaSb und eine vorderseitige und mindestens zwei pn-Übergänge aufweisende Teilzelle enthält und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die rückseitige Teilzelle eine ≥ 2%, insbesondere > 4%, größere Gitterkonstante aufweist als die vorderseitige Teilzelle und die beiden Teilzellen über eine optisch transparente und elektrisch leitfähige Wafer-Bond Verbindung miteinander verbunden sind. Die Mehrfachsolarzelle erreicht eine hohe Absorption bis zur Bandlückenenergie der untersten GaSb-enthaltenden Teilzelle und eine Photospannung, welche gegenüber Mehrfachsolarzellen aus dem Stand der Technik erhöht ist. Ferner werden Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle vorgestellt und Verwendungen der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle angegeben.
  • Es ist bekannt, dass so genannte Mehrfachsolarzellen davon profitieren, wenn die Anzahl der Teilzellen erhöht werden kann. Wichtig sind dabei allerdings neben der Anzahl der Teilzellen die sogenannten Bandlückenenergien der Materialien. Diese müssen optimal an das Sonnenspektrum angepasst sein. Die heute am weitesten verbreiteten III–V Solarzellen bestehen aus drei pn-Übergängen in den Materialien GaInP (1.9 eV), GaInAs (1.4 eV) und Germanium (0.7 eV).
  • Die nächste Generation von Mehrfachsolarzellen soll drei, vier oder mehr pn-Übergänge mit möglichst optimaler Bandlückenkombination enthalten, um die Effizienz weiter zu steigern. Hierbei liegen bei einer Vierfachsolarzelle die optimalen Bandlückenenergien für die terrestrische Anwendung bei 1.9, 1.4, 1.0 und 0.5 eV. Es ist bekannt, dass diese Kombination auf Germanium schwierig zu realisieren ist. Eine alternative Kombination von 1.9, 1.4, 1.1 und 0.7 eV liegt allerdings nur 3,5% relativ in der mittleren Leistung darunter und kann mit verschiedenen Materialkombinationen realisiert werden.
  • Die meisten heutigen Konzepte bauen auf einer untersten Teilzelle mit einer Bandlückenenergie im Bereich von 0.7 eV auf. Die wichtigsten Vertreter sollen im Folgenden kurz erläutert werden:
    • – GaInP/GaInAs/GaInNAs/Ge Solarzelle: dieser Typ einer Vierfachsolarzelle baut auf der herkömmlichen Epitaxie von III–V Mehrfachsolarzellen auf Germanium Substrat auf. Einzige Änderung zum heutigen Stand der Technik ist die Integration einer zusätzlichen Teilzelle aus dem verdünnt stickstoffhaltigen Material GaInNAs. Alternativ zu GaInNAs können auch Halbleiter wie GaNAsSb oder BGaInAs eingesetzt werden. Die Konzentration von N bzw. B liegt im Bereich von 2–4%. So können III–V Verbindungen hergestellt werden, welche eine Bandlückenenergie von 1.0 eV aufweisen und gitterangepasst zu Germanium gewachsen werden können. Das große Problem bei diesem Ansatz ist die Materialqualität der verdünnt N(bzw. B)-haltigen Materialien. Bisher ist es nicht möglich gewesen Solarzellen mit hoher Effizienz und gleichzeitig mit dem heute verbreiteten Verfahren der Metallorganischen Gasphasenepitaxie herzustellen. Gute Ergebnisse wurden allerdings bei Wachstum mittels Molekularstrahl-Epitaxie erreicht. Diese Methode zeichnet sich allerdings durch deutlich höhere Herstellungskosten für die Solarzellen aus und findet daher heute keine Anwendung in der industriellen Produktion. Ein Wachstum der GaInP/GaInAs/GaInNAs/Ge Solarzellen mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie ist momentan nicht in Sicht (siehe Volz, K. et al. (2008), Journal of Crystal Growth, Band 310, S. 222–2228; Volz, K. et al. (2009), Proceedings of the 34th IEEE Photovoltaic Solar Energy Conference, Philadelphia, USA; Essig, S. et al. (2011), Proceedings of the 9th European Space Power Conference, Saint-Raphael, France). Weiterhin besitzen Germanium Solarzellen eine vergleichsweise geringe Leerlaufspannung, welche typischerweise bei einer Sonne im Bereich von 260 mV liegt
    • – GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs Solarzelle: bei diesem Typ einer Vierfachsolarzelle wird die eine Hälfte der Struktur auf Galliumarsenid Substrat gewachsen und die andere Hälfte auf Indium Phosphid Substrat. Es können prinzipiell die gewünschten Bandlücken der Materialien erreicht werden. Bei diesem Konzept wird der obere und untere Teil der Struktur über einen Wafer Bond oder über mechanisches Stapeln verbunden (siehe Bhusari, D. et al. (2011), Proceedings of the 37th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Seattle, Washington, USA). Der Nachteil dieser Struktur besteht darin, dass die untere Teilzelle auf Indium Phosphid Substrat gewachsen werden muss. Dieses Substrat ist extrem teuer (die Kosten liegen etwa 8–10 mal höher im Vergleich zu Germanium und Galliumarsenid.
