DE102016013814A1

DE102016013814A1 - Invertierte metamorphische mehrfachsolarzelle

Info

Publication number: DE102016013814A1
Application number: DE102016013814.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Derkacs; Mark Stan; Bed Pantha
Original assignee: Solaero Technologies Corp
Current assignee: Solaero Technologies Corp
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2017-05-24
Also published as: EP3171413A1

Abstract

Eine Multijunction- bzw. Mehrfachsolarzelle wird offenbart, welches Folgendes aufweist: eine obere erste Solarunterzelle mit einer ersten Bandlücke; eine zweite Solarunterzelle benachbart zur oberen ersten Solarunterzelle, die eine zweite Bandlücke hat, die kleiner ist als die erste Bandlücke; eine dritte Solarunterzelle benachbart zur zweiten Solarunterzelle, die eine dritte Bandlücke hat, die kleiner ist als die zweite Bandlücke; eine abgestufte Zwischenschicht benachbart zur dritten Solarunterzelle, wobei die abgestufte Zwischenschicht eine vierte Bandlücke hat, die größer ist als die dritte Bandlücke; und zumindest eine vierte Solarunterzelle benachbart zur abgestuften Zwischenschicht, wobei die vierte Solarunterzelle eine fünften Bandlücke hat, die kleiner ist als die dritte Bandlücke, so dass die untere vierte Solarunterzelle bezüglich des Gitters nicht zu der dritten Solarunterzelle passt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Solarzellen und die Herstellung von Solarzellen und insbesondere auf die Konstruktion und Zusammensetzung einer Multijunction- bzw. Mehrfachsolarzelle.
Beschreibung der verwandten Technik
Solarenergie aus photovoltaischen Zellen, die auch Solarzellen genannt werden, ist in vorherrschender Weise durch Silizium-Halbleitertechnologie vorgesehen worden. In den vergangenen paar Jahren hat jedoch die Herstellung von III-V-Verbindungsmehrfachhalbleitersolarzellen für Weltraumanwendungen die Entwicklung von solchen Technologien nicht nur zur Verwendung im Weltraum, sondern auch für terrestrische Solarenergieanwendungen beschleunigt. Im Vergleich zu Silizium haben III-V-Verbindungsmehrfachhalbleitervorrichtungen größere Energieumwandlungswirkungsgrade und im Allgemeinen mehr Strahlungsbeständigkeit, obwohl sie tendenziell komplexer ordnungsgemäß zusammenzustellen und herzustellen sind. Typische kommerzielle III-V-Verbindungsmehrfachhalbleitersolarzellen haben Energiewirkungsgrade, welche 27% unter einer Sonnen-Luftmasse-0-Beleuchtung (AM0-Beleuchtung; AM0 = air mass 0) überschritten haben, während sogar die effizientesten Siliziumtechnologien im Allgemeinen nur ungefähr 18% Wirkungsgrad unter vergleichbaren Bedingungen erreichen. Der höhere Umwandlungswirkungsgrad von III-V-Verbindungsmehrfachhalbleitersolarzellen verglichen mit Siliziumsolarzellen basiert teilweise auf der Fähigkeit, eine spektrale Aufteilung der auftreffenden Strahlung durch Verwendung einer Vielzahl von photovoltaischen Bereichen mit unterschiedlichen Bandlückenenergien zu erreichen, und den Strom von allen diesen Regionen zu sammeln.
Bei satelliten- und anderen weltraumbezogenen Anwendungen hängen die Größe, die Masse und die Kosten eines Satelliten-Leistungssystems von der Leistung und von der Energieumwandlungseffizienz der verwendeten Solarzellen ab. Anders gesagt, die Größe der Nutzlast und die Verfügbarkeit von an Bord vorgesehenen Diensten sind proportional zur Menge der gelieferten Leistung. Nachdem die Nutzlasten komplizierter werden und Anwendungen für fünf, zehn, zwanzig oder mehr Jahre vorgesehen sind, wird somit das Verhältnis von Leistung zu Gewicht und die Effizienz über die Lebensdauer einer Solarzelle immer wichtiger, und es besteht ein zunehmendes Interesse nicht nur an der Menge an Leistung, die beim anfänglichen Einsatz geliefert wird, sondern über die gesamte Dienstlebensdauer des Satellitensystems, oder als Konstruktionsspezifikation ausgedrückt, die Menge an Leistung, die am Ende der Lebensdauer (EOL = end of life) vorgesehen wird.
Die Effizienz der Energieumwandlung, welche Solarenergie (oder Photonen) in elektrische Energie umwandelt, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise der Konstruktion von Solarzellenstrukturen, die Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dicke von jeder Zelle. Kurz gesagt, der Energieumwandlungswirkungsgrad für jede Solarzelle hängt von der optimalen Verwendung des verfügbaren Sonnenlichts über das Solarspektrum genauso wie vom „Alter” der Solarzelle ab, d. h. von der Zeitdauer, die sie eingesetzt worden ist und einer Verschlechterung unterworfen war, die mit der Weltraumumgebung assoziiert ist. Als solches, ist die Charakteristik der Sonnenlichtabsorption im Halbleitermaterial, auch als photovoltaische Eigenschaften bekannt, kritisch für die Bestimmung des effizientesten Halbleiters, um eine optimale Energieumwandlung zu erreichen, um Kundenanforderungen zu erfüllen.
Der Energieumwandlungswirkungsgrad von Multijunction- bzw. Mehrfachsolarzellen, wird durch Faktoren beeinflusst, wie beispielsweise die Anzahl der Subzellen bzw. Unterzellen, der Dicke von jeder Unterzelle, der Zusammensetzung und der Dotierung von jeder aktiven Schicht in einer Unterzelle, und der daraus folgenden Bandstruktur, Elektronenergieniveaus, Leitung und Absorption von jeder Unterzelle genauso wie vom Effekt ihrer Aussetzung gegenüber Strahlung in der Umgebung mit der Zeit. Die Identifikation und Spezifikation von solchen Auslegungsparametern ist kein triviales Unterfangen bei der Auslegung und würde abhängig von der speziellen Weltraummission und von den Auslegungsanforderungen der Kunden variieren. Da die Leistungsausgabe eine Funktion von sowohl der Spannung als auch dem Strom ist, die von einer Unterzelle erzeugt werden, kann eine vereinfachte Betrachtung versuchen, beide Parameter in einer Unterzelle zu maximieren, indem ein Bestandteilselement oder das Dotierungsniveau erhöht werden, um diesen Effekt zu erreichen. Jedoch kann in der Realität eine Veränderung eines Materialparameters, der die Spannung erhöht, eine Verringerung des Stroms zur Folge haben, und daher eine geringere Leistungsausgabe. Solche Materialauslegungsparameter sind unabhängig und wirken in komplexer und oft unvorhersagbarer Weise zusammen, und aus diesem Grund sind sie keine „ergebniswirksamen” Variablen, die der Fachmann, der mit komplexen Auslegungsspezifikationen und Überlegungen bezüglich des praktischen Betriebs konfrontiert ist, einfach einstellen kann, um die Leistung zu optimieren. Elektrische Eigenschaften, wie beispielsweise die Kurzschlussstromdichte (J_SC), die Leerlaufspannung (V_OC) und der Füllfaktor (FF), welche die Effizienz und Leistungsausgabe der Solarzelle bestimmen, werden durch die geringsten Veränderungen von solchen Auslegungsvariablen beeinflusst, und, wie oben erwähnt, solche Variablen und resultierenden Eigenschaften können auch in ungleichförmiger Weise über die Zeit variieren (d. h. während der Betriebslebensdauer des Systems), um die Überlegung noch komplizierter zu machen.
Eine der wichtigen mechanischen oder strukturellen Überlegungen bei der Auswahl der Halbleiterschichten für eine Solarzelle ist, dass es wünschenswert ist, dass die benachbarten Schichten von Halbleitermaterialien in der Solarzelle, d. h. jede Schicht eines kristallinen Halbleitermaterials, die abgeschieden und zum Wachstum angeregt wird, um eine Solarunterzelle zu formen, ähnliche Kristallgitterkonstanten oder -parameter hat. Die vorliegende Anmeldung ist auf Solarzellen mit mehreren im Wesentlichen bezüglich des Gitters übereinstimmenden Unterzellen gerichtet, die jedoch zumindest zwei Unterzellen aufweisen, bei denen das Gitter nicht zusammenpasst, und in einem speziellen Ausführungsbeispiel auf eine Fünffach- oder Sechsfach-Verbindungssolarzelle (5J-Solarzelle oder 6J-Solarzelle; J = junction), welche III-V-Halbleiterkomponenten und zwei metaphorische Schichten verwendet.
Zusammenfassung
Alle Bereiche von numerischen Parametern, die in dieser Offenbarung dargelegt werden, sollen so verstanden werden, dass sie irgendeinen und alle Unterbereiche oder „Zwischenverallgemeinerungen” umfassen, die darin zusammengefasst sind. Beispielsweise soll ein genannter Bereich von „1,0 bis 2,0 eV” für einen Bandlückenwert so angesehen werden, dass er irgendeinen und alle Unterbereiche einschließt, und zwar beginnend mit einem minimalen Wert von 1,0 eV oder mehr und endend mit einem maximalen Wert von 2,0 eV oder weniger, beispielsweise 1,0 bis 2,0 oder 1,3 bis 1,4 oder 1,5 bis 1,9 eV.
Gemäß einem Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung eine Multijunction- bzw. Mehrfachsolarzelle vor. In einem Ausführungsbeispiel weist die Mehrfachsolarzelle Folgendes auf: eine obere erste Solarunterzelle mit einer ersten Bandlücke im Bereich von 1,92 bis 2,2 eV, eine zweite Solarunterzellen benachbart zur ersten Solarunterzelle und mit einer zweiten Bandlücke im Bereich von 1,65 bis 1,78 eV; eine dritte Solarunterzelle benachbart zur zweiten Solarunterzelle und mit einer dritten Bandlücke im Bereich von 1,40 bis 1,50 eV; eine erste abgestufte Zwischenschicht benachbart zu der dritten Solarunterzelle; wobei die erste abgestufte Zwischenschicht eine vierte Bandlücke von mehr als der dritten Bandlücke hat; und eine vierte Solarunterzelle benachbart zu der ersten abgestuften Zwischenschicht; wobei die vierte Unterzelle eine fünfte Bandlücke im Bereich von 1,05 eV bis 1,15 eV hat, so dass die vierte Unterzelle bezüglich des Gitters nicht mit der dritten Unterzelle zusammenpasst; eine zweite abgestufte Zwischenschicht benachbart zur vierten Solarunterzelle; wobei die zweite abgestufte Zwischenschicht eine sechste Bandlücke hat, die größer als die fünfte Bandlücke ist; und eine untere fünfte Solarunterzelle benachbart zu der zweiten abgestuften Zwischenschicht, wobei die untere fünfte Unterzelle eine siebte Bandlücke im Bereich von 0,8 bis 0,9 eV hat, sodass die vierte Unterzelle bezüglich des Gitters nicht zu der vierten Unterzelle passt.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle vor. In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren Folgendes auf: Vorsehen eines ersten Substrates; Abscheiden einer ersten Abfolge von Schichten von Halbleitermaterial auf dem ersten Substrat, wodurch eine erste Solarunterzelle, eine zweite Solarunterzelle und eine dritte Solarunterzelle geformt werden; Abscheiden einer ersten abgestuften Zwischenschicht auf der dritten Solarunterzelle; Abscheiden einer zweiten Abfolge von Schichten von Halbleitermaterial auf der ersten abgestuften Zwischenschicht, wodurch eine vierte Solarunterzelle gebildet wird, wobei die vierte Solarunterzelle bezüglich des Gitters nicht zur dritten Solarunterzelle passt; Abscheiden einer zweiten abgestuften Zwischenschicht auf der vierten Solarunterzelle; Abscheiden einer dritten Abfolge von Schichten von Halbleitermaterial auf der zweiten abgestuften Zwischenschicht, wodurch eine fünfte Solarunterzelle gebildet wird, wobei die fünfte Solarunterzelle bezüglich des Gitters nicht zu der dritten Solarunterzelle passt; Befestigen und Verbinden bzw. Bonden eines Surrogatsubstrates oben auf der Abfolge von Schichten; und Entfernen des ersten Substrates.
