DE102013209217A1

DE102013209217A1 - Solarzelle mit breitbandiger Antireflexschicht, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung

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Publication number: DE102013209217A1
Application number: DE201310209217
Authority: DE
Inventors: Frank Dimroth; Peter Kailuweit; Oliver Kraus
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle, auf deren Fensterschicht eine mehrschichtige Antireflexbeschichtung aufgebracht ist, wobei sich hier Schichten auch Metamaterial bilden. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Solarzellen. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Solarzellen zur Stromerzeugung im Satelliten im Weltraum oder terrestrischen photovoltaischen Konzentratorsystemen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle, auf deren Fensterschicht eine mehrschichtige Antireflexbeschichtung aufgebracht ist, wobei sich hier Schichten auch Metamaterial bilden. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Solarzellen. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Solarzellen zur Stromerzeugung im Satelliten im Weltraum oder terrestrischen photovoltaischen Konzentratorsystemen.
Solarzellen wandeln das Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Das Sonnenspektrum besteht dabei aus vielen verschiedenen Wellenlängen. Die so genannten III–V Mehrfachsolarzellen wandeln einen breiten Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und etwa 1800 nm in elektrischen Strom um. Wichtig ist es dabei, dass all diese Wellenlängen den aktiven Teil der Solarzellenstruktur erreichen. Einer der optischen Verlustmechanismen ist die Reflexion an der Vorderseite der Solarzellen. Um diese zu minimieren, werden so genannte Antireflexschichten meist aus planaren dielektrischen Schichten auf die Vorderseiten der Solarzellen aufgebracht. Diese Antireflexschichten sind so aufgebaut, dass ein kontinuierlicher Übergang im Brechungsindex von Luft bis in den Halbleiter entsteht. Die Wirkung der Antireflexschicht verbessert sich, wenn man von einer einzigen Schicht zu mehreren Schichten übergeht. Der Standard in heutigen III–V Mehrfachsolarzellen ist, dass zwei planare dielektrische Schichten auf die Vorderseite der Solarzelle aufgebracht werden. Hierdurch kann die Reflexion zwischen 300 bis 1000 nm recht gut minimiert werden, im langwelligen Spektralbereich mit Wellenlängen > 1000 nm kommt es aber zu Verlusten.
Will man die Reflexion weiter reduzieren, so bietet es sich an, die Antireflexschicht aus mehr Einzelschichten mit optimiertem Brechungsindexverlauf aufzubauen. Theoretische Simulationsrechnungen haben ergeben, dass bei einer Antireflexschicht mit drei oder mehr Schichten ein Material mit einem Brechungsindex von etwa 2,6 benötigt wird. Dies entspricht einem Brechungsindex, welcher zwischen dem Brechungsindex des Halbleitermaterials von etwa 3,1 und den typischen dielektrischen Materialien mit einem Brechungsindex im Bereich von 1,1 bis 2,2 liegt. Zudem muss das Material der Antireflexschicht für alle Wellenlängen größer 300 nm transparent sein, um Absorptionsverluste zu vermeiden. Ein Material, welches diese beiden Eigenschaften (Brechungsindex von etwa 2,6 und optische Transparenz) gleichzeitig erfüllt, ist bislang nicht verfügbar.
In heutigen Mehrfachsolarzellen aus III–V Halbleitermaterialien werden Antireflexschichten typischerweise aus planaren dielektrischen Schichten auf einer planaren kristallinen Fensterschicht aus Aluminium-Indium-Phosphid (AlInP) der Solarzellenstruktur aufgebaut. Diese Antireflexschichten dienen dazu, einen kontinuierlichen Übergang im Brechungsindex zwischen dem Halbleitermaterial (Brechungsindex bei 600 nm im Bereich zwischen 3,1 bis 4,0) und Luft herzustellen. Es ist wichtig zu bemerken, dass die oberste Fensterschicht der Mehrfachsolarzellenstruktur (typischerweise aus AlInP mit einem Brechungsindex von etwa 3,1 bei 600 nm) bereits als erste Schicht der Antireflexschicht angesehen werden kann. Auf diese Schicht aus AlInP wird typischerweise eine erste planare dielektrische Schicht mit einem Brechungsindex von etwa 2,1 bei 600 nm aufgebracht. Auf diese erste Schicht wird eine zweite planare dielektrische Schicht mit einem kleineren Brechungsindex von etwa 1.3 bis 1.65 bei 600 nm aufgebracht. Mit dieser Antireflexbeschichtung erreicht man eine Reduktion der Oberflächenreflexion auf kleiner 5 % in einem Wellenlängenbereich zwischen 400 und 1000 nm. Für das langweilige Licht zwischen 1000 und 1800 nm, welches zum Beispiel in der Germanium Unterzelle absorbiert wird, steigt die Reflexion auf bis zu 20 % an. Dies ist ein wesentlicher Verlustmechanismus für die Solarzellen, welcher bei den heutigen Produkten in Kauf genommen wird.