    • – Invertiert gewachsene GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs Solarzelle: bei diesem Konzept werden alle Teilzellen invertiert auf einem Galliumarsenid oder Germanium Substrat aufgewachsen. Danach wird die Struktur auf ein Substrat zur Stabilisierung übertragen, das Galliumarsenid bzw. Germanium Substrat entfernt und die Solarzelle prozessiert (siehe Friedmann, D. J. et al. (2006) Proceedings of the 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Waikoloa, Hawaii, USA; Stan, M. et al. (2010) Journal of Crystal Growth, Band 312, S. 1370–1374). Die niedrigen Banklückenenergien von GaInAs im Bereich von 1 eV und 0.7 eV erfordern das Wachstum von metamorphen Pufferschichten mit einer sehr hohen Verspannung. Hierdurch entstehen zahlreiche Versetzungen, welche einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle haben. Weiter hat sich herausgestellt, dass das GaInAs-Material für die Weltraumanwendung weniger geeignet ist, da die Solarzellen unter der Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen und Protonen schneller degradieren.
    • – GaInP/GaAs/GaInAs/Ge Solarzelle: hier wird zunächst eine GaInP/GaAs Tandemzelle auf Galliumarsenid gewachsen, dann eine GaInAs Teilzelle und eine metamorpher Pufferstruktur auf eine Germanium Teilzelle aufgewachsen, dann beide Teile in einem Wafer-Bonding Prozess miteinander verbunden und das Galliumarsenid-Substrat entfernt. So entsteht eine Vierfachsolarzellenstruktur durch die Kombination von Wachstum auf zwei Substraten und Wafer-Bonding. Der Nachteil dieser Struktur besteht darin, dass die unterste Teilzelle aus Germanium aus einem indirekten Halbleiter besteht und damit die Absorption für Wellenlangen größer 1600 nm stark abfällt. Weiterhin besitzen Germanium Solarzellen eine vergleichsweise geringe Leerlaufspannung, welche typischerweise bei einer Sonne im Bereich von 260 mV liegt (siehe DE 10 2012 004 734 ).
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit, eine Mehrfachsolarzelle bereitzustellen, welche der theoretisch optimalen Bandlückenkombination möglichst nahe kommt und gleichzeitig eine hohe Qualität der Teilzellen bereitstellt – insbesondere eine hohe Absorption bis zur Bandlückenenergie und eine hohe Photospannung.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Mehrfachsolarzelle gemäß Anspruch 1, die Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16 und die Verwendung der Mehrfachsolarzelle gemäß Anspruch 18.
  • Erfindungsgemäß wird eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen bereitgestellt, enthaltend eine rückseitige, mindestens einen pn-Übergang aufweisende Teilzelle enthaltend GaSb und eine vorderseitige und mindestens zwei pn-Übergänge aufweisende Teilzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle eine ≥ 2%, insbesondere > 4%, größere Gitterkonstante aufweist als die vorderseitige Teilzelle und die beiden Teilzellen über eine optisch transparente und elektrisch leitfähige Wafer-Bond Verbindung miteinander verbunden sind.
  • Vorteile der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle sind, dass sie eine hohe Absorption bis zur Bandlückenenergie aufweist und eine hohe Photospannung erreicht wird.
