DE102015016047A1

DE102015016047A1 - Mehrfach-Solarzelle

Info

Publication number: DE102015016047A1
Application number: DE102015016047.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Guter; Lars Ebel; Matthias Meusel
Original assignee: Azur Space Solar Power GmbH
Current assignee: Azur Space Solar Power GmbH
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-14
Also published as: EP3179521B1; EP3179521A1; CN106887481A; US10991840B2; US20170170354A1; CN106887481B

Abstract

Stapelförmige Mehrfach-Solarzelle mit einer ersten Teilzelle, wobei die erste Teilzelle überwiegend Germanium aufweist, und mit einer zweiten Teilzelle, wobei die zweite Teilzelle eine größere Bandlücke als die erste Teilzelle aufweist, und mit einer dritten Teilzelle, wobei die dritte Teilzelle eine größere Bandlücke als die zweite Teilzelle aufweist, und jede der Teilzellen einen Emitter und eine Basis aufweist, und wobei die zweite Teilzelle eine Schicht mit einer Verbindung mit wenigstens den Elementen GaInAsP umfasst und die Dicke der Schicht größer als 100 nm ist und die Schicht als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist, die dritte Teilzelle eine Schicht mit einer Verbindung mit wenigstens den Elementen GaInP aufweist und die Dicke der Schicht größer als 100 nm ist und die Schicht als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist, und bei der zweiten Teilzelle der Phosphor-Gehalt der Schicht größer 1% und kleiner 45% ist und der Indium-Gehalt der Schicht kleiner 50% ist, und die Gitterkonstante der Schicht kleiner 5,84 Å ist, und die Gitterkontante der Schicht der dritten Teilzelle sich von der Gitterkontante der Schicht der zweiten Teilzelle um weniger als 0,2% unterscheidet, und zwischen zwei Teilzellen der Mehrfach-Solarzelle kein Halbleiterbond ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfach-Solarzelle.
Aus der Druckschrift „Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight" von Guter et al., Applied Physics Letters 94, 223504 (2009)] ist eine Mehrfach-Solarzelle (engl. multi-junction solar cell) bekannt. Bei der offenbarten Struktur handelt es sich um eine metamorphe Ga_0.35In_0.65P/Ga_0.83In_0.17As/Ge Dreifach-Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad. Zwischen dem Ge Substrat bzw. der Ge Teilzelle und der Ga_0.83In_0.17As Teilzelle wird ein metamorpher Puffer aus Ga_YIn_1-YAs verwendet.
Weiterhin sind aus der Druckschrift „Development of Advanced Space Solar Cells at Spectrolab" von Boisvert et al. in Proc. of 35th IEEE PVSC, Honolulu, HI, 2010, ISBN: 978-1-4244-5891-2, auf Halbleiterbond-Technologie basierende GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs Vierfach- und GaInP/AlGaInAs/GaAs/GaInAsP/GaInAs Fünffach-Solarzellen bekannt. Eine weitere Vierfach-Soalrzelle ist auch aus der Druckschrift „Wafer bonded four-junction GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs concentrator solar cells with 44.7% efficiency" von Dimroth et al. in Progr. Photovolt: Res. Appl. 2014; 22: 277–282, bekannt.
In den zuletzt genannten beiden Druckschriften werden ausgehend von einem InP Substrat jeweils GaInAsP Solarzellen mit einer Energiebandlücke von ca. 1.0 eV gitterangepasst abgeschieden. Die oberen Solarzellen mit höherer Bandlücke werden in einer zweiten Abscheidung in invertierter Reihenfolge auf einem GaAs Substrat hergestellt. Die Bildung der gesamten Mehrfach-Solarzelle geschieht durch einen direkten Halbleiterbond der beiden Epitaxiewafer, mit einer anschließenden Entfernung des GaAs Substrates und weiteren Prozessschritten. Der Herstellungsprozess ist jedoch kostenintensiv.
Aus der DE 10 2012 004 734 A1 ist eine sowohl auf Halbleiterbond-Technologie als auch auf metamorpher Epitaxie basierende GaInP/GaAs/GaInAs/Puffer/Ge Vierfach-Solarzelle bekannt. Die Herstellungskosten sind aufgrund der zwei notwendigen Abscheidungen auf zwei separaten Substraten, der notwendigen Substratentfernung und des notwendigen Bond-Prozesses immer noch hoch.