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann die erste abgestufte Zwischenschicht bezüglich der Zusammensetzung abgestuft sein, um sich an die dritte Solarunterzelle auf einer Seite bezüglich des Gitters anzupassen und an die vierte Solarunterzelle auf der anderen Seite bezüglich des Gitters anzupassen.
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann die zweite abgestufte Zwischenschicht bezüglich der Zusammensetzung abgestuft sein, um sich auf einer Seite an die vierte Solarunterzelle bezüglich des Gitters anzupassen und auf der anderen Seite an die fünfte Solarunterzelle bezüglich des Gitters anzupassen.
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite abgestufte Zwischenschicht aus einem von As-, P-, N-, Sb-basierten III-V-Verbindungshalbleitern zusammengesetzt sein, die den Einschränkungen unterworfen sind, dass der Ebenengitterparameter bzw. in der Ebene liegenden Gitterparameter größer oder gleich dem der dritten Solarunterzelle und kleiner oder gleich dem der vierten Solarunterzelle ist, und die eine Bandlückenenergie von mehr als jener der dritten Solarunterzelle und der vierten Solarunterzelle haben können.
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite abgestufte Zwischenschicht aus (In_xGa_1-x)_yAl_1-yAs zusammengesetzt sein, wobei gilt 0 < x < 1, 0 < y < 1, und wobei x und y so ausgewählt sind, dass die Bandlücke über ihre Dicke konstant bleibt.
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann die Bandlücke der ersten abgestuften Zwischenschicht auf einem konstanten Wert im Bereich von 1,42 bis 1,60 eV über die Dicke bleiben.
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann die Bandlücke der zweiten abgestuften Zwischenschicht konstant bei einem Wert im Bereich von 1,2 bis 1,6 eV über die Dicke bleiben.
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann die obere erste Unterzelle aus einer AlInGaP- oder InGaP-Emitterschicht und einer AlInGaP-Basisschicht zusammengesetzt sein, die zweite Unterzelle kann aus einer InGaP-Emitterschicht und einer AlGaAs-Basisschicht zusammengesetzt sein, die dritte Unterzelle kann aus einer InGaP- oder GaAs-Emitterschicht und einer GaAs-Basisschicht zusammengesetzt sein, und die untere vierte Unterzelle kann aus einer InGaAs-Basisschicht und einer InGaAs-Emitterschicht zusammengesetzt sein, die bezüglich des Gitters an die Basis angepasst ist.
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann die untere fünfte Unterzelle eine siebte Bandlücke im Bereich von 0,8 bis 0,9 eV haben, die vierte Solarunterzelle kann eine Bandlücke im Bereich von ungefähr 1,05 bis 1,15 eV haben, die dritte Solarunterzelle kann eine Bandlücke im Bereich von ungefähr 1,40 bis 1,42 eV haben, die zweite Solarunterzelle kann eine Bandlücke im Bereich von ungefähr 1,65 bis 1,78 eV haben, und die erste Solarunterzelle kann eine Bandlücke im Bereich von 1,92 bis 2,2 eV haben.
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen, wobei die untere fünfte Unterzelle eine siebte Bandlücke im Bereich von 0,8 bis 0,9 eV hat, kann die vierte Solarunterzelle eine Bandlücke von ungefähr 1,10 eV haben, kann die dritte Solarunterzelle eine Bandlücke im Bereich von 1,40 bis 1,42 eV haben, kann die zweite Solarunterzelle eine Bandlücke von ungefähr 1,73 eV haben und kann die erste Solarunterzelle eine Bandlücke von ungefähr 2,10 eV haben.
In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann die erste Solarunterzelle aus AlGaInP zusammengesetzt sein, die zweite Solarunterzelle kann aus einer InGaP-Emitterschicht und einer AlGaAs-Basisschicht zusammengesetzt sein, die dritte Solarunterzelle kann aus GaAs oder In_xGaAs zusammengesetzt sein (wobei der Wert von x bei In_x zwischen 0 und 1% ist), und die vierte Solarunterzelle kann aus InGaAs zusammengesetzt sein, und die fünfte Solarunterzelle kann aus In_xGaAs zusammengesetzt sein, wobei der Indium-Gehalt zwischen 40% (mit einer Bandlücke von 0,90 eV) bis 48,6% (mit einer Bandlücke von 0,80 eV) ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung eine Six-Junction- bzw. Sechsfachsolarzelle vor, die Folgendes aufweist: eine obere erste Solarunterzelle mit einer ersten Bandlücke im Bereich von 1,92 bis 2,2 eV; eine zweite Solarunterzelle benachbart zur ersten Solarunterzelle mit einer zweiten Bandlücke im Bereich von 1,65 bis 1,78 eV; eine dritte Solarunterzelle benachbart zur zweiten Solarunterzelle mit einer dritten Bandlücke im Bereich von 1,40 bis 1,50 eV; eine erste abgestufte Zwischenschicht benachbart zur dritten Solarunterzelle; wobei die erste abgestufte Zwischenschicht eine vierte Bandlücke hat, die größer als die dritte Bandlücke ist; eine vierte Solarunterzelle benachbart zur ersten abgestuften Zwischenschicht, wobei die vierte Unterzelle eine fünfte Bandlücke im Bereich von 1,05 bis 1,15 eV und kleiner als jene der dritten Solarunterzelle hat, so dass die vierte Unterzelle bezüglich des Gitters nicht zu der dritten Unterzelle passt; eine zweite abgestufte Zwischenschicht benachbart zu der vierten Solarunterzelle; wobei die zweite abgestufte Zwischenschicht eine sechste Bandlücke hat, die größer als die fünfte Bandlücke ist; eine fünfte Solarunterzelle benachbart zur zweiten abgestuften Zwischenschicht, wobei die fünfte Unterzelle eine siebte Bandlücke im Bereich von 0,8 bis 0,9 eV hat, sodass die fünfte Unterzelle bezüglich des Gitters nicht zu der vierten Unterzelle passt; eine dritte abgestufte Zwischenschicht benachbart zur fünften Solarunterzelle; wobei die dritte abgestufte Zwischenschicht eine achte Bandlücke hat, die größer als die siebte Bandlücke ist; und eine untere sechste Solarunterzelle benachbart zu der dritten abgestuften Zwischenschicht, wobei die untere sechste Unterzelle eine neunte Bandlücke im Bereich von 0,6 bis 0,75 eV hat, sodass die sechste Unterzelle bezüglich des Gitters nicht zu der fünften Unterzelle passt.
In einigen Ausführungsbeispielen können zusätzliche Schichten in der Zellenstruktur hinzugefügt oder daraus entfernt werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Einige Ausführungen der vorliegenden Offenbarung können weniger der Aspekte und Merkmale aufweisen oder implementieren, die in den vorangegangenen Zusammenfassungen erwähnt wurden.
Zusätzliche Aspekte, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann aus dieser Offenbarung, welche die folgende detaillierte Beschreibung mit einschließt, genauso wie durch eine praktische Ausführung der Offenbarung offensichtlich werden. Während die Offenbarung unten mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wird, sei bemerkt, dass die Offenbarung nicht darauf eingeschränkt ist. Der Fachmann mit Zugang zu der Lehre hierin wird zusätzliche Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsbeispiele in anderen Bereichen erkennen, die innerhalb des Umfangs der Offenbarung liegen, so wie sie offenbart und hier beansprucht wird, und auch bezüglich dessen, wofür die Offenbarung nützlich sein könnte.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren werden besser und vollständiger durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung verständlich, wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird, in denen die Figuren Folgendes darstellen:
1 ist eine Querschnittsansicht einer Solarzelle nach einer anfänglichen Stufe der Herstellung, welche die Abscheidung von gewissen Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat aufweist;
2A ist eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Solarzelle der 1, die eine Bragg-Reflektorschicht bzw. DBR-Schicht (DBR = Distributed Bragg-Reflector = Bragg-Spiegel) nach der nächsten Abfolge von Prozessschritten aufweist;
2B ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Solarzelle der 1, welche eine DBR- bzw. Bragg-Reflektorschicht nach der nächsten Abfolge von Prozessschritten aufweist;
3A ist eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Solarzelle der 1, die zwei DBR- bzw. Bragg-Reflektorschichten nach der nächsten Abfolge von Prozessschritten aufweist;
3B ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Solarzelle der 1, die zwei DBR- bzw. Bragg-Reflektorschichten nach der nächsten Abfolge von Prozessschritten aufweist; und
4 ist eine Kurvendarstellung des Dotierungsprofils der Basis- und Emitterschichten einer Unterzelle in der Solarzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Details der vorliegenden Offenbarung werden nun einschließlich beispielhafter Aspekte und Ausführungsbeispiele davon beschrieben. Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen und die folgende Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder funktionell ähnliche Elemente zu bezeichnen, und sie sollen Hauptmerkmale von beispielhaften Ausführungsformen in stark vereinfachter diagrammartiger Weise veranschaulichen. Darüber hinaus sollen die Zeichnungen nicht jedes Merkmal des tatsächlichen Ausführungsbeispiels und auch nicht die relativen Abmessungen der abgebildeten Elemente abbilden, und sie sind nicht im Maßstab gezeichnet.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Multijunction- bzw. Mehrfachsolarzellen, die in einigen Fällen die Lichtaufnahme in der assoziierten Unterzelle verbessern und dadurch den Gesamtwirkungsgrad der Solarzelle. Insbesondere beschreibt die vorliegende Offenbarung eine relativ einfache und reproduzierbare Technik, die zur Verwendung in einer Massenproduktionsumgebung geeignet ist, bei der verschiedene Halbleiterschichten in einem MOCVD-Reaktor abgelagert bzw. abgeschieden werden, und wobei nachfolgende Verarbeitungsschritte definiert und ausgewählt werden, um irgendeinen physischen Schaden an der Qualität der abgeschiedenen Schichten zu minimieren, wodurch eine relativ hohe Ausbeute von funktionsfähigen Solarzellen sichergestellt wird, welche bei Abschluss der Herstellungsprozesse die Spezifikationen erfüllen.
Vor der Beschreibung von speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung ist eine kurze Besprechung von einigen Punkten angebracht, die mit der Konstruktion von Multijunction- bzw. Mehrfachsolarzelle und insbesondere invertierten metamorphischen Solarzellen assoziiert sind, und auch bezüglich des Kontextes der Zusammensetzung oder der Abscheidung von verschiedenen speziellen Schichten in Ausführungsbeispielen des Produktes, wie durch den Anmelder festgelegt und definiert.
Es gibt eine Vielzahl von Eigenschaften, die beim Festlegen und Auswählen der Zusammensetzung von unter anderem einer speziellen Halbleiterschicht, der hinteren Metallschicht, dem Klebemittel oder Bonding-Material oder der Zusammensetzung des Trägermaterials zum Montieren einer Solarzelle darauf berücksichtigt werden sollten. Beispielsweise sind einige der Eigenschaften, die berücksichtigt werden sollten, wenn eine spezielle Schicht oder ein Material ausgewählt wird, elektrische Eigenschaften (beispielsweise Leitfähigkeit), optische Eigenschaften (beispielsweise Bandlücke, Absorptionsfähigkeit und Reflektivität bzw. Reflexionsvermögen), strukturelle Eigenschaften (beispielsweise Dicke, Festigkeit, Flexibilität, E-Modul und so weiter) chemische Eigenschaften (beispielsweise Wachstumsraten, der „Haftungskoeffizient” oder die Fähigkeit von einer Schicht, an einer anderen anzuhaften, Stabilität von Dotierungsmitteln und Bestandteilsmaterialien bezüglich benachbarter Schichten und nachfolgenden Verarbeitungsschritten, usw.), thermische Eigenschaften (beispielsweise thermische Stabilität unter Temperaturveränderungen, thermischer Ausdehnungskoeffizient) und Bearbeitbarkeit (beispielsweise Verfügbarkeit von Materialien, Komplexität des Prozesses, Veränderlichkeit und Toleranzen des Prozesses, Wiederholbarkeit von Ergebnissen bei der Massenherstellung, Probleme bei der Zuverlässigkeit und Qualitätskontrolle).