Eine Reduktion der Reflexion im langweiligen Bereich kann durch eine Anpassung der Schichtdicken erreicht werden. Gleichzeitig erhöht sich hierdurch allerdings die Reflexion im kurzweiligen Spektralbereich zwischen 300 und 1000 nm. Da hier die meisten Photonen im Sonnenspektrum vorhanden sind und zudem die Energie der Photonen besonders hoch ist, lohnt es sich nicht die Reflexion im langweiligen Bereich zu reduzieren, wenn hierdurch gleichzeitig Photonen im kurzweiligen Bereich verloren gehen. Eine Reduktion der Reflexion im gesamten Spektralbereich zwischen 300 bis 1800 nm ist nur möglich, wenn die Antireflexschicht aus mehr Schichten aufgebaut wird und damit ein kontinuierlicherer Übergang im Brechungsindex von Luft zu den Halbleiterschichten erreicht wird.
Die typischen Methoden zur Herstellung von Antireflexschichten auf Mehrfachsolarzellen sind aus Aiken, D. J., High performance anti-reflection coatings for broadband multi-junction solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2000. 64(4): p. 393–404 bekannt. In dieser Publikation werden potentielle neue Materialien für eine solche Schichtstruktur angegeben. Allerdings weisen die dort diskutierten Materialien nicht den gewünschten Brechungsindex im Bereich von 2,6 auf.
Es ist bekannt, dass eine Antireflexschicht auch aus nanostrukturierten Materialien hergestellt werden kann. Hierbei wird meist das Prinzip der Mottenaugen angewendet. Der Brechungsindex steigt zwischen Luft und dem Halbleitermaterial kontinuierlich an, indem die oberste Schicht der Solarzelle sinusförmig oder durch Pyramiden strukturiert wird, um eine Antireflexwirkung durch die Nanostrukturierung selbst zu erreichen. Aus diesem Grunde sind die Strukturgrößen der nanostrukturierten Schicht im Bereich meist größer als die kleinsten Wellenlänge von 300 nm, welche in die Solarzelle eingekoppelt werden soll. Diese Photonen werden durch die Nanostrukturierung beeinflusst und es treten Effekte der Lichtbeugung und Streuung auf. Diese Art der Antireflexschicht wird beschrieben in Q. Chen, G. Hubbard, P. A. Shields, C. Liu, D. W. E. Allsopp, W. N. Wang, S. Abbott, "Broadband moth-eye antireflection coatings fabricated by low-cost nanoimprinting", Appl. Phys. Lett., 94 (2009), pp. 263118-1–263118-3. In den meisten Fällen werden die so genannten Mottenaugenstrukturen nicht mit weiteren dielektrischen Schichten bedeckt.
Die US 2010/0122727 A1 beschreibt eine III–V-Mehrfachsolarzellenstruktur mit einer strukturierten Fensterschicht. Die Strukturen, die in dieser Druckschrift genannt sind, liegen in der Größenordnung von 5 bis 10 μm. Die hier genannten Strukturen werden daher mittels Photolithographie oder Ätzen hergestellt. Die in der Druckschrift beschriebene Mehrfachsolarzellenstruktur weist zusätzlich eine einzelne Antireflexschicht auf.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Solarzelle bereitzustellen, die so konzipiert ist, dass ein möglichst kontinuierlicher Übergang des Brechungsindex von Luft zu den Halbleiterschichten ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Solarzelle mit dem Merkmal des Anspruchs 1 und das Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 bereitgestellt. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 15 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine Solarzelle mit einer einer Lichtquelle zugewandten Fensterschicht aus kristallinem Halbleitermaterial und mindestens zwei amorphen und/oder dielektrischen Antireflexschichten bereitgestellt. Hierbei weist die Fensterschicht geometrische Nanostrukturen mit einer Ausdehnung in der Breite von minimal 10 nm und maximal 300 nm, einer Ausdehnung in der zur Breite senkrechten Länge von minimal 10 nm und maximal 300 nm und einer Ausdehnung in der Höhe, die senkrecht auf der durch die Breite und Länge aufgespannten Fläche steht, von minimal 20 nm und maximal 100 nm auf, wobei die Höhe der geometrischen Nanostrukturen geringer als die Schichtdicke der Fensterschicht ist. Die erste Antireflexschicht füllt zumindest teilweise die geometrischen Nanostrukturen aus, so dass eine Schicht aus Metamaterial mit einem effektiven, gemittelten Brechungsindex im Bereich von 2,3 bis 3,0 entsteht. Dabei ist der Brechungsindex der ersten Antireflexschicht kleiner als der Brechungsindex der Fensterschicht und der Brechungsindex der zweiten oder weiteren Antireflexschicht kleiner als der Brechungsindex der ersten Antireflexschicht.
Als die Breite und die Länge der Nanostrukturierung werden Ausdehnungen der Nanostrukturierung, die senkrecht zueinander (also in einem Winkel von 90°) liegen, bezeichnet. Die Höhe wiederum ist die Flächennormale der aus der Breite und der Länge aufgespannten Fläche und steht senkrecht (im Winkel von 90°) auf dieser Fläche.