Die Optimierung der Strahlungshärte, insbesondere auch für sehr hohe Strahlungsdosen, ist ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung zukünftiger Raumfahrtsolarzellen. Ziel ist es neben der Steigerung des Anfangs- bzw. beginning-of-life (BOL) Wirkungsgrades auch den end-of-life (EOL) Wirkungsgrades zu erhöhen.
Weiterhin sind die Herstellungskosten von entscheidender Bedeutung. Der industrielle Standard zum Zeitpunkt der Erfindung ist durch gitterangepasste und die metamorphe GaInP/GaInAs/Ge Dreifach-Solarzellen gegeben. Hierzu werden durch Abscheidung der GaInP Ober- und GaInAs Mittel-Zelle auf ein relativ zu GaAs- und InP-Substraten kostengünstiges Ge Substrat Mehrfach-Solarzellen hergestellt, wobei das Ge-Substrat die Unterzelle bildet.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
Die Aufgabe wird durch eine Mehrfach-Solarzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird eine stapelförmige Mehrfach-Solarzelle mit einer ersten Teilzelle bereitgestellt, wobei die erste Teilzelle überwiegend Germanium aufweist, und mit einer zweiten Teilzelle, wobei die zweite Teilzelle eine größere Bandlücke als die erste Teilzelle aufweist, und mit einer dritten Teilzelle, wobei die dritte Teilzelle eine größere Bandlücke als die zweite Teilzelle aufweist, und jede der Teilzellen einen Emitter und eine Basis aufweist, und wobei die zweite Teilzelle eine Schicht mit einer Verbindung mit wenigstens den Elementen GaInAsP umfasst und die Dicke der Schicht größer als 100 nm ist und die Schicht als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist, die dritte Teilzelle eine Schicht mit einer Verbindung mit wenigstens den Elementen GaInP aufweist und die Dicke der Schicht größer als 100 nm ist und die Schicht als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist, und bei der zweiten Teilzelle der Phosphor-Gehalt der Schicht größer 1% und kleiner 45% ist und der Indium-Gehalt der Schicht kleiner 50% ist, und die Gitterkonstante der Schicht kleiner 5,84 Å ist, und die Gitterkontante der Schicht der dritten Teilzelle sich von der Gitterkontante der Schicht der zweiten Teilzelle um weniger als 0,2% unterscheidet, und zwischen zwei Teilzellen der Mehrfach-Solarzelle kein Halbleiterbond ausgebildet ist.
Es versteht sich, dass insbesondere der angegebene Phosphor-Gehalt auf den Gesamtgehalt der Gruppe-V Atome bezogen ist. Entsprechend ist der angegebene Indium-Gehalt auf den Gesamtgehalt der Gruppe-III Atome bezogen. D. h. bei der Verbindung Ga_1-XIn_XAs_1-YP_Y beträgt der Indium-Gehalt den Wert X und der Phosphor-Gehalt den Wert Y und hierdurch ergibt sich für einen Phosphor-Gehalt von 50% ein Y-Wert von 0,5.
Es sei angemerkt, dass mit dem Begriff ”Halbleiterbond” insbesondere umfasst ist, dass zwischen zwei beliebigen Teilzellen des Solarzellenstapels auch kein direkter Halbleiterbond ausgebildet ist. D. h. der Solarzellestapel wird nicht aus zwei Teilstapeln hergestellt, welche auf unterschiedlichen Substraten abgeschieden wurden und nachträglich über einen Halbleiterbond zusammengefügt sind. Insbesondere weist der Solarzellenstapel keine amorphen Zwischenschichten auf.
Es versteht sich, dass die Mehrfach-Solarzelle monolithisch aufgebaut ist. Auch wird angemerkt, dass in jeder der Solarzellen der Mehrfach-Solarzelle eine Absorption von Photonen und hierdurch eine Generation von Ladungsträgern stattfindet, wobei das Sonnenlicht immer zuerst durch die Teilzelle mit der größten Bandlücke eingestrahlt wird. Anders ausgedrückt, der Solarzellenstapel absorbiert mit der obersten Teilzelle zuerst den kurzwelligen Anteil des Lichtes. Vorliegend durchströmen die Photonen also erst die zweite Teilzelle und anschließend die erste Teilzelle. In einem Ersatzschaltbild sind die einzelnen Solarzellen der Mehrfach-Solarzelle in Serie verschaltet, d. h. die Teilzelle mit dem geringsten Strom wirkt limitierend.