  • Galliumantimonid als Bestandteil einer Teilzelle zu verwenden hat den Vorteil, dass es aus Elementen besteht, welche auf der Erde weit verbreitet sind, wodurch sich die Herstellung ökonomisch durchführen lässt. Es ist ebenso bekannt, dass Galliumantimonid Solarzellen eine wesentlich höhere Photospannung erzielen im Vergleich zu Germanium Solarzellen mit ähnlicher Bandlückenenergie. So wurden für Galliumantimonid 349 mV bei einer Sonne gemessen im Vergleich zu 264 mV für Germanium. Zudem bietet Galliumantimonid den Vorteil, dass es sich um einen direkten Halbleiter handelt und somit eine hohe Absorption bis zur Bandlückenenergie gewährleistet wird. Weiterhin lassen sich auf Galliumantimonid Substrat gitterangepasst Schichten aus GaInAsSb realisieren, welche noch näher an der theoretisch optimalen Bandlücke von 0.5 eV für die unterste Teilzelle einer Vierfachsolarzelle liegen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die vorderseitige Teilzelle mindestens zwei pn-Übergänge auf, welche AlGaAs und/oder GaAs und/oder AlGaInP und/oder GaInP enthalten oder daraus bestehen.
  • Die vorderseitige Teilzelle kann eine metamorphe Pufferschicht zur Veränderung der Gitterkonstante und mindestens einen pn-Übergang, welcher GaInAs enthält, aufweisen.
  • Die metamorphe Pufferschicht verändert die Gitterkonstante bevorzugt um 1,5% bis 3%, insbesondere um 2% bis 2,5%.
  • Die metamorphe Pufferschicht kann aus AlGaInAs oder GaInAs oder GaInP oder AlGaInP oder GaPSb bestehen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die vorderseitige Teilzelle auf einem GaAs oder Ge Wafer epitaxiert.
  • Die vorderseitige Teilzelle kann mindestens drei pn-Übergänge aufweisen, wobei mindestens zwei pn-Übergänge AlGaAs und/oder GaAs und/oder AlGaInP und/oder GaInP enthalten oder daraus bestehen und der mindestens eine weitere pn-Übergang GaInAs enthält oder daraus besteht, wobei die beiden ersten und der weitere pn-Übergang über einen metamorphen Puffer verbunden sind, welcher einen Gitterkonstantenunterschied zwischen 1–5%, bevorzugt zwischen 2–4% überbrückt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die vorderseitige Teilzelle drei pn-Übergänge mit Bandlücke in den Bereichen 1.80–1.95 eV, 1.40–1.55 eV und 1.00–1.15 eV auf.
  • Die rückseitige Teilzelle kann einen oder mehrere pn-Übergänge aufweisen, welche jeweils eine Bandlückenenergie zwischen 0.50–1.00 eV besitzen und welche jeweils GaSb oder AlGaAsSb oder GaInAsSb oder GaPSb enthalten oder daraus bestehen.
  • Bevorzugt ist, dass die rückseitige Teilzelle zwei pn-Übergänge aufweist, wobei ein pn-Übergang GaInAsSb mit einer Bandlückenenergie zwischen 0.50–0.72 eV enthält oder daraus besteht.
  • Ferner kann die rückseitige Teilzelle eine metamorphe Pufferschicht zur Anpassung der Gitterkonstante enthalten, wobei die metamorphe Pufferschicht insbesondere aus GaInAsSb, GaInAs, AlGaInAs, GaAsSb, AlAsSb, GaPSb und/oder AlPSb besteht.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die rückseitige Teilzelle auf einem GaSb Wafer epitaxiert.
  • Die einzelnen Teilzellen können weitere Funktionschichten aufweisen, insbesondere Tunneldioden zur elektrischen Verbindung der einzelnen Teilzellen, Barriereschichten an der Front- und Rückseite der Teilzellen, hochdotierte Kontaktschichten, interne Reflexionsschichten und/oder Antireflexschichten an der Vorderseite der Zelle.
  • Jeweils zwischen zwei Teilzellen kann eine Tunneldiode zur elektrischen Serienverschaltung enthalten sein.
  • Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle bereitgestellt, bei dem
    • a) auf einem Substrat eine rückseitige Teilzelle enthaltend GaSb aufgewachsen wird;
    • b) auf einem Substrat aus GaAs oder Ge eine vorderseitige Teilzelle mit mindestens zwei pn-Übergängen aus III–V Verbindungshalbleitern aufgewachsen wird, wobei pn-Übergänge mit ansteigender Bandlückenenergie nacheinander folgen;
    • c) die vorderseitige Teilzelle an der Frontseite durch einen Träger mittels einem ablösbaren Klebstoff stabilisiert und das Substrat aus GaAs oder Ge entfernt wird;
    • d) die Teilzellenstrukturen aus a) und c) mittels Waferbonding verbunden werden;
    • e) der Träger und der Klebstoff aus Schritt c) entfernt werden;
    • f) die Solarzelle mit Kontakten und Antireflexschicht versehen wird.
  • Sofern erforderlich kann in dem obigen Verfahren nach Schritt c) die Oberfläche der rückseitigen und die der vorderseitigen Teilzelle poliert und/oder gereinigt werden.
  • Desweiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle bereitgestellt, bei dem
    • a) auf einem Substrat eine rückseitige Teilzelle enthaltend GaSb aufgewachsen wird;
    • b) auf einem Substrat aus GaAs oder Ge eine vorderseitige Teilzelle mit mindestens zwei pn-Übergängen aus III–V Verbindungshalbleitern aufgewachsen wird, wobei pn-Übergänge mit abfallender Bandlückenenergie nacheinander folgen;
    • c) die Teilzellenstrukturen aus a) und b) mittels Waferbonding verbunden werden;
    • d) nach dem Waferbonding das Substrat aus GaAs oder Ge abgelöst wird;
    • e) die Solarzelle mit Kontakten und Antireflexschicht versehen wird.
  • Sofern erforderlich kann in dem obigen Verfahren nach Schritt b) die Oberfläche der rückseitigen und die der vorderseitigen Teilzelle poliert und/oder gereinigt werden.
  • Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle können dadurch gekennzeichnet sein, dass das GaSb Substrat der rückseitigen Teilzelle während der Prozessierung zumindest teilweise entfernt wird und die Struktur auf einen Träger, bevorzugt einen Träger aus Silicium, AlSi, Kohlenstoff, Mo oder anderen Kompositen übertragen wird.
  • Die erfindungsgemäße Mehrfachsolarzelle kann im Weltraum oder in terrestrischen Konzentratorsystemen verwendet werden.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
  • 1 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Dreifachsolarzelle. Eine erste, GaSb-enthaltende Teilzelle 2 mit einem ersten pn-Übergang ist epitaktisch verbunden mit einem rückseitigen Substrat 1, welches GaSb enthält oder daraus besteht. Es kann sich hierbei um einen GaSb-Wafer handeln oder um eine dünne GaSb-Schicht, welche auf einen leitfähigen Träger aufgebracht ist (beispielsweise eine GaSb-Schicht auf Trägermaterial aus Si, AlSi, Kohlenstoff, Mo oder anderen Kompositen). Zudem weist das Substrat 1 einen Rückseitenkontakt 7 auf. Richtung Vorderseite ist die erste Teilzelle 2 mit zwei weiteren Teilzelle 3 und 4 über eine Wafer-Bond-Verbindung 6 verbunden. Die Wafer-Bond Verbindung kann durch direktes Halbleiterbonden, durch Bonden amorpher Halbleiterschichten oder durch Bonden transparenter leitfähiger Zwischenschichten wie Indium-Zinn-Oxid erfolgen. Entscheidend ist hierbei, dass die Verbindung elektrisch leitfähig sowie optisch transparent ist für das Licht, welches in der untersten GaSb-enthaltenden Teilzelle 2 absorbiert wird. Zur Erhöhung der Festigkeit kann die Bondverbindung thermisch ausgeheizt sein. Weiterhin können die Oberflächen der Teilzellen vor dem Bonden poliert und/oder gereinigt worden sein, um eine geringe Oberflächenrauigkeit sowie geringe Konzentration an Verunreinigungen und Oxiden zu gewährleisten.
  • Vorderseitig weist die Teilzelle 4 eine Antireflexschicht 5 und mehrere Vorderseitenkontakte 8 auf. Der Vorderseitenkontakt ist typischerweise als Kontaktfingerstruktur ausgebildet, welcher so ausgelegt ist, dass sich die Lichtreflexion an den Metallfingern mit Widerstandsverlusten durch eine begrenzte Leitfähigkeit die Waage halten.