Die Messung der Ausdehnungen der Nanostrukturen erfolgt dabei bevorzugt mittels mikroskopischer Messmethoden, insbesondere Rasterkraftmikroskopie (engl. Atomic force microscopy, AFM) oder Rasterelektronenmikroskopie (REM).
Die Messung, insbesondere bei regelmäßigen Geometrien, erfolgt in der Weise, dass die Maximalausdehnung in der Horizontalebene in einer ersten Richtung (Breite) und anschließend die Maximalausdehnung in einer zweiten Richtung (Länge), die im Winkel von 90° zur Breite steht, bestimmt wird.
Bei unregelmäßigen Geometrien der Nanostrukturen kann eine Bestimmung der Dimensionierung der Nanostrukturen dadurch erfolgen, dass der horizontale Querschnitt der Nanostruktur durch eine Kreisfläche angenähert wird. In diesem Fall sind Breite und Länge identisch und entsprechen dem Durchmesser der Kreisfläche.
Durch die erfindungsgemäß vorgenommene Nanostrukturierung der Fensterschicht aus AlInP entsteht ein Metamaterial, dessen Brechungsindex durch den Flächenanteil der strukturierten Bereiche eingestellt werden kann. Insbesondere kann ein effektiver Brechungsindex zwischen 2,3 und 3,0 eingestellt werden, welcher mit herkömmlichen transparenten Materialien, z.B. dielektrische Schichten und Halbleiter, kaum erreicht werden kann.
Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, dass durch die erfindungsgemäße Nanostrukturierung bereits durch ein einziges Antireflexmaterial, welches auf die Solarzellenstruktur aufgebracht wird, effektiv ein Mehrschichtsystem realisiert werden kann. Dieses besteht aus einer Schicht, welche ausschließlich das Antireflexmaterial enthält, und einer Schicht, welche aus einem Metamaterial der Materialien der aufeinanderfolgenden Fenster- bzw. Antireflexschichten besteht. Aufgrund der Nanostrukturierung verhält sich diese Schicht aus Metamaterial wie eine zusätzliche Schicht mit einem gewichtet gemittelten Brechungsindex aus den beiden Materialien. Eine deutliche Verbesserung der Antireflexwirkung im Vergleich zu herkömmlichen planaren Antireflexschichten wird ab einer Kombination von mindestens zwei Antireflexschichten auf einer nanostrukturierten Fensterschicht erreicht. Insgesamt wird hierdurch ein besserer Übergang des Brechungsindex vom Halbleiter zur Luft erreicht und die Reflexion von Photonen an der Oberfläche der Solarzelle wirkungsvoll reduziert.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Antireflexschichten lassen sich leicht in eine industrielle Fertigung integrieren. Im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren muss dabei eine etwas dickere Fensterschicht hergestellt werden, was technisch kein Problem ist, und diese nanostrukturiert werden. Alle weiteren Prozessschritte bleiben identisch.
Vorzugsweise weist die erste Antireflexschicht Nanostrukturen auf, die der Nanostrukturierung der Fensterschicht nachempfunden sind, wobei die zweite auf der ersten Antireflexschicht abgeschiedene Antireflexschicht, die Nanostrukturen der ersten Antireflexschicht unter Ausbildung einer zweiten Schicht aus Metamaterial zumindest teilweise ausfüllt.
Es ist weiter bevorzugt, dass die zweite Antireflexschicht Nanostrukturen aufweist, die der Nanostrukturierung der ersten Antireflexschicht nachempfunden sind.
Unter „der Nanostrukturierung der Fensterschicht nachempfundenen Nanostrukturen in der ersten Antirefelxschicht“ sind generell Nanostrukturen zu verstehen, die den Höhenprofilen der Nanostrukturen in der Fensterschicht zumindest teilweise folgen. Bei den nachempfundenen Nanostrukturen, wie sie zuvor beschrieben wurden, kann es sich hier um identische Nanostrukturen in den jeweiligen benachbarten Schichten handeln. Ebenso ist es aber auch möglich, dass die Nanostrukturen in der höher gelegenen Schicht (z.B. die zweite Antireflexschicht) zwar in der Projektion der Nanostruktur der niedriger gelegenen Schicht (erste Antireflexschicht) liegen, aber eine andere Dimensionierung, d.h. andere Größenverhältnisse, als diese aufweisen. Insbesondere können die Nanostrukturen der höher gelegenen Schicht eine geringere Tiefe und/oder geringere Breite als die Nanostrukturen in der niedriger gelegenen Schicht aufweisen.
Vorzugsweise weisen die Nanostrukturen der Fensterschicht eine Ausdehnung in der Breite von minimal 20 nm bis maximal 250 nm, insbesondere von minimal 50 nm bis maximal 200 nm, und/oder eine Ausdehnung in der Länge von minimal 20 nm bis maximal 250 nm, insbesondere von minimal 50 nm bis maximal 200 nm auf. Die Ausdehnung der Nanostrukturen in der Höhe kann vorzugsweise minimal 40 nm bis maximal 80 nm betragen.