Auch sei angemerkt, dass unter den Begriffen Emitter und Basis entweder die p-dotierten oder die n-dotierten Schichten in der jeweiligen Teilzelle verstanden werden.
Auch sei angemerkt, dass unter dem Begriff überwiegend Germanium diejenigen Schichten mit einem Germanium Anteil oberhalb 70%, vorzugsweise oberhalb 90% und höchst vorzugsweise oberhalb 95% verstanden werden. Auch sei angemerkt, dass vorliegend die chemischen Abkürzungen von Elementen synonym zu den vollständigen Begriffen verwendet werden.
Ein Vorteil der Ausbildung einer ersten Teilzelle überwiegend aus Germanium, besteht darin, dass sich die erste Teilzelle einfach und kostengünstig durch Aktivierung des Germanium Substrates mittels As- und/oder P-Diffusion während des Prozesses der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) herstellen lässt.
Insbesondere müssen für eine Ausbildung der ersten Teilzelle keine mehreren Mikrometer dicken Schichten aus Germanium, d. h. sogenannte Bulk-Schichten, zur Absorption der Photonen epitaktisch abgeschieden werden. Hierdurch weist die erste Teilzelle geringe Herstellungskosten auf. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Teilzelle aus Germanium eine geringe Degradation unter Bestrahlung mit 1 MeV Elektronen aufweist. Es sei angemerkt, dass unter dem Begriff Germanium Schichten, Schichten mit überwiegend Germanium verstanden werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, wie Untersuchungen zeigten, dass die Ausbildung einer zweiten Teilzelle bestehend aus einer Verbindung aus GaInAsP eine höhere Strahlungsstabilität im Vergleich zu Teilzelle aus GaAs, GaInAs, AlGaAs und/oder AlGaInAs aufweist.
Untersuchungen haben überraschend gezeigt, dass im Falle einer Ge, d. h. Germanium, basierten Mehrfach-Solarzelle die Verwendung einer Verbindung überwiegend aus GaInAsP anstelle einer Verbindung aus GaInAs für die zweite Teilzelle aufgrund der höheren Strahlungshärte von GaInAsP gegenüber GaInAs besonders vorteilhaft bereits für Phosphor-Gehalte unter 45% ist. Bisher erschien dem Fachmann die Verwendung einer GaInAsP Zelle abwegig, denn eine zu Germanium gitterangepasst ausgebildete GaInAsP Teilzelle besitzt im Vergleich zu der bisher verwendeten GaInAs Teilzelle eine höhere Energiebandlücke. Hierdurch sinkt bei der Ausbildung einer gitterangepassten GaInP/GaInAs(P)/Ge Tripel-Solarzelle der Anfangswirkungsgrad, auch als BOL Wirkungsgrad bezeichnet, der Solarzelle.
Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, möglichst wenig Aluminium in Teilzelle einzubauen. Aluminium reagiert sehr leicht auf Reaktor- oder Quellen-Verunreinigungen durch Restfeuchte und/oder Sauerstoff und verschlechtert in einer oxidierten Form die Materialqualität. Hierdurch lässt sich die Ausbeute bei der Herstellung von Mehrfachsolarzellen steigern.
In einer Ausführungsform weist die Mehrfach-Solarzelle genau drei Teilzellen auf. Zusätzlich oder alternativ weist die Schicht der zweiten Teilzelle eine Energiebandlücke im Bereich von 1,2 eV bis 1,3 eV auf.
In einer Weiterbildung besteht die Schicht der dritten Teilzelle aus einer Verbindung mit wenigstens den Elementen AlGaInP.
Ein Vorteil ist, dass insbesondere die GaInP oder AlGaInP Verbindungen über eine hohe Strahlungsstabilität verfügen.