  • Die Teilzellen 2, 3 und 4 weisen jeweils einen pn oder np-Übergang auf. Die Bandlückenenergie der Halbleiter der Teilzellen steigt dabei von 2 zu 3 und von 3 zu 4 an. Die Teilzellen können weitere funktionale Schichten wie Barriereschichten oder Tunneldioden zur seriellen Verschaltung aufweisen. Das Substrat 1 und die erste Teilzelle 2 bilden gemeinsam die rückseitige Teilzelle 9 während die zweite Teilzelle 3 und die dritte Teilzelle 4 gemeinsam die vorderseitige Teilzelle 10 bilden. Die rückseitige und vorderseitige Teilzelle unterscheiden sich in ihrer Gitterkonstante und sind über die Bondverbindung 6 miteinander optisch und elektrisch verbunden.
  • 2 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Vierfachsolarzelle. Die GaSb enthaltende Teilzelle 2 weist einen Rückseitenkontakt 7 und ein Substrat 1 auf, welches GaSb enthält oder daraus besteht. Es kann sich hierbei um einen GaSb-Wafer handeln oder um eine dünne GaSb-Schicht, welche auf einen leitfähigen Träger aufgebracht ist (beispielsweise eine GaSb-Schicht auf Trägermaterial aus Si, AlSi, Kohlenstoff, Mo oder anderen Kompositen). Der erste pn-Übergang 2 besteht zum Beispiel aus GaSb mit einer Bandlückenenergie von 0,7 eV. Alternativ kann auch GaInAsSb mit einer Bandlückenenergie zwischen 0.5–0.7 eV gewählt werden, wobei die Bandlücke bei gleichbleibender Gitterkonstante von GaSb durch die Zugabe von Indium und Arsen in GaInAsSb gesenkt werden kann. Die erste Teilzelle 2 ist über eine Wafer-Bond-Verbindung 6 mit der zweiten Teilzelle 3 aus GaInAs verbunden. Die Wafer-Bond Verbindung kann durch direktes Halbleiterbonden, durch Bonden amorpher Halbleiterschichten oder durch Bonden transparenter leitfähiger Zwischenschichten wie Indium-Zinn-Oxid erfolgen. Entscheidend ist hierbei, dass die Verbindung elektrisch leitfähig sowie optisch transparent ist für das Licht, welches in der untersten GaSb enthaltenden Teilzelle absorbiert wird. Zur Erhöhung der Festigkeit kann die Bondverbindung thermisch ausgeheizt sein.
  • Die Bandlücke der zweiten GaInAs Teilzelle 3 kann über den Indium Gehalt im Kristall in einem weiten Bereich eingestellt werden. Hierbei sind insbesondere Bandlücken zwischen 0.9 und 1.2 eV, besonders zwischen 1.0–1.1 eV vorteilhaft. Zwischen der zweiten Teilzelle 3 und einer weiteren dritten Teilzelle 4 befindet sich eine metamorphe Pufferschicht 11, in welcher die Gitterkonstante des Kristalls verändert wird. Die Gitterkonstante des Kristallgitters kann dabei stufenweisen oder linearen variiert werden. Die Pufferschicht enthält Fehlanpassungsversetzungen, welche das Gitter relaxieren. Die Pufferschicht kann weiterhin eine Überschussschicht zur vollständigen Relaxation des Kristallgitters, bzw. Blockerschichten aus verdünnt N-haltigen Materialien enthalten. Typische Materialien für Pufferschichten sind GaInAs, GaInP, AlGaInP, AlGaInAs, GaPSb sowie Kombinationen davon.
  • Die dritte Teilzelle 4 besitzt eine Bandlückenenergie von 1.4–1.5 eV und besteht vorteilhaft aus GaAs, AlGaAs oder GaInAsP. An die dritte Teilzelle 4 schließt sich eine weitere vierte Teilzelle 12 an, welche eine Bandlücke im Bereich 1.8 eV–1.9 eV besitzt und vorteilhaft aus GaInP oder AlGaInP besteht. An der Vorderseite weist die Vierfachsolarzelle eine Antireflexschicht 5 und mehrere Vorderseitenkontakte 8 auf. Der Vorderseitenkontakt ist typischerweise als Kontaktfingerstruktur ausgebildet, welche so ausgelegt ist, dass sich die Lichtreflexion an den Metallfingern mit Widerstandsverlusten durch eine begrenzte Leitfähigkeit die Waage halten.