Die Antireflexschichten besitzen vorzugsweise eine Schichtdicke von 20 bis 200 nm, besonders bevorzugt von 50 bis 150 nm.
Vorzugsweise weist der vollflächige Bereich der Fensterschicht (2), der frei von den Nanostrukturen (3, 3´) ist, eine Dicke im Bereich von 20 bis 40 nm auf.
Die Schichtdicken können anhand eines Querschnitts der Solarzelle gemessen werden. Dies erfolgt mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).
Für die Fensterschicht können als Halbleitermaterialien vorzugsweise solche mit einer Bandlückenenergie von mindestens 2 eV eingesetzt werden. Hierzu zählen insbesondere AlInP, AlGaAs oder AlGaN. Die erste Antireflexschicht besteht vorzugsweise aus einem amorphen dielektrischen Material mit einem Brechungsindex von 1,7 bis 2,5 bei 600 nm, insbesondere Titanoxid, Tantaloxid, Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Wolframoxid oder Zinksulfid. Die zweite Antireflexschicht besteht aus einem amorphen dielektrischen Material mit einem Brechungsindex von 1,1 bis 1,7 bei 600 nm, insbesondere Magnesiumfluorid, Siliciumoxid oder Aluminiumoxid.
Die Nanostrukturierung der Fensterschicht kann sowohl periodisch oder statistisch sein. Hinsichtlich der Form der Nanostrukturen gibt es grundsätzlich keine Einschränkungen, wobei hier Löcher, Gräben, Quader, Zylinder, invertierte Pyramiden oder Kombinationen hiervon bevorzugt sind.
Es ist weiterhin erfindungsgemäß möglich, dass auf der zweiten Antireflexschicht mindestens eine weitere Antireflexschicht abgeschieden ist, d.h. sich auf der zweiten Antireflexschicht eine weitere Antireflexschicht befindet, die stoffschlüssig (d.h. in direktem Kontakt) mit der zweiten Reflexschicht verbunden ist, wobei sich zwischen allen weiteren Antireflexschichten Schichten aus Metamaterial bilden, so lange die entsprechende Antireflexschicht noch eine Nanostrukturierung aufweist.
Für die Stromerzeugung für Satelliten im Weltraum oder für terrestrische Konzentratorsysteme bei Verwendung einer Sekundäroptik ist die erfindungsgemäße Solarzelle auf der frontseitigen Antireflexschicht vorzugsweise über einen Silikonfilm mit einer Frontverglasung oder einer Sekundäroptik verbunden. Hierzu müssen die Schichtdicken und Brechungsindizes der Antireflexmaterialien entsprechend für Glas als umgebendes Medium angepasst werden. Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle handelt es sich bevorzugt um eine Mehrfachsolarzelle aus III–V-Halbleitern.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen Solarzelle bereitgestellt.
Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren in der folgenden Weise durchgeführt:

1. Die oberste kristalline Fensterschicht der Solarzelle wird mit einer Schichtdicke von z. B. 50 bis 200 nm hergestellt. Diese Schicht wird während des normalen Wachstumsprozesses der Solarzellenstruktur vorzugsweise epitaktisch hergestellt.
2. Anschließend wird ein Teil dieser Fensterschicht im Nanometerbereich strukturiert. Hierzu werden Löcher oder andere geometrische Strukturen mit einer Breite von 1 bis 300 nm und einer Höhe von 20 nm bis 100 nm in die Fensterschicht eingebracht. Hierzu kann zum Beispiel die Nanoprägelithographie mit anschließendem trockenchemischem Ätzen der Halbleiterschicht verwendet werden. Die Nanostruktur kann entweder regelmäßig (periodisch) angeordnet oder statistisch verteilt sein. Wichtig ist, dass ein bestimmter fester Anteil des Halbleitermaterials entfernt wird. Die verbleibende Schichtdicke der planaren, d.h. strukturenfreien Bereichs der Fensterschicht sollte vorzugsweise 20 bis 40 nm betragen.