In einer anderen Weiterbildung ist zwischen der ersten Teilzelle und der zweiten Teilzelle ein metamorpher Puffer ausgebildet ist, wobei der Puffer eine Abfolge von mindestens drei Schichten aufweist und die Gitterkonstante bei der Abfolge in Richtung der zweiten Teilzelle von Schicht zu Schicht ansteigt. Ein Vorteil des metamorphen Puffers ist, dass hierdurch eine größere Einstellmöglichkeit bei der Energiebandlücke der jeweiligen Teilzelle eröffnet wird, d. h. es lassen sich Einschränkungen, wie der sinkende Wirkungsgrad der Teilzelle bei der Ausbildung von besonders strahlungsharten Zellen aufgrund der bei dem steigenden Phosphor-Gehalt steigenden Energiebandlücke kompensieren oder abmildern.
In einer anderen Weiterbildung sind genau vier Teilzellen vorgesehen, wobei vorzugsweise die Schicht der zweiten Teilzelle eine Energiebandlücke im Bereich von 1,43 eV bis 1,6 eV aufweist.
In einer anderen Ausführungsform ist die vierte Teilzelle zwischen der zweiten Teilzelle und der dritten Teilzelle angeordnet und die Schicht der vierten Teilzelle umfasst eine Verbindung mit wenigstens den Elementen AlGaInAs oder GaInAsP. Vorzugsweise besteht die Schicht der vierten Zeile aus einer AlGaInAs oder einer GaInAsP Verbindung. Ganz allgemein gilt, dass die Dicke der Schicht der vierten Teilzelle größer als 100 nm ist und die Schicht der vierten Teilzelle als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist.
In einer anderen Ausführungsform ist die vierte Teilzelle zwischen der ersten Teilzelle und der zweiten Teilzelle angeordnet ist und eine Schicht aus einer Verbindung mit wenigstens den Elementen GaInAs oder GaInNAs aufweist und die Dicke der Schicht größer als 100 nm ist und die Schicht als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist.
In einer Weiterbildung ist ein Halbleiterspiegel ausgebildet, wobei der Halbleiterspiegel zwischen der ersten Teilzelle und der zweiten Teilzelle und/oder zwischen der ersten Teilzelle und der vierten Teilzelle angeordnet ist. Es versteht sich, dass in einer anderen Weiterbildung weitere Halbleiterspiegel zwischen weiteren Teilzellen ausbilden lassen.
In einer anderen Ausführungsform besteht die Schicht der zweiten Teilzelle oder die Schicht der vierten Teilzelle aus einer Verbindung mit wenigstens den Elementen AlGaInAsP.
In einer Weiterbildung weist die Mehrfach-Solarzelle genau fünf Teilzellen auf und/oder die Schicht der zweiten Teilzelle eine Energiebandlücke im Bereich von 1,3 eV bis 1,4 eV oder im Bereich von 1,43 eV bis 1,7 eV auf.
In einer Ausführungsform ist eine fünfte Teilzelle zwischen der zweiten Teilzelle und der dritten Teilzelle angeordnet. Die fünfte Teilzelle weist eine Schicht mit einer Verbindung aus wenigstens den Elementen AlGaInAs oder AlGaInAsP oder GaInP auf, wobei die Dicke der Schicht der fünften Teilzelle größer als 100 nm ist und die Schicht der fünften Teilzelle als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist.
In einer anderen Ausführungsform ist die fünfte Teilzelle zwischen der zweiten Teilzelle und der vierten Teilzelle angeordnet und weist eine Schicht mit einer Verbindung mit wenigstens den Elementen GaInAs auf. Die Dicke der Schicht der fünften Teilzelle ist größer als 100 nm und ist als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist bei der zweiten Solarzelle der Phosphor-Gehalt der Schicht kleiner als 35% und der Indium-Gehalt der Schicht kleiner als 45% und/oder die Gitterkonstante der Schicht kleiner als 5,81 Å.
In einer Weiterbildung ist bei der zweiten Solarzelle der Phosphor-Gehalt der Schicht kleiner als 25% und der Indium-Gehalt der Schicht kleiner als 45% und/oder die Gitterkonstante der Schicht kleiner als 5,78 Å.
In einer Ausführungsform ist bei der zweiten Solarzelle die Dicke der Schicht größer als 0,4 μm oder größer als 0,8 μm.