  • Die Teilzellen 2, 3, 4 und 12 weisen jeweils einen pn- oder np-Übergang auf. Die Bandlückenenergie der Halbleiter der Teilzellen steigt dabei von 2 zu 3 zu 4 zu 12 an.
  • Das Substrat 1 und die erste Teilzelle 2 bilden gemeinsam die rückseitige Teilzelle 9 während die zweite Teilzelle 3, die metamorphe Pufferschicht 11 und die dritte und vierte Teilzelle 4 und 12 gemeinsam die vorderseitige Teilzelle 10 bilden. Die rückseitige und vorderseitige Teilzelle unterscheiden sich in ihrer Gitterkonstante und sind über die Bondverbindung 6 miteinander optisch und elektrisch verbunden.
  • Die Teilzellen können weitere funktionale Schichten wie Barriereschichten oder Tunneldioden zur seriellen Verschaltung aufweisen. Ein detailliertes Beispiel für eine vorteilhafte Schichtstruktur einer erfindungsgemäßen Vierfachsolarzelle mit Barriereschichten und Tunneldioden ist in 3 gezeigt. Das Substrat 1 besteht in diesem Fall aus p-GaSb. Die Teilzelle 2 enthält einen pn-Übergang aus GaSb sowie Barriereschichten aus n-AlGaPSb und p-AlGaSb. Die Teilzelle 3 besitzt einen pn-Übergang in GaInAs und Barriereschichten aus n-AlGaInP und p-AlGaInAs. Die Teilzelle 4 besitzt einen pn-Übergang in (Al)GaAs und Barriereschichten aus n-AlGaInP, p-AlGaAs und p-AlGaInP. Die Teilzelle 12 besitzt einen pn-Übergang in GaInP und Barriereschichten aus n-AlInP, p-GaInP und p-AlGaInP. Die Struktur weist zudem eine metamorphe Pufferschicht 11 aus AlGaInAs auf. Die Wafer Bond Verbindung 6 befindet sich zwischen der rückseitigen Teilzelle, welche mit einer n-AlGaPSb Bondschicht endet und der vorderseitigen Teilzelle, welche mit einer n++-GaInAsP Schicht der Tunneldiode endet. Die Teilzellen sind jeweils über Tunneldioden verbunden. Die Tunneldiode zwischen Teilzelle 2 und 3 besteht dabei aus p-GaInAsP und n-GaInAsP, die Tunneldiode zwischen Teilzelle 3 und 4 aus p-AlGaAs und n-GaAs und die Tunneldiode zwischen Teilzelle 4 und 12 aus p-AlGaAs und n-GaInP. Die Tunneldiodenschichten sind jeweils hoch dotiert, um hohe Tunnelstromdichten zu gewährleisten. Die Solarzelle in 3 besitzt an der Vorderseite der Teilzelle 12 eine GaAs Deckschicht, welche nur unter den Kontakten verbleibt um einen geringen Kontaktwiderstand zu gewährleisten. Weiterhin einen Vorderseitenkontakt zum Beispiel aus Ni/AuGe oder Pd/Ge/Au. Die Reflexion an der Vorderseite der Solarzelle wird durch eine Antireflexschicht reduziert, welche aus dielektrischen Schichten wie TaOx, TiOx, SiN, SiOx, SiC, MgF2, AlOx besteht. Auf der Rückseite der Solarzelle wird ein flächiger Kontakt mit einem geringen ohmschen Widerstand zum Beispiel aus Au/Zn/Au, Pd/In, Ti/Pd/Ag/Au, Ti/Ni/Au aufgebracht.