3. Die nanostrukturierte Fensterschicht wird mit einer ersten Antireflexschicht bedeckt. Als Material eignen sich amorphe dielektrische Schichten mit einem Brechungsindex von 1,7 bis 2,5 bei 600 nm, wie insbesondere Titanoxid, Tantaloxid, Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Wolframoxid oder Zinksulfid. Die Schicht wird typischerweise durch Aufdampf- oder Plasmaverfahren abgeschieden. Die Schichtdicke des aufgebrachten Materials sollte größer sein als die Tiefe der Nanostruktur in der darunter liegenden Fensterschicht. Hierdurch entsteht eine vollständig geschlossene Schicht, welche aus Bereichen des Materials der Fensterschicht und Bereichen des Materials der Antireflexschicht besteht. Aufgrund der Nanostrukturierung ergibt sich ein so genanntes Metamaterial. Der Brechungsindex ergibt sich aus dem entsprechend der Volumenanteile gemittelten Brechungsindex des Materials der Fensterschicht und dem Material der ersten Antireflexschicht. Ist die Wellenlänge der Photonen geringer als die Strukturgröße der Nanostrukturierung, so werden die Photonen weder gebeugt noch gestreut. Sie sehen die Schicht als ein Metamaterial mit mittlerem Brechungsindex aus dem Material der Fensterschicht und dem Material der ersten Antireflexschicht. Die kleinsten Wellenlängen im Sonnenspektrum, welche in der Solarzelle umgesetzt werden, liegen bei etwa 300 nm. Daher sollte die Strukturgröße ebenfalls kleiner als 300 nm sein, vorzugsweise kleiner als 200 nm, um Effekte der Lichtbeugung und Lichtbrechung zu vermeiden. Der effektive Brechungsindex der Schicht aus Metamaterial wird durch die Nanostrukturierung so eingestellt, dass er dem Optimum der theoretischen Berechnungen in Tab. 1 entspricht. Es können prinzipiell beliebige Werte zwischen dem Brechungsindex der Fensterschicht von 3,1 bei 600 nm und der ersten Antireflexschicht eingestellt werden. Damit ist es möglich auch ein Metamaterial mit einem Brechungsindex von 2,6 zu realisieren.
4. Abhängig von der Schichtdicke der ersten Antireflexschicht entsteht oberhalb der nanostrukturierten Fensterschicht eine planare Schicht, welche den Brechungsindex des dielektrischen Materials aufweist. Die optimale Schichtdicke wird wiederum durch theoretische Rechnungen bestimmt. Der Brechungsindex des Materials der ersten Antireflexschicht kann ebenfalls durch theoretische Rechnungen optimiert werden. Es liegt auf jeden Fall zwischen dem Brechungsindex der Fensterschicht und des Brechungsindex der zweiten Antireflexschicht. Die Oberfläche der ersten Antireflexschicht folgt teilweise der darunter liegenden Nanostrukturierung der Fensterschicht. Hierdurch entsteht wiederum eine weitere Schicht aus Metamaterial, welche nicht vollständig aus dem Material der ersten Antireflexschicht besteht. Wie die Nanostrukturierung dieser Schicht aussieht, hängt von den spezifischen Abscheidebedingungen der ersten Antireflexschicht ab.
5. Auf die erste Antireflexschicht wird eine zweite Antireflexschicht mit einem geringeren Brechungsindex (zwischen dem Material der ersten Antireflexschicht 1 und Luft bzw. Glas) aufgebracht. Mögliche Materialien sind Magnesiumfluorid, Siliciumoxid oder Aluminiumoxid. Die Materialien können gegebenenfalls im selben Verfahren mit der ersten Antireflexschicht abgeschieden werden. Wichtig ist, dass das Material der zweiten Antireflexschicht einen geringeren Brechungsindex aufweist als das Material der ersten Antireflexschicht. Die zweite Antireflexschicht füllt wiederum die Nanostrukturen der ersten Antireflexschicht auf und es entsteht ein Metamaterial, dessen optische Eigenschaften sich aus dem gewichteten Mittelwert der Materialien der ersten und zweiten Antireflexschicht ergeben. Die Dicke des planaren Teils der zweiten Antireflexschicht wird durch die aufgebrachte Schichtdicke des Materials bestimmt und kann durch theoretische Simulationsrechnungen optimiert werden.
6. An der Oberfläche der Antireflexschicht kann eine Strukturierung verbleiben, welche stark von den verwendeten Prozessbedingungen bei der Abscheidung der ersten und zweiten Antireflexschicht abhängt. Folgen die erste und zweite Antireflexschicht der Nanostrukturierung der Fensterschicht, so entsteht auch an der Oberfläche eine Schicht, deren effektiver Brechungsindex dem gewichteten Mittel aus dem Material der zweiten Antireflexschicht und Luft bzw. Silikon/Glas entspricht. So kann eine Schicht realisiert werden, deren effektiver Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des Materials der zweiten Antireflexschicht. So lässt sich zum Beispiel eine Schicht mit einem effektiven Brechungsindex von 1,1 realisieren, wie sie bei den theoretischen Rechnungen in Tabelle 1 bei einer 5-lagigen Antireflexschicht benötigt wird.

Insgesamt entsteht durch das hier beschriebene Verfahren eine Antireflexschicht, welche effektiv aus 6 Schichten (inklusive der Fensterschicht) besteht und einen kontinuierlichen Brechungsindexverlauf zwischen dem Halbleitermaterial und Luft (bzw. Glas) realisiert. Die Eigenschaften der optischen Schichten können durch die Nanostrukturierung, sowie die Materialien der ersten und zweiten Antireflexschicht und deren Abscheidebedingungen in einem weiten Bereich eingestellt werden.