Im Hinblick auf die Kompromisse zwischen diesen Eigenschaften ist es nicht immer offensichtlich, dass die Auswahl eines Materials basierend auf einer seiner charakteristischen Eigenschaften immer oder typischerweise „am besten” oder „optimal” ist, und zwar von einem kommerziellen Standpunkt aus oder für die Zwecke des Anmelders. Beispielsweise können theoretische Studien nahelegen, dass die Verwendung eines quartären Materials mit einer gewissen Bandlücke für eine spezielle Sub- bzw. Unterzelle die optimale Auswahl für diese Unterzellenschicht sein würde, und zwar basierend auf grundlegender Halbleiterphysik. Als ein Beispiel können die Lehren von akademischen Schriften und damit in Beziehung stehende Vorschläge für die Konstruktion von Solarzellen mit sehr hoher Effizienz (über 40%) nahelegen, dass ein Solarzellenkonstrukteur die Verwendung eines quartären Materials (beispielsweise InGaAsP) für die aktive Schicht einer Unterzelle festlegen sollte. Einige solcher Vorrichtungen können tatsächlich durch andere Forscher hergestellt werden, Effizienzmessungen können gemacht werden, und die Ergebnisse können als ein Beispiel der Fähigkeit solcher Forscher veröffentlicht werden, den Fortschritt der Wissenschaft voranzubringen, indem die demonstrierte Effizienz einer Verbindungsmehrfachhalbleitersolarzelle gezeigt wird. Obwohl solche Experimente und Veröffentlichungen von „akademischem” Interesse sind, ist von der praktischen Perspektive der Anmelder bei der Konstruktion einer Verbundmehrfachhalbleitersolarzelle, die in Massen zu vernünftigen Kosten hergestellt werden soll, und die Herstellungstoleranzen und Variationen unterworfen ist, die den Herstellungsschritten innewohnen, eine solche „optimale” Konstruktion von einer akademischen Perspektive aus nicht notwendigerweise in der Praxis die wünschenswerteste Konstruktion und die Lehren solcher Studien zeigen eher in die falsche Richtung und führen weg von der richtigen Auslegungsrichtung. Anders gesagt, solche Schriften können tatsächlich von den Forschungsbemühungen der Anmelder und der letztendlichen Solarzellenkonstruktion „weg” lehren, welche von dem Anmeldern vorgeschlagen wird.
Im Hinblick auf das Vorangegangene ist weiter offensichtlich, dass die Identifikation von einem speziellen Bestandteilselement (zum Beispiel Indium oder Aluminium) in einer speziellen Unterzelle, oder die Dicke, die Bandlücke, die Dotierung oder andere Charakteristiken des Einbringens eines Materials in eine spezielle Unterzelle nicht eine „ergebniseffektive Variable” ist, die der Fachmann einfach festlegen kann und inkrementell bis zu einem speziellen Niveau einstellen kann und dadurch die Effizienz einer Solarzelle steigern kann. Die Effizienz einer Solarzelle ist nicht eine einfache lineare algebraische Gleichung als eine Funktion der Menge von Gallium oder Aluminium oder einem anderen Element in einer speziellen Schicht. Der Wuchs bzw. die Züchtung von jeder der epitaxialen Schichten einer Solarzelle in einem MOCVD-Reaktor ist ein nicht im Gleichgewicht befindlicher thermodynamischer Prozess mit sich dynamisch ändernden räumlichen und zeitlichen Grenzbedingungen, die nicht einfach oder in vorhersehbarer Weise modelliert werden können. Die Formulierung und Lösung der relevanten simultanen Partialdifferenzialgleichungen, welche solche Prozesse abdecken, sind nicht innerhalb der Kenntnisse eines gewöhnlichen Fachmanns in der Technik des Gebietes der Solarzellenkonstruktion.
Auch wenn es bekannt ist, dass spezielle Variablen einen Einfluss auf elektrische, optische, chemische, thermische oder andere Eigenschaften haben, kann die Natur der Auswirkung oft nicht mit großer Genauigkeit vorhergesagt werden, insbesondere, wenn die Variablen in komplexer Weise zusammenwirken, was zu unerwarteten Ergebnissen und unbeabsichtigten Konsequenzen führt. Somit sind beträchtliche Versuche und Irrtümer, welche die Herstellung und evaluierenden Tests von vielen Prototypvorrichtungen über eine Zeitperiode von Monaten, wenn nicht Jahren, mit einschließen, erforderlich, um zu bestimmen, ob eine vorgeschlagene Struktur mit Schichten von speziellen Zusammensetzungen tatsächlich so arbeiten wird, wie vorgesehen, abgesehen davon, ob sie überhaupt in reproduzierbarer Weise in Massen innerhalb der Herstellungstoleranzen und der Variationen hergestellt werden können, die dem Herstellungsprozess innewohnen, und die für die Konstruktion einer kommerziell machbaren Vorrichtung notwendig sind.
Weiterhin kann in Fällen, wo mehrere Variable in unvorhersagbarer Weise zusammenwirken, die geeignete Auswahl der Kombination von Variablen neue und unerwartete Ergebnisse erzeugen und einen „erfinderischen Schritt” bilden.
Die Wuchsvorgänge für die hier beschriebenen Solarzellen können beispielsweise einen MOCVD-Prozess in einem üblichen, kommerziell verfügbaren Reaktor verwenden, der für eine Massenproduktion geeignet ist. Die Prozesse können insbesondere zur Herstellung von kommerziell verfügbaren Mehrfachsolarzellen oder invertierten metamorphischen Mehrfachsolarzellen unter Verwendung von kommerziell verfügbaren Ausrüstungsgegenständen geeignet sein und in Massenfabrikationsprozessen ausgebildet werden, und zwar im Gegensatz zu rein akademischen Darstellungen von Labor- oder Experimentresultaten.
Schichten mit einer gewissen Soll- bzw. Zielzusammensetzung in einer Halbleiterstruktur, die in einem MOCVD-Prozess gezüchtet werden, sind inhärent physisch anders als die Schichten einer identischen Soll-Zusammensetzung, die durch einen anderen Prozess gezüchtet wurde, beispielsweise MBE (MBE = Molecular Beam Epitaxy). Die Materialqualität (das heißt die Morphologie, Stöchiometrie, Anzahl und Lage von Gitterfallen, Verunreinigungen und andere Gitterdefekte) einer epitaxialen Schicht in einer Halbleiterstruktur ist abhängig von dem Prozess unterschiedlich, der zum Züchten der Schicht verwendet wurde, genauso wie abhängig von den Prozessparametern, die mit dem Wuchs assoziiert sind. MOCVD ist inhärent ein chemischer Reaktionsprozess, während MBE ein physikalischer Abscheidungsprozess ist. Die bei dem MOCVD-Prozess verwendeten Chemikalien sind in dem MOCVD-Reaktor vorhanden und wirken mit den Wafern im Reaktor zusammen und beeinflussen die Zusammensetzung, Dotierung und andere physische, optische und elektrische Charakteristiken des Materials. Beispielsweise sind die Präkursorgase, die in einem MOCVD-Reaktor verwendet werden (beispielsweise Wasserstoff) in dem daraus resultierenden bearbeiteten Wafer-Material eingeschlossen und haben gewisse identifizierbare elektrooptische Konsequenzen, die bei bestimmten spezifischen Anwendungen der Halbleiterstruktur vorteilhafter sind, wie beispielsweise bei der fotoelektrischen Umwandlung in Strukturen, die als Solarzellen ausgelegt sind. Solche Effekte hoher Ordnung der Verarbeitungstechnologie haben relativ kleine, jedoch tatsächlich beobachtbare Unterschiede in der Materialqualität zur Folge, die aufwächst oder abgeschieden wird, und zwar gemäß einer Prozesstechnik im Vergleich zu einer anderen. Somit haben Vorrichtungen, die zumindest teilweise unter Verwendung eines MOCVD-Reaktors oder unter Verwendung eines MOCVD-Prozesses hergestellt wurden, inhärent unterschiedliche physikalische Materialeigenschaften, die einen vorteilhaften Effekt gegenüber identischem Ziel- bzw. Soll-Material haben, welches unter Verwendung von alternativen Prozessen abgeschieden wurde.
In einigen Fällen kann die Solarzelle gemäß der vorliegenden Anmeldung und der vorliegenden Offenbarung verbesserte Fotoumwandlungseffizienz in einer Mehrfachsolarzelle für Weltraumanwendungen oder andere Anwendungen gegenüber der Betriebslebensdauer des photovoltaischen Leistungssystems bieten.
Eine invertierte metamorphische InGaP₂/GaAs/IN_0,30Ga_0,70As/In_0,60Ga_0,40As-Vierfachzelle (mit jeweiligen Bandlücken 1,91 eV/1,42 eV/1,03 eV/0,70 eV) mit 33% Effizienz kann 10% (relativ) effizienter zu Beginn der Lebensdauer (BOL = Beginning of Life) sein als herkömmliche ZTJ-Dreifachvorrichtungen, und sie kann 40% weniger Masse haben, wenn sie permanent auf ein 150 μm dickes starres Substrat mit geringer Masse geklebt bzw. gebondet wird. Weiterhin kann eine invertierte metamorphische Technologie die Auswahl der Materialien erweitern, die zusammen integriert werden können, indem eine gleichzeitige Realisierung von qualitativ hochwertigen Materialien möglich gemacht wird, die sowohl bezüglich des Gitters mit dem Substrat (InGaP und GaAs, zuerst aufgewachsen) übereinstimmen und bezüglich des Gitters nicht übereinstimmen (In_0,30Ga_0,70As und In_0,60Ga_0,40As). Der Vorteil des metamorphischen Ansatzes kann sein, dass ein großer Bereich von Infrarotbandlücken über InGaAs-Unterzellen erreicht werden kann, die auf optisch transparenten stufengradierten bzw. abgestuften Pufferschichten gezüchtet wurden. Weiterhin können metamorphische Materialien nahezu perfekte Quantum-Wirkungsgrade bieten, vorzugsweise niedrige E_g/q-V_OC-Versetzungen und hohe Wirkungsgrade. Wie es oft der Fall sein wird, können jedoch Effizienzgewinne selten ohne zusätzliche Kosten verwirklicht werden. Beispielsweise kann eine invertierte metamorphische Vierfachzelle (oder „4J-Multijunctionzelle”; 4J = quadruple junction) teurer sein als eine ZTJ-Zelle, und zwar aufgrund dickerer Epitaxie und komplizierterer Bearbeitung. Weiterhin kann eine invertierte epitaxiale Folie von dem Wachstumssubstrat entfernt werden und temporär oder permanent an ein starres Substrat mit der rechten Seite nach oben verbunden werden, um die Bearbeitung der Vorderseite zu vollenden. Weiterhin kann das Ergebnis eine All-Top-Contact-Zelle bzw. Zelle mit oben liegenden Kontakten sein, die im Großen und Ganzen von einer traditionellen ZTJ-Solarzelle nicht zu unterscheiden ist. Doch obwohl die invertierte metamorphische Vierfach-Multijunction-Zelle bzw. Vierfachzelle ein Ersatz mit höherer Effizienz und geringerem Masseneinfall für die ZTJ-Zelle ist, können die höheren spezifischen Kosten pro Watt [$/Watt] Kunden davon abhalten, neue oder sich verändernde Zellentechnologie einzusetzen.