Sogenannte Hetero-Solarzellen mit einem Emitter bestehend aus GaInP und einer Raumladungszone und/oder Basis bestehend aus GaInAs werden nicht als zweite Teilzelle angesehen. Eine Hetero-Solarzellen mit einem Emitter bestehend aus GaInP und einer Raumladungszone und/oder Basis bestehend aus GaInAsP werden jedoch als zweite Teilzelle angesehen.
In einer anderen Weiterbildung werden vorliegend zweite Teilzelle gemeint, die keine Vielfach-Quantentopf-Struktur aufweisen. Insbesondere weist die zweite Teilzelle keine Perioden aus GaInAs/GaAsP in der Raumladungszone auf.
In einer Weiterbildung unterscheidet sich die Gitterkonstante der Schicht der vierten Teilzelle von der Gitterkonstante der Schicht der zweiten Teilzelle um weniger als 0,2%.
In einer Weiterbildung unterscheidet sich die Gitterkonstante der Schicht der fünften Teilzelle von der Gitterkonstante der Schicht der zweiten Teilzelle um weniger als 0,2%.
In einer Weiterbildung sind alle Teilzellen in Bezug zu der Germanium Teilzelle zueinander gitterangepasst.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d. h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:
1 einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Tripel-Solarzelle,
2a einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Vierfach-Solarzelle in einer ersten Alternative,
2b einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Vierfach-Solarzelle in einer zweiten Alternative,
2c einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Vierfach-Solarzelle in einer dritten Alternative,
2d einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Vierfach-Solarzelle in einer vierten Alternative,
3a einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer ersten Alternative,
3b einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer zweiten Alternative,
3c einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer dritten Alternative,
3d einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer vierten Alternative,
3e einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer fünften Alternative,
3f einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer sechsten Alternative.
Die Abbildung der 1 zeigt einen Querschnitt auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer stapelförmigen monolithischen Mehrfach-Solarzelle MS, im Folgenden werden die einzelnen Solarzellen des Stapels als Teilzelle bezeichnet. Die Mehrfach-Solarzelle MS weist eine erste Teilzelle SC1 auf, wobei die erste Teilzelle SC1 aus Germanium besteht. Aufliegend auf der ersten Teilzelle SC1 ist eine zweite Teilzelle bestehend aus einer GaInAsP-Verbindung angeordnet. Die zweite Teilzelle SC2 weist eine größere Bandlücke als die erste Teilzelle SC1 auf. Aufliegend auf der zweiten Teilzelle SC2 ist eine dritte Teilzelle bestehend aus einer GaInP-Verbindung oder aus einer AlGaInP-Verbindung angeordnet, wobei die dritte Teilzelle SC3 die größte Bandlücke aufweist. Vorliegend weist die zweite Teilzelle SC2 eine Energiebandlücke zwischen 1.2 eV und 1.3 eV auf.
Zwischen der ersten Teilzelle SC1 und der zweiten Teilzelle SC2 ist ein metamorpher Puffer MP1 und ein Halbleiterspiegel HS1 ausgebildet. Der Puffer MP1 besteht aus einer Vielzahl von im Einzelnen nicht dargestellten Schichten, wobei die Gitterkonstante innerhalb des Puffers MP1 von Schicht zu Schicht des Puffers MP1 in Richtung zu der zweiten Teilzelle SC2 sich im Allgemeinen erhöht. Eine Einführung des Puffers MP1 ist vorteilhaft, wenn die Gitterkonstante der zweiten Teilzelle SC2 nicht mit der Gitterkonstante der ersten Teilzelle SC1 übereinstimmt.
Der Reflektionsverlauf des ersten Halbleiterspiegel HS1 ist auf die Bandlücke der zweiten Teilzelle SC2 abgestimmt. Anders ausgedrückt, diejenigen von der zweiten Teilzelle SC2 absorbierbaren Wellenlängen werden in den Absorptionsbereich der zweiten Teilzelle SC2 zurückreflektiert. Hierdurch lässt sich die Dicke des Absorptionsbereichs der zweiten Teilzelle SC2 wesentlich verringern und die Strahlungsstabilität erhöhen.
Es versteht sich, dass zwischen den einzelnen Teilzelle SC1, SC2 und SC3 jeweils eine Tunneldiode – nicht dargestellt – ausgebildet ist.