Die erfindungsgemäßen Solarzellen können für die Weltraum- und Konzentratoranwendung eingesetzt werden. Typische Vertreter sind Solarzellen aus GaInP/GaInAs/Ge oder GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs oder GaInP/GaInP/GaInAsP/GaInAs. Diese Mehrfachsolarzellenstrukturen bestehen aus bis zu 40 Einzelschichten (vgl. 1) und enthalten weitere funktionale Bestandteile wie zum Beispiel die Tunneldioden. Die Entspiegelung der Oberfläche findet in den meisten Fällen nicht auf der gesamten Oberfläche statt. Bei den III–V Solarzellen wird typischerweise auf die Fensterschicht eine hochdotierte Kontaktschicht aufgebracht, welche einen geringen Widerstand zum Metall erlaubt. Diese Kontaktschicht (z.B. aus GaAs) wird während der Prozesstechnologie so strukturiert, dass sie nur unterhalb der stromleitenden Metallfinger bestehen bleibt. Auf der restlichen Fläche wird die AlInP-Fensterschicht freigelegt und die in dieser Erfindung beschriebene Antireflexschicht aufgebracht.
Anhand des nachfolgenden Beispiels und der Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung den Aufbau einer aus dem Stand der Technik bekannten III–V-Mehrfachsolarzelle aus GaInP/GaInAs/Ge.
2 zeigt Reflexionsspektren von erfindungsgemäßen Solarzellen.
3 zeigt anhand einer schematischen Darstellung den Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzelle.
4 zeigt anhand einer schematischen Darstellung den Aufbau einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzelle.
Der Aufbau einer typischen Mehrfachsolarzellen aus GaInP/GaInAs/Ge ist in 1 gezeigt. Man erkennt an der Oberfläche der Solarzellenstruktur 1 die typische Schichtfolge aus Fensterschicht, erster Antireflexschicht und zweiter Antireflexschicht, welches die funktionalen Elemente zur Entspiegelung der Oberfläche sind.
Die Reflexionskurve für zwei erfindungsgemäße Solarzellen sind in 2 gezeigt. System 1 bezeichnet hier eine Solarzelle mit Fensterschicht, einer ersten Antireflexschicht und einer dazwischen angeordneten Schicht aus Metamaterial. System 2 bezeichnet eine Solarzelle mit Fensterschicht, einer ersten Antireflexschicht und einer dazwischen angeordneten Schicht aus Metamaterial sowie eine zweite Antireflexschicht. Es zeigt sich anhand des Spektrums, dass System 2 gegenüber System 1 eine deutliche geringere Reflexion zeigt. Man sieht, dass die Reflexion realer Solarzellen nach dem Stand der Technik von 5% bei 500 nm bis auf über 20% bei 1800 nm ansteigt. Theoretische Rechnungen haben gezeigt, dass die Reflexion durch eine Optimierung der Antireflexschicht reduziert werden kann. Dies ist ebenfalls aus 2 ersichtlich. Vorteilhaft ist es dabei die Antireflexschicht aus möglichst vielen Einzelschichten aufzubauen, welche einen kontinuierlichen Übergang des Brechungsindex vom Halbleitermaterial zu Luft erlauben.
In 3 ist eine erste erfindungsgemäße Variante der Solarzelle 1 dargestellt. Dieses weist auf den Solarzellenschichten eine Fensterschicht 2 mit Nanostrukturen 3 und 3‘ auf. Durch Abscheiden einer ersten Antireflexschicht 4 kommt es zum Ausfüllen der Nanostrukturen 3 und 3‘ unter Ausbildung einer Schicht 5 aus Metamaterial, d.h. einem Materialmix der Materialien der Fensterschicht 2 und der ersten Antireflexschicht 4. Oberhalb der Fensterschicht 2 ist die erste Antireflexschicht 4 abgeschieden. Auf der ersten Antireflexschicht 4 wiederum ist eine zweite Antireflexschicht 7 abgeschieden.
In 4 ist eine erfindungsgemäße Variante der Solarzelle 1 dargestellt. Diese weist auf den Solarzellenschichten eine Fensterschicht 2 mit Nanostrukturen 3 und 3‘ auf. Durch Abscheiden einer ersten Antireflexschicht 4 kommt es zum Ausfüllen der Nanostrukturen 3 und 3‘ unter Ausbildung einer Schicht 5 aus Metamaterial, d.h. einem Materialmix der Materialen der Fensterschicht 2 und der ersten Antireflexschicht 4. Oberhalb der Fensterschicht 2 ist die erste Antireflexschicht 4 abgeschieden. Auch die erste Antireflexschicht 4 weist Nanostrukturen 6 und 6‘ auf, die in der Projektion der Nanostrukturen 3 und 3‘ in der Antireflexschicht 4 liegen aber eine andere Größe aufweisen. Durch Abscheiden einer zweiten Antireflexschicht 7 kommt es zum Ausfüllen der Nanostrukturen 6 und 6‘ unter Ausbildung einer Schicht 8 aus Metamaterial. Dieses Metamaterial besteht aus dem Materialmix der Materialien der ersten und zweiten Antireflexschicht 4 und 7. Schließlich weist auch die zweite Antireflexschicht 7 Nanostrukturen 9 und 9‘ an der Oberfläche auf, die den tieferliegenden Nanostrukturen nachempfunden sind. Es bildet sich eine weitere Schicht 10 aus Metamaterial, wobei dieses aus dem Material der zweiten Antireflexschicht 7 und Luft besteht.