Die invertierte metamorphische AlInGaP/AlGaAs/GaAs/InGaAs-Vierfachsolarzelle (mit jeweiligen Bandlücken 2,1 eV/1,73 eV/1,42 eV/1,10 eV) oder die AlInGaP/AlGaAs/GaAs/InGaAs/InGaAs-Fünffachsolarzelle (mit jeweiligen Bandlücken 2,1 eV/1,73 eV/1,42 eV/1,10 eV) gemäß der vorliegenden Offenbarung ist keine Konstruktion, die mit der üblichen Kenntnis übereinstimmt, dass in einer optimierten Multijunction- bzw. Mehrfachzelle eine ausgeglichene Fotostromerzeugung bei allen Unterzellen vorliegen sollte und das gesamte Solarspektrum einschließlich des Infrarotspektrums von 1200 nm–2000 nm verwendet werden sollte.
In dieser Offenbarung kann zuerst ein stromangepasster Dreifachstapel mit hoher Bandlücke gezüchtet werden, und zwar gefolgt durch eine bezüglich des Gitters nicht zusammenpassende InGaAs-Unterzelle mit 1,10 eV, welche in einem Ausführungsbeispiel die „untere” Unterzelle bildet. Die invertierte InGaAs-Unterzelle wird darauf folgend von dem Wuchs- bzw. Zuchtsubstrat entfernt und mit einem starren Träger verbunden, sodass die Vierfachsolarzelle dann als eine normale Solarzelle bearbeitet werden kann.
Obwohl die Effizienz zum Beginn der Lebensdauer (BOL = beginning of life) niedriger sein kann als jene der traditionellen invertierten metamorphischen Vierfachsolarzelle, kann die vorgeschlagene Struktur, wenn ein $/W-Wert für Hochtemperatur-Lebensdauerende (im Folgenden „HT-EOL” bezeichnet; HT-EOL = high temperature end of life) als Auslegungsmaß verwendet wird, eine Steigerung von 10% bei der HT-EOL-Leistung und eine beträchtliche Verringerung bei HT-EOL $/W vorsehen.
Die vorgeschlagene Technologie weicht vom Stand der Technik ab (beispielsweise vom US-Patent Nummer 8,969,712 B2 ) und zwar dahingehend, dass eine Vierfachvorrichtung so aufgebaut ist, wie sie in der Stammanmeldung beschrieben wird, und zwar unter Verwendung von drei bezüglich des Gitters zusammen passenden Unterzellen und einer bezüglich des Gitters nicht angepassten Unterzelle, und drei bezüglich des Gitters angepassten Unterzellen und zwei bezüglich des Gitters nicht angepassten Unterzellen. Frühere invertierte metamorphische Vierfachsolarzellenvorrichtungen wurden unter Verwendung von zwei bezüglich des Gitters angepassten Unterzellen und zwei bezüglich des Gitters nicht angepassten Unterzellen aufgebaut. Als eine Folge können die Kosten der Epitaxie der vorgeschlagenen Architektur weniger teuer sein, da die Zelle beispielsweise eine dünnere obere Zelle verwenden kann, was die Verwendung von In und P verringert, wobei dies die Anzahl der abgestuften Pufferschichten von zwei auf eins verringern kann und die Notwendigkeit einer unteren Zelle mit hohem In-Gehalt eliminieren kann, was aufgrund der Menge des erforderlichen In teuer sein kann.
Das grundlegende Konzept der Herstellung einer invertierten metamorphischen Mehrfachsolarzelle (IMM-Solarzelle; IMM = inverted metamorphic multijunction) ist es, die Unterzellen der Solarzelle auf einem Substrat in einer „umgekehrten” Reihenfolge wachsen zu lassen. D. h. die Unterzellen mit hoher Bandlücke (das heißt die Unterzellen mit Bandlücken im Bereich von 1,9 bis 2,3 eV), die normalerweise die „oberen” Unterzellen wären, welche zur Solarstrahlung weisen, werden epitaxial auf dem Halbleiterwachstumssubstrat gezüchtet, wie beispielsweise GaAs oder Ge, und solche Unterzellen sind daher bezüglich des Gitters an ein solches Substrat angepasst. Eine oder mehrere mittlere Unterzellen mit geringerer Bandlücke (d. h. mit Bandlücken im Bereich von 1,3 bis 1,9 eV) können dann auf den Unterzellen mit großer Bandlücke gezüchtet werden.
Zumindest eine untere Unterzelle wird über der mittleren Unterzelle geformt, sodass die mindestens eine untere Unterzelle im Wesentlichen bezüglich des Gitters zum Wachstumssubstrat nicht passt, so dass die mindestens eine untere Unterzelle eine dritte geringere Bandlücke hat (beispielsweise eine Bandlücke im Bereich von 0,8 bis 1,2 eV). Ein Surrogatsubstrat oder eine Tragstruktur wird dann über der „unteren” oder im Wesentlichen nicht zum Gitter passenden unteren Unterzelle angebracht oder vorgesehen, und das Wuchshalbleitersubstrat wird darauf folgend entfernt (das Wachstumssubstrat kann dann nachfolgend wieder für das Aufwachsen bzw. Züchten einer zweiten Solarzelle und folgenden Solarzellen verwendet werden).
Die vorliegende Offenbarung ist auf die Herstellung einer invertierten metamorphischen Vierfach-, Fünffach- oder Sechsfachsolarzelle unter Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen metamorphischen Schichten gerichtet, wobei alle auf einem einzigen Wachstumssubstrat gezüchtet sind.
Bei der vorliegenden Offenbarung weist die daraus resultierende Konstruktion in einem Ausführungsbeispiel fünf Unterzellen mit Bandlücken im Bereich von 1,92 bis 2,2 eV (beispielsweise 2,10 eV) bzw. 1,65 bis 1,78 eV (beispielsweise 1,73 eV), bzw. 1,42 bis 1,50 eV (beispielsweise 1,42 eV) bzw. 1,05 bis 1,15 eV (beispielsweise 1,10 eV) bzw. 0,8 bis 0,9 eV auf.
Die Gitterkonstanten und die elektrischen Eigenschaften der Schichten in der Halbleiterstruktur werden vorzugsweise gesteuert, indem geeignete Reaktorwachstumstemperaturen und -zeiten festgelegt werden, und durch Verwendung einer geeigneten chemischen Zusammensetzung und geeigneter Dotierungsmittel. Die Verwendung eines Dampfabscheidungsverfahrens, wie beispielsweise OMVPE (Organo Metallic Vapor Phase Epitaxy), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE (Molecular Beam Epitaxy) oder anderer Dampfabscheidungsverfahren zur umgekehrten Züchtung können es ermöglichen, dass die Schichten in der monolithischen Halbleiterstruktur die Zelle formen, die mit der erforderlichen Dicke, Elementenzusammensetzung, Dotierungskonzentration und Dotierungsabstufung und Leitfähigkeitsart wachsen soll.
1 bildet die Mehrfachsolarzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung ab, nachdem sequenziell die fünf Unterzellen A, B, C, D und E auf einem GaAs-Wachstumssubstrat geformt wurden. Insbesondere ist ein Wachstumssubstrat 101 gezeigt, welches vorzugsweise Galliumarsenid (GaAs) ist, jedoch auch Germanium (Ge) oder ein anderes geeignetes Material sein kann. Für GaAs ist das Substrat vorzugsweise ein 15°-”Off-Cut”-Substrat, d. h. seine Oberfläche ist 15° weg von der (100)-Ebene zu der (111)A-Ebene hin orientiert, wie genauer in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0229662 A1 (Stan und andere) beschrieben.
Im Falle eines Ge-Substrates wird eine (nicht gezeigte) Keimbildungsschicht direkt auf dem Substrat 101 abgeschieden. Auf dem Substrat oder über der Keimbildungsschicht (im Fall eines Ge-Substrates) sind weiter eine Pufferschicht 102 und eine Ätzstoppschicht 103 abgelagert bzw. abgeschieden. Im Falle eines GaAs-Substrates ist die Pufferschicht 102 vorzugsweise GaAs. Im Fall des Ge-Substrates ist die Pufferschicht 102 vorzugsweise InGaAs. Eine Kontaktschicht 104 aus GaAs wird dann auf der Schicht 103 abgeschieden, und eine Fensterschicht 105 aus AlInP wird auf der Kontaktschicht abgeschieden. Die Unterzelle A, die aus einer n+-Emitterschicht 106 und einer p-Basisschicht 107 besteht, wird dann epitaxial auf der Fensterschicht 105 abgeschieden. Die Unterzelle A ist im Allgemeinen bezüglich des Gitters an das Wachstumssubstrat 101 angepasst.
Es sei bemerkt, dass die Multijunction- bzw. Mehrfachsolarzellenstruktur durch irgendeine geeignete Kombination von Elementen der Gruppe III bis V geformt werden könnte, die in der Periodentabelle aufgelistet sind, welche Anforderungen bezüglich der Gitterkonstante und der Bandlücke unterworfen sind, wobei die Gruppe III Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Thallium (T) aufweist. Die Gruppe IV weist Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Germanium (Ge) und Zinn (Sn) auf. Die Gruppe V weist Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) und Wismut (Bi) auf.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Emitterschicht 106 aus InGa(Al)P₂ zusammengesetzt, und die Basisschicht 107 ist aus InGa(Al)P₂ zusammengesetzt. Der Aluminium- oder Al-Ausdruck in Klammern in der vorangegangenen Formel bedeutet, dass Al ein optionaler Bestandteil ist, und dies in diesem Fall in einer Menge im Bereich von 0% bis 40% verwendet werden kann.
Die Unterzelle A wird schließlich die „obere” Unterzelle der invertierten metamorphischen Struktur nach Vollendung der Verarbeitungsschritte gemäß der vorliegenden Offenbarung, die später beschrieben werden.
Oben auf der Basisschicht 107 wird eine BSF-Schicht 108 (BSF = back surface field; hintere Oberflächenfeldschicht) vorzugsweise aus p+AlGaInP abgeschieden und wird verwendet, um den Rekombinationsverlust zu verringern.
Die BSF-Schicht 108 treibt Minoritätsträger aus der Zone nahe der Basis/BSF-Schnittstellenfläche, um den Effekt des Rekombinationsverlustes zu minimieren. Anders gesagt verringert eine BSF-Schicht 108 den Rekombinationsverlust auf der Rückseite der Solarunterzelle A und verringert dadurch die Rekombination in der Basis.
Oben auf der BSF-Schicht 108 ist eine Abfolge von stark dotierten p- und n-Schichten 109a und 109b, die eine Tunneldiode bildet, das heißt, ein Ohmsches Schaltungselement, welches die Unterzelle A mit der Unterzelle B verbindet. Die Schicht 109a besteht vorzugsweise aus p++AlGaAs, und die Schicht 109b ist vorzugsweise aus n++InGaP aufgebaut.