Es versteht sich auch, dass jede der drei Teilzellen SC1, SC2 und SC3 jeweils einen Emitter und eine Basis aufweist, wobei die Dicke der zweiten Teilzelle SC2 größer als 0,4 μm ausgebildet ist.
Indem die Bandlücke der ersten Teilzelle SC1 ist kleiner als die Bandlücke der zweiten Teilzelle SC2 und die Bandlücke der zweiten Teilzelle SC2 kleiner als die Bandlücke der dritten Teilzelle SC3 ist, findet die Sonneneinstrahlung durch die Oberfläche der dritten Teilzelle SC3 statt.
Die 2a zeigt einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Vierfach-Solarzelle in einer ersten Alternative. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform, dargestellt in Zusammenhang mit der , erläutert. Zwischen der zweiten Teilzelle SC2 und der dritten Teilzelle SC3 ist eine vierte Teilzelle SC4 bestehend auf einer AlInGaAs-Verbindung ausgebildet. Die Gitterkonstante der zweiten Teilzelle SC2, der vierten Teilzelle SC4 und der dritten Teilzelle SC3 sind zueinander angepasst, bzw. stimmen miteinander überein. Anders ausgedrückt, die Teilzellen SC2, SC4 und SC3 sind zueinander ”gitterangepasst”. Die vierte Teilzelle SC4 weist eine größere Bandlücke als die zweite Teilzelle SC2 jedoch eine kleinere Bandlücke als die dritte Teilzelle SC3 auf.
Die 2b zeigt einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Vierfach-Solarzelle in einer zweiten Alternative. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu den vorangegangenen Ausführungsformen erläutert. Die vierte Teilzelle SC4 besteht nunmehr aus einer AlInGaAsP-Verbindung.
Die 2c zeigt einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Vierfach-Solarzelle in einer dritten Alternative. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform, dargestellt in der 2b, erläutert. Die vierte Teilzelle SC4 besteht aus einer GaInAs-Verbindung und ist zwischen dem Halbleiterspiegel HS1 und der zweiten Teilzelle SC2 ausgebildet, wobei die zweite Teilzelle SC2 nun eine Energiebandlücke zwischen 1.43 eV und 1.6 eV aufweist und aus einer AlInGaAsP-Verbindung besteht.
Die 2d zeigt einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Vierfach-Solarzelle in einer vierten Alternative. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform, dargestellt in der 2c, erläutert. Die vierte Teilzelle SC4 besteht aus einer GaInNAs-Verbindung und die zweite Teilzelle SC2 aus einer InGaAsP-Verbindung. Alle vier Teilzellen SC1, SC4, SC2 und SC3 sind nun zueinander Gitterangepasst und weisen im Wesentlichen die Gitterkonstante von Germanium auf. Anders ausgedrückt, die Mehrfach-Solarzelle MS weist keinen metamorphen Puffer MP1 auf.
Die 3a zeigt einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer ersten Alternative. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform, dargestellt in der 2a, erläutert. Zwischen der vierten Teilzelle SC4 und der dritten Teilzelle SC3 ist eine fünfte Teilzelle SC5 bestehend auf einer GaInP-Verbindung ausgebildet. Die Gitterkonstante der zweiten Teilzelle SC2, der vierten Teilzelle SC4, der fünften Teilzelle SC5 und der dritten Teilzelle SC3 sind zueinander angepasst, bzw. stimmen miteinander überein. Anders ausgedrückt, die Teilzellen SC2, SC4, SC5 und SC3 sind zueinander ”gitterangepasst”. Die fünfte Teilzelle SC5 weist eine größere Bandlücke als die vierte Teilzelle SC4 jedoch eine kleinere Bandlücke als die dritte Teilzelle SC3 auf.
Die 3b zeigt einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer zweiten Alternative. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform, dargestellt in der 3a, erläutert. Die vierte Teilzelle SC4 besteht nunmehr aus einer AlInGaAsP-Verbindung.
Die 3c zeigt einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer zweiten Alternative. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform, dargestellt in der 3b, erläutert. Die vierte Teilzelle SC4 besteht aus einer GaInAs-Verbindung und ist zwischen dem Halbleiterspiegel HS1 und der zweiten Teilzelle SC2 ausgebildet, wobei die zweite Teilzelle SC2 nun eine Energiebandlücke zwischen 1.3 eV und 1.4 eV aufweist und aus einer AlInGaAsP-Verbindung besteht.