Tab. 1 zeigt Rechnungen für die optimalen Schichtdicken und Brechungsindices N einer Antireflexschicht mit bis zu fünf Schichten. Die Rechnungen wurden unter idealisierten Bedingungen für eine Dreifachsolarzellenstruktur aus GaInP/GaInAs/Germanium mit einer festen 30 nm dicken planaren AlInP-Fensterschicht durchgeführt. Für die darauf folgenden Schichten wurde angenommen, dass der Extinktionskoeffizient 0 und der Brechungsindex für alle Wellenlängen konstant ist. Die Optimierung wurde für das terrestrische Sonnenspektrum (AM1.5d) gerechnet. Dies sind typische Bedingungen für die Anwendung heutiger III–V Mehrfachsolarzellen in photovoltaischen Konzentratorsystemen.

Die Reflexionsverluste der Solarzelle reduzieren sich mit der Anzahl optimierter Antireflexschichten. Dies lässt sich anhand von 2 für erfindungsgemäße Antireflex-Solarzellen mit 2 Schichten (Schicht aus Metamaterial plus erste Antireflexschicht) und 3 Schichten (Schicht aus Metamaterial plus erste und zweite Antireflexschicht) auf AlInP erkennen. Die Rechnungen in Tab. 1 zeigen die optimalen Dicken und Brechungsindices für erfindungsgemäße Antireflex-Solarzellen, bestehend aus bis zu vier planaren Schichten über einer AlInP-Fensterschicht mit einer festen Dicke von 30 nm. Der heutige Standard entspricht einer Antireflexschicht mit drei und mehr Schichten, d.h. es werden zwei dielektrische Materialien auf die AlInP-Fensterschicht aufgebracht. In diesem Fall liegen die optimalen Brechungsindices für die dielektrischen Schichten bei 2,2 und 1,4. Diese Eigenschaften können mit bekannten Materialien erzielt werden. Möchte man allerdings zu Antireflexschicht mit vier und mehr Schichten übergehen, so werden Materialien benötigt, welche einem Brechungsindex von 2,5 bzw. 2,7 für die hoch brechende Schicht und 1,2 bzw. 1,1 für die niedrig brechende Schicht aufweisen. Die typischen bekannten Materialien decken diesen Bereich nicht ab und solche Antireflexschichten wurden daher bisher nicht erfolgreich hergestellt. Das Problem kann durch die erfindungsgemäßen Metamaterialien in nanostrukturierten Halbleitermaterialien gelöst werden. Tab. 1

Anzahl der Schichten auf AlInP Fensterschicht (Dicke 30 nm)		d [nm]	N
2	1. Antireflexschicht	86.1	1.767
	Fensterschicht (AlInP)	30	3,1@600 nm
3	2. Antireflexschicht	115.6	1.377
	1. Antireflexschicht	66.0	2.233
	Fensterschicht fix (AlInP)	30	3.1@600 nm
4	3. Antireflexschicht	126.2	1.211
	2. Antireflexschicht	90.9	1.710
	1. Antireflexschicht	56.3	2.496
	Fensterschicht fix (AlInP)	30	3.1@600 nm
5	4. Antireflexschicht	136.0	1.133
	3. Antireflexschicht	104.3	1.454
	2. Antireflexschicht	78.9	1.985
	1. Antireflexschicht	50.6	2.674
	Fensterschicht fix (AlInP)	30	3.1@600 nm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0122727 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Aiken, D. J., High performance anti-reflection coatings for broadband multi-junction solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2000. 64(4): p. 393–404 [0006]
Q. Chen, G. Hubbard, P. A. Shields, C. Liu, D. W. E. Allsopp, W. N. Wang, S. Abbott, “Broadband moth-eye antireflection coatings fabricated by low-cost nanoimprinting”, Appl. Phys. Lett., 94 (2009), pp. 263118-1–263118-3 [0007]

Claims

Solarzelle (1) mit einer einer Lichtquelle zugewandten Fensterschicht (2) aus kristallinem Halbleitermaterial und mindestens zwei amorphen und/oder dielektrischen Antireflexschichten (4, 7), wobei die Fensterschicht (2) geometrische Nanostrukturen (3, 3´) mit einer Breite von 10 nm bis 300 nm, einer Länge von 10 nm bis 300 nm und einer Höhe von 20 nm bis 100 nm aufweist, wobei die Höhe der geometrischen Nanostrukturen (3, 3´) geringer als die Schichtdicke der Fensterschicht (2) ist, und wobei die erste Antireflexschicht (4) die geometrischen Nanostrukturen (3, 3´) zumindest teilweise ausfüllt, wodurch eine Schicht (5) aus Metamaterial mit einem effektiven, gemittelten Brechungsindex im Bereich von 2,3 bis 3,0 entsteht und wobei der Brechungsindex der ersten Antireflexschicht (4) kleiner als der Brechungsindex der Fensterschicht (2) und der Brechungsindex der zweiten Antireflexschichten (7) kleiner als der Brechungsindex der ersten Antireflexschicht (4) ist.
Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antireflexschicht (4) Nanostrukturen (6, 6´) aufweist, die der Nanostrukturierung (3, 3´) der Fensterschicht nachempfunden sind, wobei die zweite, auf der ersten Antireflexschicht (4) abgeschiedene Antireflexschicht (7) die Nanostrukturen (6, 6´) der ersten Antireflexschicht (4) unter Ausbildung einer zweiten Schicht (8) aus Metamaterial zumindest teilweise ausfüllt.
Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Antireflexschicht der Nanostrukturierung (6, 6´) der ersten Antireflexschicht (4) nachempfundene Nanostrukturen (9, 9´) aufweist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturen (3, 3´) der Fensterschicht (2) eine Breite von 20 bis 250 nm, insbesondere von 50 bis 200 nm, und/oder eine Länge von 20 bis 250 nm, insbesondere von 50 bis 200 nm, und/oder eine Höhe von 40 bis 80 nm aufweisen und/oder die Antireflexschichten eine Schichtdicke von 20 bis 200 nm, insbesondere von 50 bis 150 nm aufweisen.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterschicht (2) eine Schichtdicke von 50 bis 200 nm aufweist, wobei der vollflächige Bereich der Fensterschicht (2), der frei von den Nanostrukturen (3, 3´) ist, bevorzugt eine Dicke im Bereich von 20 bis 40 nm aufweist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterschicht aus einem Halbleitermaterial mit einer Bandlückenenergie von mindestens 2 eV, insbesondere AlInP, AlGaAs oder AlGaN, und/oder die erste Antireflexschicht aus einem amorphen dielektrischen Material mit einem Brechungsindex von 1,7 bis 2,5 bei 600 nm, insbesondere Titanoxid, Tantaloxid, Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Wolframoxid oder Zinksulfid, und/oder die zweite Antireflexschicht aus einem amorphen dielektrischen Material mit einem Brechungsindex von 1,1 bis 1,7 bei 600 nm, insbesondere Magnesiumfluorid, Siliciumoxid oder Aluminiumoxid, besteht.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturierung (3, 3´) der Fensterschicht (2) periodisch oder statistisch ist, insbesondere in Form von Löchern, Gräben, Quadern, Zylindern, invertierten Pyramiden oder Kombinationen hiervon.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Antireflexschicht mindestens eine weitere Antireflexschicht abgeschieden ist, wobei sich zwischen allen weiteren Antireflexschichten Schichten aus Metamaterial bilden, solange die entsprechende Antireflexschicht noch eine Nanostrukturierung aufweist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement auf der frontseitigen Antireflexschicht über einen Silikonfilm mit einer Frontverglasung verbunden ist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine Mehrfachsolarzelle aus III–V-Halbleitern ist.
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem a) eine Nanostrukturierung (3, 3´) einer Fensterschicht (2) des Halbleiterbauelements durchgeführt wird, b) die nanostrukturierte Fensterschicht (2) mit einer ersten Antireflexschicht (4) beschichtet wird, wobei durch zumindest teilweise Auffüllen der Nanostrukturen (3, 3´) in der Fensterschicht (2) bei der Beschichtung eine erste Schicht (5) aus Metamaterial gebildet wird und sich in der Oberfläche der ersten Antireflexschicht (4) der Nanostrukturierung (3, 3´) der Fensterschicht nachempfundene Nanostrukturen (6, 6´) bilden, wobei der Brechungsindex der ersten Schicht (5) aus Metamaterial durch Auswahl der Materialien für die Fensterschicht (2) und die erste Antireflexschicht (4) und Einstellung von deren Flächenanteil in der Schicht (5) im Bereich von 2,3 bis 2,9 eingestellt wird und c) die erste Antireflexschicht (4) mit einer zweiten Antireflexschicht (7) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Abscheidung so gesteuert wird, dass durch Auffüllen der Nanostrukturen (6, 6´) in der ersten Antireflexschicht (4) eine zweite Schicht (8) aus Metamaterial gebildet wird und sich in der Oberfläche der zweiten Antireflexschicht (7) der Nanostrukturierung (6, 6´) der ersten Antireflexschicht (4) nachempfundene Nanostrukturen (10, 10´) bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Nanostrukturierung ein Einprägen der Struktur in einen Lack und anschließende Übertragung der Struktur mittels Ätzen, insbesondere trockenchemisches Ätzen, auf die Fensterschicht erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexschichten simultan oder konsekutiv mittels Aufdampf- oder Plasmaverfahren abgeschieden werden.
Verwendung der Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Stromerzeugung in Satelliten im Weltraum oder zum Einsatz in terrestrischen photovoltaischen Konzentratorsystemen.