Eine Fensterschicht 110 wird oben auf den Tunneldiodenschichten 109a/109b abgeschieden und ist vorzugsweise n+InGaP. Der Vorteil der Verwendung von InGaP als Materialbestandteil der Fensterschicht 110 ist, dass sie einen Brechungsindex hat, der eng zu der benachbarten Emitterschicht 111 passt, wie genauer in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0272430 A1 (Cornfeld und andere) beschrieben. Die Fensterschicht 110, die in der Unterzelle B verwendet wird, wirkt auch dahingehend, dass sie den Schnittstellenrekombinationsverlust verringert. Es sollte dem Fachmann klar sein, dass bei der Zellenstruktur eine zusätzliche Schicht (zusätzliche Schichten) hinzugefügt oder weggelassen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Oben auf der Fensterschicht 110 werden die Schichten der Unterzelle B abgeschieden: die n-Typ-Emitterschicht 111 und die p-Typ-Basisschicht 112. Diese Schichten sind vorzugsweise aus InGaP und AlInGaAs zusammengesetzt (für ein Ge-Substrat oder eine Wuchs- bzw. Zuchtvorlage) oder InGaP bzw. AlGaAs (für ein GaAs-Substrat), obwohl irgendwelche anderen geeigneten Materialien in Übereinstimmung mit den Anforderungen bezüglich Gitterkonstante und Bandlücke ebenfalls verwendet werden können. Somit kann die Unterzelle B aus einer GaAs-, InGaP-, AlGaInAs-, AlGaAsSb-, GaInAsP- oder AlGaInAsP-Emitterregion und einer GaAs-, InGaP-, AlGaInAs-, AlGaAsSb-, GaInAsP- oder AlGaInAsP-Basisregion zusammengesetzt sein.
In den zuvor besprochenen Ausführungen einer invertierten metamorphischen Solarzelle war die zweite Unterzelle oder Subzelle B eine homogene Struktur. Bei der vorliegenden Offenbarung wird die zweite Unterzelle oder Unterzelle B, ähnlich wie bei der Struktur, die in der US-Patent Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0078310 A1 (Stan und andere) offenbart wird, eine Heterostruktur mit einem InGaP-Emitter, und ihr Fenster wird von InAlP zu AlInGaP umgewandelt. Diese Modifikation verringert die Brechungsindexdiskontinuität an der Fenster/Emitter-Schnittstelle der zweiten Unterzelle, wie genauer in der US-Patent Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0272430 A1 (Cornfeld und andere) beschrieben. Darüber hinaus ist die Fensterschicht 110 vorzugsweise dreimal so stark dotiert wie der Emitter 111, um das Fermi-Niveau nach oben näher an das Leitungsband zu bewegen und daher eine Bandbiegung an der Fenster/Emitter-Schnittstelle zu erzeugen, was die Minoritätsträger auf die Emitterschicht einschränkt.
Oben auf der Zelle B ist eine BSF-Schicht 113 abgeschieden, die die gleiche Funktion ausführt wie die BSF-Schicht 109. Die p++/n++-Tunneldiodenschichten 114a bzw. 114b sind über der BSF-Schicht 113 abgeschieden, ähnlich wie die Schichten 109a und 109b, was ein Ohmsches Schaltungselement zur Verbindung der Unterzelle B mit der Unterzelle C bildet. Die Schicht 114a ist vorzugsweise aus p++ AlGaAS zusammengesetzt und die Schicht 114b ist vorzugsweise aus n++ InGaP zusammengesetzt.
Eine Fensterschicht 118, die vorzugsweise aus GaInP des n+-Typs zusammengesetzt ist, wird dann über der Tunneldiodenschicht 114 abgeschieden. Diese Fensterschicht arbeitet dahingehend, dass sie den Rekombinationsverlust in der Unterzelle „C” verringert. Es sollte dem Fachmann klar sein, dass zusätzliche Schichten in der Zellenstruktur hinzugefügt werden oder aus dieser weggelassen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Oben auf der Fensterschicht 118, werden die Schichten der Zelle C abgeschieden: die n+-Emitterschicht 119 und die Basisschicht 120 des p-Typs. Diese Schichten sind vorzugsweise aus GaAs des n+-Typs bzw. GaAs des n+-Typs oder InGaP des n+-Typs und GaAs des p-Typs für eine Heterojunction- bzw. Heteroverbindungsunterzelle zusammengesetzt, obwohl andere geeignete Materialien in Übereinstimmung mit den Anforderungen bezüglich der Gitterkonstante und der Bandlücke genauso verwendet werden können.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Unterzelle C(In)GaAs mit einer Bandlücke zwischen 1,40 eV und 1,42 eV sein. In dieser Weise aufgewachsen, hat die Zelle die gleiche Gitterkonstante wie GaAs, hat jedoch einen niedrigen Prozentsatz an Indium, d. h. 0% < In < 1%, um geringfügig die Bandlücke der Unterzelle zu verringern, ohne zu bewirken, dass sie sich entspannt und Dislokationen bzw. Versetzungen erzeugt. In diesem Fall bleibt die Unterzelle bezüglich des Gitters passend, wenn auch gedehnt, und hat eine niedrigere Bandlücke als GaAs. Dies hilft dabei, den Kurzschlussstrom der Unterzelle geringfügig zu verbessern und die Effizienz der gesamten Solarzelle zu verbessern.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die dritte Unterzelle oder Unterzelle C Quantentöpfe oder Quantenpunkte haben, die in effektiver Weise die Bandlücke der Unterzelle auf ungefähr 1,3 eV verringern. Alle anderen Bandlückenbereiche der oben beschriebenen Unterzellen bleiben die gleichen. In einem solchen Ausführungsbeispiel ist die dritte Unterzelle bezüglich des Gitters immer noch an das GaAs-Substrat angepasst. Quantentöpfe sind typischerweise „dehnungsausgeglichen”, indem sie InGaAs mit niedrigerer Bandlücke oder größerer Gitterkonstante (beispielsweise mit einer Bandlücke von ~1,3 eV) und GaAsP mit höherer Bandlücke oder kleinerer Gitterkonstante aufweisen. Die größeren/kleineren Atomgitter/Schichten der Epitaxie gleichen die Dehnung aus und halten das Materialgitter in Übereinstimmung.
Eine BSF-Schicht 121, vorzugsweise aus InGaAlAs zusammengesetzt, wird dann auf der Zelle C abgeschieden, wobei die BSF-Schicht die gleiche Funktion ausführt wie die BSF-Schichten 108 und 113.
Die p++/n++-Tunneldiodenschichten 122a bzw. 122b sind über der BSF-Schicht 121 abgeschieden, ähnlich den Schichten 114a und 114b, wodurch ein Ohmsches Schaltungselement geformt wird, um die Unterzelle C mit der Unterzelle D zu verbinden. Die Schicht 122a ist vorzugsweise aus p++-GaAs zusammengesetzt, und die Schicht 122b ist vorzugsweise aus n++-GaAs zusammengesetzt.
Eine Alphaschicht 123, die vorzugsweise aus GaInP des n-Typs zusammengesetzt ist, wird über der Tunneldiode 122a/122b auf eine Dicke von 0,25 bis 1,0 μm abgeschieden. Eine solche Alphaschicht soll verhindern, dass Schraubenversetzungen fortschreiten, und zwar entweder entgegengesetzt zu der Wuchsrichtung in die oberen und mittleren Unterzellen A, B und C, oder in Wuchsrichtung in die Unterzelle D, und dies wird genauer beschrieben in der US-Patent Anmeldung mit Veröffentlichungsnummer 2009/0078309 A1 (Cornfeld und andere).
Eine metamorphische Schicht (oder abgestufte Zwischenschicht) 124 wird über der Alphaschicht 123 unter Verwendung eines Benetzungsmittels abgeschieden. Die Schicht 124 ist vorzugsweise eine bezüglich der Zusammensetzung abgestufte Reihe von InGaAlAs-Schichten, vorzugsweise mit sich monoton verändernder Gitterkonstante, um einen allmählichen Übergang der Gitterkonstante in der Halbleiterstruktur von der Unterzelle C zur Unterzelle D zu erreichen, während das Auftreten von Schraubenversetzungen minimiert wird. Die Bandlücke der Schicht 124 ist konstant über ihre Dicke, vorzugsweise ungefähr gleich 1,5 bis 1,6 eV, oder ist in anderer Weise in Übereinstimmung mit einem Wert, der geringfügig größer als die Bandlücke der mittleren Unterzelle C ist. Ein Ausführungsbeispiel der abgestuften Zwischenschicht kann auch so dargestellt werden, dass diese aus (In_xG_1-x)_yAl_1-yAs zusammengesetzt ist, wobei gilt 0 < x < 1, 0 < y < 1 und wobei x und y so ausgebildet sind, dass die Bandlücke der Zwischenschicht konstant bei ungefähr 1,5 bis 1,6 eV oder einer anderen geeigneten Bandlücke bleibt.
Bei der durch Benetzungsmittel unterstützten Züchtung der metamorphischen Schicht 124 wird ein geeignetes chemisches Element während der Züchtung der Schicht 124 in den Reaktor eingeführt, um die Oberflächencharakteristiken der Schicht zu verbessern. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein solches Element ein Dotierungsmittel oder Donor-Atom bzw. Donator, wie beispielsweise Selen (Se) oder Tellur (Te) sein. Kleine Mengen an Se oder Te werden daher in der metamorphischen Schicht 124 eingeschlossen und bleiben in der letztendlichen Solarzelle. Obwohl Se oder Te bevorzugte Dotierungsatome des n-Typs sind, können auch andere nicht isoelektronische Benetzungsmittel verwendet werden.
Eine durch Benetzungsmittel unterstützte Züchtung hat eine viel glattere oder geebnete Oberfläche zur Folge. Da die Oberflächentopographie die Masseneigenschaften des Halbleitermaterials beeinflusst, wenn es wächst, und die Schicht dicker wird, minimiert die Verwendung der Benetzungsmittel die Schraubenversetzungen in den aktiven Regionen und verbessert daher den Gesamtwirkungsgrad der Solarzelle.
Als eine Alternative zur Verwendung eines nicht isoelektronischen Benetzungsmittels kann man ein isoelektronisches Benetzungsmittel verwenden. Der Ausdruck „isoelektronisch” bezieht sich auf Benetzungsmittel, wie beispielsweise Antimon (Sb) oder Wismut (Bi), da diese Elemente die gleiche Anzahl von Valenzelektronen haben wie das P-Atom von InGaP oder das As-Atom in InGaAlAs in der metamorphischen Pufferschicht. Solche Sb- oder Bi-Benetzungsmittel werden typischerweise nicht in die metamorphische Schicht 124 eingeschlossen.
In der invertierten metamorphischen Struktur, die in der oben zitierten Schrift von Wanlass und anderen beschrieben wird, besteht die metamorphische Schicht aus neun bezüglich der Zusammensetzung abgestuften InGaP-Stufen, wobei jede Stufenschicht eine Dicke von 0,25 μm hat. Als eine Folge hat jede Schicht bei Wanlass und anderen eine unterschiedliche Bandlücke. In einem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung ist die Schicht 124 aus einer Vielzahl von Schichten aus InGaAlAs zusammengesetzt, und zwar mit monoton veränderlicher Gitterkonstante, wobei jede Schicht die gleiche Bandlücke ungefähr im Bereich von 1,5 bis 1,6 eV hat.
Der Vorteil der Verwendung eines Materials mit konstanter Bandlücke, wie beispielsweise InGaAlAs, ist, dass ein arsenidbasiertes Halbleitermaterial viel einfacher in üblichen kommerziellen MOCVD-Reaktoren verarbeitet wird, während die kleine Menge an Aluminium eine Strahlungstransparenz der metamorphischen Schichten sicherstellt.
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung eine Vielzahl von Schichten aus InGaAlAs für die metamorphische Schicht 124 verwendet, und zwar aus Gründen der Herstellbarkeit und der Strahlungstransparenz, können andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung andere Materialsysteme verwenden, um eine Veränderung der Gitterkonstante von der Unterzelle C zur Unterzelle D zu erreichen. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können kontinuierlich übergehende Materialien im Vergleich zu stufenweise übergehenden Materialien verwenden. Genauer gesagt, kann die abgestufte Zwischenschicht aus irgendeinem der As-, P-, N-, Sb-basierten III-V-Verbindungshalbleitern zusammengesetzt sein, die den Einschränkungen unterworfen sind, dass sie in der Ebene einen Gitterparameter von größer oder gleich jenem der zweiten Solarzelle und kleiner oder gleich jenem der dritten Solarzelle haben, und die eine Bandlückenenergie von mehr als der zweiten Solarzelle haben.