Die 3d zeigt einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer vierten Alternative. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform, dargestellt in der 3c, erläutert. Die vierte Teilzelle SC4 besteht aus einer GaInNAs-Verbindung und ist zwischen dem Halbleiterspiegel HS1 und der zweiten Teilzelle SC2 ausgebildet, wobei die zweite Teilzelle SC2 nun eine Energiebandlücke zwischen 1.43 eV und 1.74 eV aufweist und aus einer InGaAsP-Verbindung besteht. Die fünfte Teilzelle SC5 besteht auf einer AlGaInAs-Verbindung. Alle fünf Teilzellen SC1, SC4, SC5 und SC3 sind nun zueinander gitterangepasst und weisen im Wesentlichen die Gitterkonstante von Germanium auf. Anders ausgedrückt, die Mehrfach-Solarzelle MS weist keinen metamorphen Puffer MP1 auf.
Die 3e zeigt einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer fünften Alternative. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform, dargestellt in der 3d, erläutert. Die fünfte Teilzelle SC5 besteht auf einer AlGaInAsP-Verbindung.
Die 3e zeigt einen Querschnitt auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Fünffach-Solarzelle in einer sechsten Alternative. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform, dargestellt in der 3e, erläutert. Die fünfte Teilzelle SC5 besteht aus einer GaInAs-Verbindung und ist zwischen der vierten Teilzelle SC4 und der zweiten Teilzelle SC2 ausgebildet, wobei die zweite Teilzelle SC2 aus einer AlInGaAsP-Verbindung besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012004734 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Druckschrift „Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight” von Guter et al., Applied Physics Letters 94, 223504 (2009) [0002]
Druckschrift „Development of Advanced Space Solar Cells at Spectrolab” von Boisvert et al. in Proc. of 35th IEEE PVSC, Honolulu, HI, 2010, ISBN: 978-1-4244-5891-2 [0003]
Druckschrift „Wafer bonded four-junction GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs concentrator solar cells with 44.7% efficiency” von Dimroth et al. in Progr. Photovolt: Res. Appl. 2014; 22: 277–282 [0003]

Claims

Stapelförmige Mehrfach-Solarzelle (MS) umfassend eine erste Teilzelle (SC1), wobei die erste Teilzelle überwiegend Germanium aufweist, und eine zweite Teilzelle (SC2), wobei die zweite Teilzelle (SC2) eine größere Bandlücke als die erste Teilzelle (SC1) aufweist, und eine dritte Teilzelle (SC3), wobei die dritte Teilzelle (SC3) eine größere Bandlücke als die zweite Teilzelle (SC2) aufweist, und jede der Teilzellen (SC1, SC2, SC3) einen Emitter und eine Basis aufweist, und die zweite Teilzelle (SC2) eine Schicht (S2) mit einer Verbindung mit wenigstens den Elementen GaInAsP umfasst und die Dicke der Schicht (S2) größer als 100 nm ist und die Schicht (S2) als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist, die dritte Teilzelle (SC3) eine Schicht (S3) mit einer Verbindung mit wenigstens den Elementen GaInP aufweist und die Dicke der Schicht (S3) größer als 100 nm ist und die Schicht (S3) als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Teilzelle (SC2) der Phosphor-Gehalt der Schicht (S2) größer 1% und kleiner 45% ist und der Indium-Gehalt der Schicht (S2) kleiner 50% ist, und die Gitterkonstante der Schicht (S2) kleiner 5,84 Å ist, und die Gitterkonstante der Schicht (S3) der dritten Teilzelle (SC3) sich von der Gitterkonstante der Schicht (S2) der zweiten Teilzelle (SC2) um weniger als 0,2% unterscheidet, und zwischen zwei Teilzellen kein Halbleiterbond ausgebildet ist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfach-Solarzelle (MS) genau drei Teilzellen aufweist und/oder die Schicht (S2) der zweiten Teilzelle (SC2) eine Energiebandlücke im Bereich von 1,2 eV bis 1,3 eV aufweist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Teilzelle (SC1) und der zweiten Teilzelle (SC2) ein metamorpher Puffer (MP1) ausgebildet ist, wobei der Puffer (MP1) eine Abfolge von mindestens drei Schichten aufweist und die Gitterkonstante bei der Abfolge in Richtung der zweiten Teilzelle (SC2) von Schicht zu Schicht ansteigt.