  • Beispiel 1 – Herstellung von Vierfachsolarzellen
  • Es kann beispielsweise eine der folgenden Vierfachsolarzellen hergestellt werden:
    • – GaInP (1.9 eV)/GaAs (1.4 eV)/GaInAs (1.1 eV)/GaSb (0.7 eV);
    • – GaInP (1.9 eV)/GaAs (1.4 eV)/GaInAs (1.0 eV)/GaInAsSb (0.5 eV);
    • – GaInP (1.9 eV) als Teilzelle 12, GaAs (1.4 eV) als Teilzelle 4, GaInAs (1.1 eV) als Teilzelle 3 und GaSb (0.7 eV) als Teilzelle 2;
    • – GaInP (1.9 eV) als Teilzelle 12, GaAs (1.4 eV) als Teilzelle 4, GaInAs (1.0 eV) als Teilzelle 3 und GaInAsSb (0.5 eV) als Teilzelle 2;
    • – AlGaInP (2.0 eV) als Teilzelle 12, AlGaAs (1.5 eV) als Teilzelle 4, GaInAs (1.1 eV) als Teilzelle 3 und GaSb (0.7 eV) als Teilzelle 2; und/oder
    • – AlGaInP (2.0 eV) als Teilzelle 12, GaInAsP (1.5 eV) als Teilzelle 4, GaInAs (1.1 eV) als Teilzelle 3 und GaSb (0.7 eV) als Teilzelle 2.
  • Die Solarzellenstruktur kann beispielsweise über die folgenden Schritte hergestellt werden:
    • 1.) Auf der einen Seite wird eine GaInP-, GaAs- und GaInAs-Teilzelle auf einem GaAs- oder Germanium-Substrat epitaxier (z. B. mittels metallorganischer Gasphasenepltaxie);
    • 2.) Auf der anderen Seite wird eine GaSb- oder GaInAsSb-Unterzelle auf Galliumantimonid Substrat gewachsen (z. B. mittels metallorganischer Gasphasenepltaxie);
    • 3.) Polieren und/oder Reinigen der Oberflächen der rückseitigen und der vorderseitigen Teilzelle
    • 4.) Verbinden der beiden Strukturen aus 1.) und 2.) über Wafer-Bonden, wodurch eine Vierfachsolarzelle mit optimalen Eigenschaften entsteht (siehe 1);
    • 5.) Entfernen von dem GaAs- oder Ge-Substrat zum Wachstum der vorderseitigen Teilzelle über ein Ablöseverfahren und ggf. recyclen des Substrates für ein weiteres Wachstum.
  • Beispiel 2 – Herstellung einer Fünffachsolarzelle
  • Fünffachsolarzellen nach der vorliegenden Erfindung können aus einer vorderseitigen Teilzelle mit pn-Übergängen in AlGaInP (2.0 eV), GaInAsP (1.6 eV) und GaInAs (1.2 eV) bestehen, wobei zwischen der GaInAsP und GaInAs Teilzelle ein metamorpher Puffer zur Überbrückung der Gitterkonstantendifferenz eingefügt ist. Die vorderseitige Teilzelle wird zum Beispiel auf Galliumarsenid Substrat epitaxiert. Die Rückseitige Teilzelle wird auf Galliumantimonid gewachsen und enthält zum Beispiel Teilzellen mit pn-Übergängen in GaPSb (0.9 eV) und GaInAsSb (0.5 eV). Zwischen der GaPSb- und GaInAsSb-Teilzelle kann eine metamorphe Pufferschicht zur Überbrückung unterschiedlicher Gitterkonstanten eingefügt sein. Die rückseitige und die vorderseitige Teilzelle werden anschließend nach der Epitaxie und ggf. notwendiger Polier- und Reinigungsschritte miteinander verbondet und das GaAs Substrat der vorderseitigen Teilzelle entfernt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (18)

  1. Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen, enthaltend eine rückseitige, mindestens einen pn-Übergang aufweisende Teilzelle enthaltend GaSb und eine vorderseitige und mindestens zwei pn-Übergänge aufweisende Teilzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle eine ≥ 2%, insbesondere > 4%, größere Gitterkonstante aufweist als die vorderseitige Teilzelle und die beiden Teilzellen über eine optisch transparente und elektrisch leitfähige Wafer-Bond Verbindung miteinander verbunden sind.
  2. Mehrfachsolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Teilzelle mindestens zwei pn-Übergänge aufweist welche AlGaAs und/oder GaAs und/oder AlGaInP und/oder GaInP enthalten oder daraus bestehen.
  3. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Teilzelle eine metamorphe Pufferschicht zur Veränderung der Gitterkonstante und mindestens einen pn-Übergang enthaltend GaInAs aufweist.