Eine Alphaschicht 125, die vorzugsweise aus AlGaInAsP des n+-Typs zusammengesetzt ist, ist über der metamorphischen Pufferschicht 124 auf eine Dicke von 0,25 bis 1,0 μm abgeschieden. Eine solche Alphaschicht soll verhindern, dass Schraubenversetzungen fortschreiten, entweder entgegen der Wuchsrichtung in die oberen und mittleren Unterzellen A, B und C, oder in Wuchsrichtung in die Unterzelle D, und dies wird genauer in der US-Patent Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009/0078309 A1 (Cornfeld und andere) beschrieben.
Eine Fensterschicht 126, die vorzugsweise aus InGaAlAs des n+-Typs zusammengesetzt ist, wird dann über der Alphaschicht 125 abgeschieden. Diese Fensterschicht wirkt dahingehend, dass sie den Rekombinierungsverlust in der vierten Unterzelle „D” verringert. Es sollte dem Fachmann klar sein, dass zusätzliche Schichten in der Zellenstruktur hinzugefügt werden können oder aus dieser weggelassen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Oben auf der Fensterschicht 126 werden die Schichten der Zelle D abgeschieden: die n+-Emitterschicht 127 und die Basisschicht 128 des p-Typs. Diese Schichten sind für eine Heterojunction- bzw. Heteroverbindungsunterzelle vorzugsweise aus InGaAs des n+-Typs bzw. aus InGaAs des p-Typs oder aus InGaP des n+-Typs und InGaAs des p-Typs zusammengesetzt, obwohl andere geeignete Materialien in Übereinstimmung mit den Anforderungen bezüglich Gitterkonstante und Bandlücke ebenfalls verwendet werden können.
Eine BSF-Schicht 129, die vorzugsweise aus InGaAlAs des p+-Typs besteht, wird dann oben auf der Zelle D abgeschieden, wobei die BSF-Schicht die gleiche Funktion ausführt wie die BSF-Schichten 108, 113 und 121.
Die p++/n++-Tunneldiodenschichten 130a bzw. 130b werden über der BSF-Schicht 129 abgeschieden, ähnlich wie die Schichten 122a/122b und 109a/109b, wobei ein Ohmsches Schaltungselement zur Verbindung der Unterzelle D mit der Unterzelle E geformt wird. Die Schicht 130a ist vorzugsweise aus p++-AlGaInAs zusammengesetzt, und die Schicht 130b ist vorzugsweise aus n++-GaInP zusammengesetzt.
In einigen Ausführungsbeispielen ist eine Alphaschicht 131, die vorzugsweise aus GaInP des n-Typs zusammengesetzt ist, über der Tunneldiode 130a/130b auf eine Dicke im Bereich von 0,25 bis 1,0 Mikrometern abgeschieden, und in einem Ausführungsbeispiel auf ungefähr 0,5 Mikrometer. Eine solche Alphaschicht soll verhindern, dass Schraubenversetzungen fortschreiten, und zwar entweder entgegengesetzt zur Wuchsrichtung in die mittleren Unterzellen C und D oder in Wuchsrichtung in die Unterzelle E, und dies wird genauer in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 11/860183 beschrieben, die am 24. September 2007 eingereicht wurde.
Eine zweite metamorphische Schicht (oder abgestufte Zwischenschicht) 132 ist über der Barrierenschicht 131 abgeschieden. Die Schicht 132 ist vorzugsweise eine bezüglich der Zusammensetzung stufenweise veränderte Reihe von AlGaInAs-Schichten, vorzugsweise mit sich monoton verändernder Gitterkonstante, um einen allmählichen Übergang der Gitterkonstante in der Halbleiterstruktur von der Unterzelle D zur Unterzelle E zu erreichen, während das Auftreten von Schraubenversetzungen minimiert wird. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Bandlücke der Schicht 132 über ihre Dicke konstant, vorzugsweise ungefähr gleich [1,1 eV] oder sie ist anderenfalls in Übereinstimmung mit einem Wert, der geringfügig größer ist als die Bandlücke der mittleren Unterzelle D. Man kann auch sagen, dass ein Ausführungsbeispiel der abgestuften Zwischenschicht aus (In_xGa_1-x)_yAl_1-yAs zusammengesetzt ist, wobei gilt 0 < x < 1, 0 < y < 1 und wobei x und y so ausgewählt sind, dass die Bandlücke der Zwischenschicht konstant bei ungefähr [1,1 eV] oder einer anderen geeigneten Bandlücke bleibt.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann eine optionale zweite Barrierenschicht 133 mit einer Dicke im Bereich von 0,25 bis 1,0 μm über der metamorphischen AlGaInAs-Schicht 132 abgeschieden sein. Die zweite Barrierenschicht 133 führt im Wesentlichen die gleiche Funktion aus wie die erste Barrierenschicht 131, nämlich das Verhindern des Fortschreitens von Schraubenversetzungen. In einem Ausführungsbeispiel hat die Barrierenschicht 133 nicht die gleiche Zusammensetzung wie jene der Barrierenschicht 131, das heißt GaInP des n+-Typs.
Eine Fensterschicht 134, die vorzugsweise aus GaInP des n+Typs zusammengesetzt ist, wird dann über der Barrierenschicht 133 abgeschieden. Diese Fensterschicht arbeitet dahingehend, dass sie den Rekombinationsverlust in der fünften Unterzelle „E” reduziert. Es sollte dem Fachmann klar sein, dass in der Zellenstruktur zusätzliche Schichten hinzugefügt werden können oder aus dieser weggelassen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Oben auf der Fensterschicht 134, werden die Schichten der Zelle E abgeschieden: die n+-Emitterschicht 135 und die Basisschicht 136 des p-Typs. Diese Schichten sind vorzugsweise aus GaInAs des n+-Typs bzw. GaInAs des p-Typs zusammengesetzt, obwohl andere geeignete Materialien in Übereinstimmung mit den Anforderungen bezüglich der Gitterkonstante und der Bandlücke ebenfalls verwendet werden können.
Eine BSF-Schicht 137, die vorzugsweise aus AlGaInAs des p+-Typs zusammengesetzt ist, wird dann oben auf der Zelle E abgeschieden, wobei die BSF-Schicht die gleiche Funktion ausführt wie die BSF-Schichten 108, 113, 121 und 129.
Schließlich wird eine Kontaktschicht 138 mit großer Bandlücke, vorzugsweise aus AlGaInAs des p++-Typs zusammengesetzt, auf der BSF-Schicht 137 abgeschieden.
Die Zusammensetzung dieser Kontaktschicht 138, die an der untersten (nicht beleuchteten) Seite der photovoltaischen Zelle mit der geringsten Bandlücke (das heißt, an der Unterzelle „E” im abgebildeten Ausführungsbeispiel) in einer photovoltaischen Mehrfachzelle angeordnet ist, kann so formuliert bzw. zusammengestellt werden, dass die Absorption des Lichtes verringert wird, welches durch die Zelle läuft, so dass (i) die dahinter liegende Ohmsche metallische Kontaktschicht darunter (auf der nicht beleuchteten Seite) auch als Spiegelschicht wirkt, und (ii) die Kontaktschicht nicht selektiv abgeätzt werden muss, um eine Absorption zu verhindern.
Es sollte dem Fachmann klar sein, dass eine zusätzliche Schicht (zusätzliche Schichten), wie beispielsweise eine sechste Unterzelle „F” in der Zellenstruktur hinzugefügt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Eine Metallkontaktschicht 139 wird über der p-Halbleiterkontaktschicht 138 abgeschieden. Das Metall ist in einigen Ausführungsbeispielen die Abfolge von Metallschichten Ti/Au/Ag/Au.
Das ausgewählte Kontaktschema ist eines, welches eine ebene Schnittstelle mit dem Halbleiter hat, und zwar nach einer Wärmebehandlung, um den Ohmschen Kontakt zu aktivieren. Dies wird so ausgeführt, dass (1) eine dielektrische Schicht, welche das Metall von dem Halbleiter trennt, nicht entfernt und selektiv in den Metallkontaktbereichen geätzt werden muss; und (2) die Kontaktschicht in dem Wellenlängenbereich von Interesse spiegelreflektierend ist.
Optional kann eine adhäsive Schicht bzw. Klebeschicht (beispielsweise Wafer-Bond, hergestellt von Brewer Science, Inc., Rolla, MO) über der Metallschicht 131 angeordnet werden, und ein Surrogatsubstrat kann angebracht werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Surrogatsubstrat Saphir sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Surrogatsubstrat Glas, GaAs, Ge oder Si oder ein anderes geeignetes Material sein. Das Surrogatsubstrat kann ungefähr 40 mil dick sein und kann mit Löchern von ungefähr 1 mm Durchmesser perforiert sein, die 4 mm beanstandet sind, um bei dem darauf folgenden Entfernen des Klebemittels und des Substrates zu helfen. Als eine Alternative zur Verwendung einer adhäsiven Schicht bzw. Klebeschicht kann ein geeignetes Substrat (beispielsweise GaAs) eutektisch oder permanent mit der Metallschicht 131 verbunden sein.
Optional kann das Originalsubstrat durch eine Abfolge von Läpp- und/oder Ätzschritten entfernt werden, wobei das Substrat 101 und die Pufferschicht 102 entfernt werden. Die Auswahl des speziellen Ätzmittels ist abhängig vom Wachstumssubstrat.
Die 2A, 2B, 3A und 3B sind Querschnittsansichten von Ausführungsbeispielen von Solarzellen ähnlich jener in 1, wobei die Orientierung mit der Metallkontaktschicht 131 nach unten der Figur ist, und wobei das Originalsubstrat entfernt worden ist. Zusätzlich ist jede Ätzstoppschicht 103 entfernt worden, beispielsweise unter Verwendung einer HCl/H₂O-Lösung.
Es sollte dem Fachmann klar sein, dass eine zusätzliche Schicht (zusätzliche Schichten) bei der Zellenstruktur hinzugefügt oder aus dieser weggelassen werden kann (können), ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können eine oder mehrere DBR- bzw. Bragg-Reflektorschichten (DBR = distributed Bragg reflector) für verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung hinzugefügt werden.
Die 2A und 2B zeigen Querschnittsansichten von Ausführungsbeispielen einer Solarzelle, ähnlich der 1, die DBR- bzw. Bragg-Reflektorschichten 122c aufweisen.
2A ist eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Solarzelle, die ähnlich jener der 1 ist, welche die DBR- bzw. Bragg-Reflektorschichten 122c benachbart zu und zwischen der dritten Solarunterzelle C und der abgestuften Zwischenschicht 124 aufweist, die so angeordnet sind, dass Licht in die dritte Solarunterzelle C eintreten kann und durch diese hindurch laufen kann, und dass zumindest ein Teil davon zurück in die dritte Solarunterzelle C durch die DBR-Schichten 122c zurück reflektiert werden kann. In 2A sind die DBR-Schichten 122c speziell zwischen der dritten Solarunterzelle C und den Tunneldiodenschichten 122a/122b angeordnet.
2B ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Solarzelle, die ähnlich jener der 1 ist, welche die DBR-Schichten 122c benachbart zu und zwischen der dritten Solarunterzelle C und der abgestuften Zwischenschicht 124 aufweist, die so angeordnet sind, dass Licht in die dritte Solarunterzelle C eintreten kann und durch diese hindurchlaufen kann, und dass zumindest ein Teil davon zurück durch die DBR-Schichten 122c zurück in die dritte Solarunterzelle C reflektiert werden kann. In 2B sind die DBR-Schichten 122c speziell zwischen den Tunneldiodenschichten 122a/122b und der abgestuften Zwischenschicht 124 angeordnet.