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Teilzelle (SC4) zwischen der zweiten Teilzelle (SC2) und der dritten Teilzelle (SC3) angeordnet ist und eine Schicht (S4) der vierten Teilzelle (SC4) eine Verbindung mit wenigstens den Elementen AlGaInAs oder GaInAsP aufweist und die Dicke der Schicht (S4) größer als 100 nm ist und die Schicht (S4) als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist, oder dass die vierte Teilzelle (SC4) zwischen der ersten Teilzelle (SC1) und der zweiten Teilzelle (SC2) angeordnet ist und die Schicht (S4) der vierten Teilzelle (SC4) eine Verbindung mit wenigstens den Elementen GaInAs oder GaInNAs aufweist und die Dicke größer als 100 nm ist und als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (S3) der dritte Teilzelle (SC3) aus einer Verbindung mit wenigstens den Elementen AlGaInP besteht.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiterspiegel (HS1) ausgebildet ist und der Halbleiterspiegel (HS1) zwischen der ersten Teilzelle (SC1) und der zweiten Teilzelle (SC2) und/oder zwischen der ersten Teilzelle (SC1) und der vierten Teilzelle (SC4) angeordnet ist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (S2) der zweiten Teilzelle (SC2) oder die Schicht (S4) der vierten Teilzelle (SC4) aus einer Verbindung mit wenigstens den Elementen AlGaInAsP besteht.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfach-Solarzelle (MS) genau vier Teilzellen aufweist und/oder die Schicht (S2) der zweiten Teilzelle (SC2) eine Energiebandlücke im Bereich von 1,43 eV bis 1,6 eV aufweist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine fünfte Teilzelle (SC5) zwischen der zweiten Teilzelle (SC2) und der dritten Teilzelle (SC3) angeordnet ist und die fünfte Teilzelle (SC5) eine Schicht (S5) mit einer Verbindung aus wenigstens den Elementen AlGaInAs oder AlGaInAsP oder GaInP umfasst und die Dicke der Schicht (S5) größer als 100 nm ist und die Schicht (S5) als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist, oder dass die fünfte Teilzelle (SC5) zwischen der zweiten Teilzelle (SC2) und der vierten Teilzelle (SC4) angeordnet ist und die Schicht (S5) der fünften Teilzelle (SC5) aus einer Verbindung mit wenigstens den Elementen GaInAs besteht und die Dicke der Schicht (S5) fünften Teilzelle (SC5) größer als 100 nm ist und als Teil des Emitters und/oder als Teil der Basis und/oder als Teil der zwischen Emitter und Basis liegenden Raumladungszone ausgebildet ist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfach-Solarzelle (MS) genau fünf Teilzellen aufweist und/oder die Schicht (S2) der zweiten Teilzelle (SC2) eine Energiebandlücke im Bereich von 1,3 eV bis 1,4 eV oder im Bereich von 1,43 eV bis 1,7 eV aufweist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Teilzelle (SC2) der Phosphor-Gehalt der Schicht (S2) kleiner als 35% ist und der Indium-Gehalt der Schicht (S2) kleiner als 45% ist und/oder die Gitterkonstante der Schicht (S2) kleiner als 5,81 Å ist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Teilzelle (SC2) der Phosphor-Gehalt der Schicht (S2) kleiner als 25% ist und der Indium-Gehalt der Schicht (S2) kleiner als 45% ist und/oder die Gitterkonstante der Schicht (S2) kleiner als 5,78 Å ist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Teilzelle (SC2) die Dicke der Schicht (S2) größer als 0,4 μm oder größer als 0,8 μm ist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilzelle (SC2) keine Vielfach-Quantentopf-Struktur aufweist.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gitterkonstante der Schicht (S4) der vierten Teilzelle (SC4) von der Gitterkonstante der Schicht (S2) der zweiten Teilzelle (SC2) um weniger als 0,2% unterscheidet.
Mehrfach-Solarzelle (MS) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gitterkonstante der Schicht (S5) der fünften Teilzelle (SC5) von der Gitterkonstante der Schicht (S2) der zweiten Teilzelle (SC2) um weniger als 0,2% unterscheidet.