  4. Mehrfachsolarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metamorphe Pufferschicht die Gitterkonstante um 1,5% bis 3%, insbesondere um 2% bis 2,5% verändert.
  5. Mehrfachsolarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metamorphe Pufferschicht aus AlGaInAs oder GaInAs oder GaInP oder AlGaInP oder GaPSb besteht.
  6. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Teilzelle auf einem GaAs oder Ge Wafer epitaxiert ist.
  7. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Teilzelle mindestens drei pn-Übergänge aufweist, wobei mindestens zwei pn-Übergänge AlGaAs und/oder GaAs und/oder AlGaInP und/oder GaInP enthalten oder daraus bestehen und der mindestens eine weitere pn-Übergang GaInAs enthält oder daraus besteht, wobei die beiden ersten und der weitere pn-Übergang über einen metamorphen Puffer verbunden sind, welcher einen Gitterkonstantenunterschied zwischen 1–5%, bevorzugt zwischen 2–4% überbrückt.
  8. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Teilzelle drei pn-Übergänge mit Bandlücke in den Bereichen 1.80–1.95 eV, 1.40–1.55 eV und 1.00–1.15 eV aufweist.
  9. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle einen oder mehrere pn-Übergänge aufweist, welche jeweils eine Bandlückenenergie zwischen 0.50–1.00 eV besitzen und welche jeweils GaSb oder AlGaAsSb oder GaInAsSb oder GaPSb enthalten oder daraus bestehen.
  10. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle zwei pn-Übergänge aufweist, wobei ein pn-Übergang GaInAsSb mit einer Bandlückenenergie zwischen 0.50–0.72 eV enthält oder daraus besteht.
  11. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle eine metamorphe Pufferschicht zur Anpassung der Gitterkonstante enthält, wobei die metamorphe Pufferschicht insbesondere aus GaInAsSb, GaInAs, AlGaInAs, GaAsSb, AlAsSb, GaPSb und/oder AlPSb besteht.
  12. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle auf einem GaSb Wafer epitaxiert ist.
  13. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Teilzellen weitere Funktionsschutzschichten aufweisen, insbesondere Tunneldioden zur elektrischen Verbindung der einzelnen Teilzellen, Barriereschichten an der Front- und Rückseite der Teilzellen, hochdotierte Kontaktschichten, interne Reflexionsschichten und/oder Antireflexschichten an der Vorderseite der Zelle.
  14. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen zwei Teilzellen eine Tunneldiode zur elektrischen Serienverschaltung enthalten ist.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem a) auf einem Substrat eine rückseitige Teilzelle enthaltend GaSb aufgewachsen wird; b) auf einem Substrat aus GaAs oder Ge eine vorderseitige Teilzelle mit mindestens zwei pn-Übergängen aus III–V Verbindungshalbleitern aufgewachsen wird, wobei pn-Übergänge mit ansteigender Bandlückenenergie nacheinander folgen; c) die vorderseitige Teilzelle an der Frontseite durch einen Träger mittels einem ablösbaren Klebstoff stabilisiert und das Substrat aus GaAs oder Ge entfernt wird; d) die Teilzellenstrukturen aus a) und c) mittels Waferbonding verbunden werden; e) der Träger und der Klebstoff aus Schritt c) entfernt werden; f) die Solarzelle mit Kontakten und Antireflexschicht versehen wird.
  16. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem a) auf einem Substrat eine rückseitige Teilzelle enthaltend GaSb aufgewachsen wird; b) auf einem Substrat aus GaAs oder Ge eine vorderseitige Teilzelle mit mindestens zwei pn-Übergängen aus III–V Verbindungshalbleitern aufgewachsen wird, wobei pn-Übergänge mit abfallender Bandlückenenergie nacheinander folgen; c) die Teilzellenstrukturen aus a) und b) mittels Waferbonding verbunden werden; d) nach dem Waferbonding das Substrat aus GaAs oder Ge abgelöst wird; e) die Solarzelle mit Kontakten und Antireflexschicht versehen wird
  17. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das GaSb Substrat der rückseitigen Teilzelle während der Prozessierung zumindest teilweise entfernt wird und die Struktur auf einen Träger, bevorzugt ein Träger aus Silicium, übertragen wird.
  18. Verwendung der Mehrfachsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14 im Weltraum oder in terrestrischen Konzentratorsystemen.
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