Die 3A und 3B sind Querschnittsansichten von Ausführungsbeispielen einer Solarzelle ähnlich jener der 1, welche die DBR-Schichten 114 zusätzlich zu den Bragg-Reflektorschichten 122c aufweisen, die in den 2A und 2B beschrieben wurden.
3A ist eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Solarzelle ähnlich jener der 1, welche zusätzlich zu den DBR- bzw. Bragg-Reflektorschichten 122c, die in den 2A und 2B beschrieben wurden, die DBR-Schichten 114 benachbart zu und zwischen der zweiten Solarunterzelle B und der dritten Solarunterzelle C aufweist, die so angeordnet sind, dass Licht in die zweite Solarunterzelle B eintreten kann und durch diese hindurchlaufen kann, und dass zumindest ein Teil davon durch die DBR-Schichten 114 zurück in die zweite Solarunterzelle B reflektiert werden kann. In 3A sind die DBR-Schichten 114 speziell zwischen der zweiten Solarunterzelle und den Tunneldiodenschichten 114a/114b angeordnet, und die DBR-Schichten 122c sind speziell zwischen der dritten Solarunterzelle C und den Tunneldiodenschichten 122a/122b angeordnet.
3B ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Solarzelle ähnlich jener der 1, die zusätzlich zu den Bragg-Reflektorschichten 122c, die in den 2A und 2B beschrieben wurden, DBR- bzw. Bragg-Reflektorschichten 114 benachbart zu und zwischen der zweiten Solarunterzelle B und der dritten Solarunterzelle C aufweist, die so angeordnet sind, dass Licht in die zweite Solarunterzelle B eintreten kann und durch diese hindurchlaufen kann, und dass zumindest ein Teil davon durch die DBR-Schichten 114 zurück in die zweite Solarunterzelle B reflektiert werden kann. In 3B sind die DBR-Schichten 114 speziell zwischen der zweiten Solarunterzelle und den Tunneldiodenschichten 114a/114b angeordnet, und die DBR-Schichten 122c sind speziell zwischen den Tunneldiodenschichten 122a/122b und der abgestuften Zwischenschicht 124 angeordnet.
Einige Ausführungen sehen vor, dass zumindest die Basis von zumindest einer der ersten, zweiten oder dritten Solarunterzellen eine abgestufte Dotierung hat, d. h. das Dotierungsniveau variiert von einer Oberfläche zur anderen über die Dicke der Basisschicht. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Abstufung der Dotierung exponentiell. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Abstufung der Dotierung inkrementell und monoton.
In einigen Ausführungsbeispielen hat der Emitter von zumindest einer der ersten, zweiten oder dritten Solarunterzellen auch eine abgestufte Dotierung, d. h. das Niveau der Dotierung variiert von einer Oberfläche zu der anderen über die Dicke der Emitterschicht. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Abstufung der Dotierung linear oder monoton abnehmend.
Als ein spezielles Beispiel kann das Dotierungsprofil der Emitter- und Basisschichten in 4 veranschaulicht werden, welche das Ausmaß der Dotierung in der Emitterregion und der Basisregion einer Unterzelle abbildet. Dotierungsmittel des n-Typs weisen Silizium, Selen, Schwefel, Germanium oder Zinn auf. Dotierungsmittel des p-Typs weisen Silizium, Zink, Chrom oder Germanium auf.
In dem Beispiel der 4 haben bei einigen Ausführungsbeispielen eine oder mehrere der Unterzellen eine Basisregion mit einer Abstufung bei der Dotierung, welche von einem Wert im Bereich von 1 × 10¹⁵ bis 1 × 10¹⁸ freien Trägern pro Kubikzentimeter benachbart zum p-n-Übergang auf einen Wert im Bereich von 1 × 10¹⁶ bis 4 × 10¹⁸ freien Trägern pro Zentimeter benachbart zur angrenzenden Schicht am hinteren Teil der Basis zunimmt, und wobei eine Emitterregion eine Abstufung der Dotierung hat, die von einem Wert im Bereich von ungefähr 5 × 10¹⁸ bis 1 × 10¹⁷ freien Trägern pro Kubikzentimeter in der Region direkt benachbart zur angrenzenden Schicht auf einen Wert im Bereich von 5 × 10¹⁵ bis 1 × 10¹⁸ freien Trägern pro Kubikzentimeter im Bereich benachbart zum p-n-Übergang abnimmt.
Für einige Ausführungsbeispiele können die DBR-Schichten 114 und/oder 122c aus einer Vielzahl von abwechselnden Schichten von bezüglich des Gitters übereinstimmenden Materialien mit Diskontinuitäten bzw. Unterschieden in ihren jeweiligen Brechungsindices zusammengesetzt sein. Für gewisse Ausführungsbeispiele wird die Differenz bei den Brechungsindices zwischen abwechselnden Schichten maximiert, um die Anzahl von Perioden zu minimieren, die erforderlich sind, um ein gegebenes Reflexionsvermögen bzw. Reflektivität zu erreichen, und die Dicke und der Brechungsindex von jeder Periode bestimmen das Stoppband und seine begrenzende Wellenlänge.
Für einige Ausführungsbeispiele weisen die DBR-Schichten 114 und/oder 122b eine erste DBR-Schicht auf, die aus einer Vielzahl von Al_xGa_1-xAs-Schichten des p-Typs zusammengesetzt ist, und eine zweite DBR-Schicht, die über der ersten DBR-Schicht angeordnet ist und aus einer Vielzahl von Al_yGa_1-yAs-Schichten des p-Typs zusammengesetzt ist, wobei y größer als x ist und gilt 0 < x < 1 und 0 < y < 1.
In einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine intrinsische Schicht, die durch eine dehnungsausgeglichene Struktur 501 mit mehreren Quantentöpfen gebildet wird, zwischen der Basisschicht 410b und der Emitterschicht 411 der mittleren Unterzelle C geformt. Die dehnungsausgeglichene Quantentopfstruktur 501 weist eine Abfolge von Quantentopfschichten auf, die durch abwechselnde Schichten von druckvorgespannten InGaAs und zugvorgespannten Galliumsarsenidphosphid (”GaAsP”) gebildet werden. Dehnungsausgeglichene Quantentopfstrukturen sind gut bekannt aus der Veröffentlichung von Chao-Gang Lou und anderen, Current-Enhanced Quantum Well Solar Cells, Chinese Physics Letters, Vol. 23, Nr. 1 (2006), und aus M. Mazzer und andere, Progress in Quantum Well Solar Cells, Thin Solid Films, Volumes 511–512 (26. Juni 2006).
In einem alternativen Beispiel kann die dehnungsausgeglichene Quantentopfstruktur 501, welche druckgedehnt bzw. gestauchtes InGaAs und zuggedehntes bzw. gedehntes Galliumarsenid aufweist, entweder als Basisschicht 410b oder als Emitterschicht 411 vorgesehen werden.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die dehnungsausgeglichene Quantentopfstruktur 501 in der Entleerungsregion der mittleren Unterzelle C geformt und hat eine Gesamtdicke von ungefähr drei Mikrometer (μm). Andere Dicken können ebenfalls verwendet werden. Alternativ kann die mittlere Unterzelle C die dehnungsausgeglichene Quantentopfstruktur 501 entweder als Basisschicht 410 oder als Emitterschicht 411 aufweisen, und zwar ohne eine dazwischen liegende Schicht zwischen der Basisschicht 410 und der Emitterschicht 411. Eine dehnungsausgeglichene Quantentopfstruktur kann einen oder mehrere Quantentöpfe aufweisen. Wie im Beispiel der 3C gezeigt, können die Quantentöpfe aus abwechselnden Schichten von druckvorgespanntem bzw. druckgedehntem InGaAs und zugvorgespanntem bzw. zuggedehntem GaAsP geformt werden. Ein individueller Quantentopf innerhalb der Struktur weist eine Topfschicht aus InGaAs auf, die zwischen zwei Barriereschichten aus GaAsP vorgesehen ist, wobei jede eine breitere Energiebandlücke hat als InGaAs. Die InGaAs-Schicht ist aufgrund ihrer größeren Gitterkonstante bezüglich der Gitterkonstante des Substrates 400 druckgedehnt. Die GaAsP-Schicht ist aufgrund ihrer kleineren Gitterkonstante bezüglich des Substrates 400 zuggedehnt. Der „dehnungsausgeglichene” Zustand tritt auf, wenn die durchschnittliche Dehnung der Quantentopfstruktur ungefähr gleich null ist. Dehnungsausgleich stellt sicher, dass es fast keine Spannung in der Quantentopfstruktur gibt, wenn die Mehrfachsolarzellenschichten epitaxial gezüchtet werden. Die Abwesenheit von Spannung zwischen den Schichten kann dabei helfen, die Bildung von Versetzungen in der Kristallstruktur zu verhindern, was anderenfalls in negativer Weise die Leistung der Vorrichtung beeinflussen würde. Beispielsweise können die druckgedehnten InGaAs-Topfschichten der Quantentopfstruktur 323 durch die zuggedehnten GaAsP-Barriereschichten dehnungsausgeglichen sein.
Die Quantentopfstruktur 500 kann auch bezüglich des Gitters an das Substrat 400 angepasst sein. Anders gesagt, die Quantentopfstruktur kann eine durchschnittliche Gitterkonstante haben, die ungefähr gleich einer Gitterkonstante des Substrates 400 ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Gitteranpassung der Quantentopfstruktur 500 an das Substrat 400 weiter die Bildung von Versetzungen verringern und die Leistung der Vorrichtung verbessern. Alternativ kann die durchschnittliche Gitterkonstante der Quantentopfstruktur 500 so ausgelegt sein, dass sie die Gitterkonstante des Stammmaterials in der mittleren Unterzelle C aufrechterhält. Beispielsweise kann die Quantentopfstruktur 500 so hergestellt sein, dass sie eine durchschnittliche Gitterkonstante hat, welche die Gitterkonstante der AlGaAs-BSF-Schicht 410a aufrechterhält. In dieser Weise werden keine Versetzungen relativ zur mittleren Zelle C eingeführt. Jedoch passt die gesamte Vorrichtung 600 bezüglich des Gitters nicht zusammen, wenn die Gitterkonstante der mittleren Zelle C nicht mit dem Substrat 400 zusammenpasst. Die Dicke und die Zusammensetzung von jeder einzelnen InGaAs- oder GaAsP-Schicht in der Quantentopfstruktur 500 kann so eingestellt werden, dass ein Dehnungsausgleich erreicht wird und die Bildung von Kristallversetzungen minimiert wird. Beispielsweise können die InGaAs- und GaAsP-Schichten mit jeweiligen Dicken von ungefähr 100–300 Angstrom (D) geformt werden. Zwischen 100 und 300 InGaAs/GaAsP-Quantentöpfe können insgesamt in der dehnungsausgeglichenen Quantentopfstruktur 500 geformt werden. Mehr oder weniger Quantentöpfe können ebenso verwendet werden. Zusätzlich kann die Konzentration des Indiums in den InGaAs-Schichten zwischen 10 und 30 variieren.
Weiterhin kann die Quantentopfstruktur 501 den Bereich von Wellenlängen erweitern, der von der mittleren Unterzelle C absorbiert wird. Ein Beispiel von geeigneten Quanteneffizienzkurven für die Mehrfachsolarzelle der 3C wird in 7A veranschaulicht. Wie im Beispiel der 7A gezeigt, erstreckt sich das Absorptionsspektrum für die untere Unterzelle 305 zwischen 890 und 1600 nm; das Absorptionsspektrum der mittleren Unterzelle 307 erstreckt sich zwischen 660 und 1000 nm, was das Absorptionsspektrum der unteren Unterzelle überlappt; und das Absorptionsspektrum der oberen Unterzelle A erstreckt sich zwischen 300 und 600 nm. Auftreffende Photonen mit Wellenlängen, die in dem überlappenden Teil der Absorptionsspektren der mittleren und unteren Unterzelle gelegen sind, können von der mittleren Unterzelle 307 absorbiert werden, bevor sie die untere Unterzelle D erreichen. Als eine Folge kann der Fotostrom, der von der mittleren Unterzelle 307 erzeugt wird, zunehmen, indem ein Teil des Stroms aufgenommen wird, der anderenfalls überschüssiger Strom in der unteren Unterzelle 304 wäre. Anders gesagt, die durch Licht erzeugte Stromdichte, die in der mittleren Unterzelle 307 erzeugt wird, kann zunehmen. Abhängig von der Gesamtzahl der Schichten und der Dicke von jeder Schicht in der Quantentopfstruktur 323, kann die durch Licht erzeugte Stromdichte der mittleren Unterzelle 307 erhöht werden, so dass sie zu der durch Licht erzeugten Stromdichte der unteren Unterzelle 305 passt.
Der Gesamtstrom, der durch die Mehrfachsolarzelle erzeugt wird, kann dann erhöht werden, indem der Strom vergrößert wird, der durch die obere Unterzelle 309 erzeugt wird. Zusätzlicher Strom kann durch die obere Unterzelle 309 erzeugt werden, indem die Dicke der InGaP₂-Basisschicht 332 des p-Typs in dieser Zelle vergrößert wird. Die Vergrößerung der Dicke gestattet, dass zusätzliche Photonen absorbiert werden, was eine zusätzliche Erzeugung von Strom zur Folge hat. Vorzugsweise bleibt die Zunahme der Dicke der oberen Unterzelle 309 für Weltraum- oder AM0-Anwendungen ungefähr die 4 bis 5% Differenz bei der Stromerzeugung zwischen der oberen Unterzelle A und der mittleren Unterzelle C. Für AM1-Anwendungen oder terrestrische Anwendungen kann die Stromerzeugung der oberen Zelle und der mittleren Zelle so ausgewählt werden, dass diese zusammenpassen.
Als eine Folge sehen sowohl das Einführen von dehnungsausgeglichenen Quantentöpfen in der mittleren Unterzelle 307 als auch die Zunahme der Dicke der oberen Unterzelle A eine Zunahme der gesamten Stromerzeugung durch die Multijunction- bzw. Mehrfachsolarzelle vor, und sie ermöglichen eine Verbesserung der gesamten Photonenumwandlungseffizienz. Weiterhin kann eine Zunahme des Stroms erreicht werden, ohne beträchtlich die Spannung an der Mehrfachsolarzelle zu verringern.
In einigen Ausführungsbeispielen bildet die Abfolge der ersten 501A und zweiten 501B unterschiedlichen Halbleiterschichten die Basisschicht der zweiten Unterzelle.
In einigen Ausführungsbeispielen weist die Abfolge der ersten und zweiten unterschiedlichen Halbleiterschichten druckgedehnte bzw. zuggedehnte Schichten auf.
In einigen Ausführungsbeispielen ist eine durchschnittliche Dehnung der Abfolge der ersten und zweiten unterschiedlichen Halbleiterschichten ungefähr gleich null.
In einigen Ausführungsbeispielen ist jede der ersten und zweiten Halbleiterschichten ungefähr 100 nm bis 300 Angström dick.
In einigen Ausführungsbeispielen weist die erste Halbleiterschicht InGaAs auf, und die zweite Halbleiterschicht weist GaAsP auf.
In einigen Ausführungsbeispielen ist ein Prozentsatz des Indiums in jeder InGaAs-Schicht im Bereich von 10 bis 30%.
In einigen Ausführungsbeispielen weist die obere Unterzelle InGaP auf und hat eine Dicke, so dass sie ungefähr 4–5% weniger Strom erzeugt als der erste Strom.
In einigen Ausführungsbeispielen hat zumindest die Basis von zumindest einer der ersten A, zweiten B oder dritten C Solarunterzellen eine abgestufte Dotierung, d. h. das Ausmaß der Dotierung variiert von einer Oberfläche zu der anderen über die Dicke der Basisschicht. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Abstufung der Dotierung exponentiell. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Abstufung der Dotierung inkrementell und monoton.
In einigen Ausführungsbeispielen hat der Emitter von mindestens einer der ersten A, zweiten B oder dritten C Solarunterzellen auch eine abgestufte Dotierung, d. h. das Ausmaß der Dotierung variiert von einer Oberfläche zu der anderen über die Dicke der Emitterschicht. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Abstufung der Dotierung linear oder monoton abnehmend.
Als ein spezielles Beispiel kann das Dotierungsprofil der Emitter- und Basisschichten in 4 veranschaulicht werden, welche das Ausmaß der Dotierung in der Emitterregion und der Basisregion einer Unterzelle abbildet. Dotierungsmittel des n-Typs weisen Silizium, Selen, Schwefel, Germanium oder Zinn auf. Dotierungsmittel des p-Typs weisen Silizium, Zink, Chrom oder Germanium auf.
Im Beispiel der 4 nimmt die Dotierung des Emitters von irgendwo im Bereich von ungefähr 5 × 10¹⁸ bis 1 × 10¹⁷ freien Trägern pro Kubikzentimeter in der Region direkt benachbart zur angrenzenden Schicht auf irgendwo in dem Bereich von 1 × 10¹⁸ bis 1 × 10¹⁵ freien Trägern pro Kubikzentimeter in der Region benachbart zum p-n-Übergang ab, was durch die gestrichelte Linie in der genannten Figur gezeigt ist.
Die Dotierung der Basis nimmt von irgendwo im Bereich von 1 × 10¹⁵ bis 1 × 10¹⁸ freien Trägern pro Kubikzentimeter benachbart zum p-n-Übergang auf irgendwo im Bereich von 1 × 10¹⁶ bis 1 × 10¹⁹ freien Trägern pro Kubikzentimeter benachbart zur angrenzenden Schicht am hinteren Teil der Basis zu.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Ausmaß der Dotierung über die Dicke der Basisschicht exponentiell vom Bereich von 1 × 10¹⁶ freien Trägern pro Kubikzentimeter auf 1 × 10¹⁸ freien Trägern pro Kubikzentimeter abgestuft sein, wie durch die Kurve 603 dargestellt, die in der Figur abgebildet ist.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Dotierungsniveau über die Dicke der Emitterschicht linear von 5 × 10¹⁸ freien Trägern pro Kubikzentimeter auf 5 × 10¹⁷ freien Trägern pro Kubikzentimeter abnehmen, wie durch die Kurve 602 dargestellt, die in der Figur abgebildet ist.
Der absolute Wert des Sammelfeldes, welches durch einen exponentiellen Dotierungsgradienten exp[–x/λ] erzeugt wird, wird durch das konstante elektrische Feld der Größe E = kT/q(1/λ))(exp[–x_b/λ]) gegeben, wobei k die Boltzmann-Konstante ist, wobei T die absolute Temperatur in Grad Kelvin ist, wobei q der absolute Wert der elektronischen Änderung ist, und wobei λ ein Parameter ist, der für die Dotierungsabnahme charakteristisch ist.
Die Wirksamkeit eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung ist in einer Testsolarzelle gezeigt worden, welche ein exponentielles Dotierungsprofil in der 3 μm dicken Basisschicht einer Sub- bzw. Unterzelle aufwies, und zwar entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Gemäß Messungen der elektrischen Parameter der Testzelle wurde eine Zunahme von 6,7% bei der Stromaufnahme beobachtet. Die Messungen zeigten eine Leerlaufspannung (V_OC) von mindestens 3,014 V, eine Kurzschlussstromdichte (J_SC) von mindestens 16,55 mA/cm² und einen Füllfaktor (FF) von mindestens 0,86 bei AM0 für eine Dreifachsolarzelle.
Das exponentielle Dotierungsprofil, welches von der vorliegenden Offenbarung gelehrt wird, erzeugt ein konstantes Feld in der dotierten Region. In den speziellen Mehrfachsolarzellenmaterialien und der Struktur der vorliegenden Offenbarung wird die am wenigsten strahlungsresistente Unterzelle den niedrigsten Kurzschlussstrom von allen Unterzellen haben. Da in einer Mehrfachsolarzelle die einzelnen Unterzellen gestapelt sind und eine Reihenschaltung bilden, wird daher der gesamte Stromfluss in der gesamten Solarzelle durch den kleinsten Strom begrenzt werden, der in irgendeiner der Unterzellen erzeugt wird. Somit nähert sich durch Vergrößerung des Kurzschlussstroms in der unteren Zelle der Strom näher an jene der höheren Unterzellen an, und der Gesamtwirkungsgrad der Solarzelle wird auch um 3% gesteigert. In einer Mehrfachsolarzelle mit ungefähr 32% Wirkungsgrad würde die Implementierung der vorliegenden Dotierungsanordnung den Wirkungsgrad um einen Faktor von 1 vergrößern, d. h. 3%. Eine solche Zunahme des Gesamtwirkungsgrades ist beträchtlich im Gebiet der Solarzellentechnologie. Zusätzlich zu einer Zunahme der Effizienz wird das Sammelfeld, welches durch das exponentielle Dotierungsprofil erzeugt wird, die Strahlungshärte der Solarzelle verbessern, was wichtig für Weltraumanwendungen ist.
Obwohl das exponentiell dotierte Profil die Dotierungsauslegung ist, die implementiert und überprüft worden ist, können andere Dotierungsprofile ein linear variierendes Sammelfeld erzeugen, welches noch andere Vorteile bieten kann. Beispielsweise erzeugt ein Dotierungsprofil von 1 × 10¹⁶ bis 1 × 10¹⁸ ein lineares Feld in der dotierten Region, was vorteilhaft sowohl für das Sammeln von Minoritätsträgern als auch für Strahlungshärte am Ende der Lebensdauer (EOL) der Solarzelle wäre.
Solche anderen Dotierungsprofile in einer oder mehreren Basisschichten liegen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
Das hier abgebildete Dotierungsprofil ist rein veranschaulichend und andere komplexere Profile können verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie es dem Fachmann klar sein würde.
Die vorliegende Offenbarung sieht eine invertierte metamorphische Mehrfachsolarzelle vor, welche einer Auslegungsregel folgt, dass man so viel Unterzellen mit großer Bandlücke wie möglich vorsehen sollte, um das Ziel der Steigerung der Hochtemperatur-EOL-Leistung zu erreichen. Beispielsweise können Unterzellen mit großer Bandlücke einen größeren Prozentsatz der Zellenspannung beibehalten, wenn die Temperatur zunimmt, wodurch geringerer Leistungsverlust geboten wird, wenn die Temperatur zunimmt. Als eine Folge ist zu erwarten, dass sowohl eine HT-BOL- als auch HT-EOL-Leistung der beispielhaften invertierten metamorphischen Mehrfachsolarzelle größer als bei herkömmlichen Zellen sind.
Die Leerlaufspannung (V_OC) einer Verbundhalbleiterunterzelle verliert ungefähr 2 mV pro Grad Celsius, wenn die Temperatur ansteigt, somit zieht die Auslegungsregel, die von der vorliegenden Offenbarung gelehrt wird, Vorteil aus der Tatsache, dass eine Unterzelle mit größerer Bandlücke (und daher mit höherer Spannung) einen geringeren Prozentsatz ihrer V_OC mit der Temperatur verliert. Beispielsweise erzeugt eine Unterzelle, welche 1,50 Volt bei 28°C erzeugt, 1,50 – 42·(0,0023) = 1,403 V bei 70°C, was ein Spannungsverlust von 6,4% ist. Eine Zelle, die 0,25 V bei 28°C erzeugt, erzeugt 0,25 – 42·(0,0018) = 0,174 V bei 70°, was ein Spannungsverlust von 30,2% ist.
Im Hinblick auf unterschiedliche Anforderungen für Satelliten und Raumfahrzeuge bezüglich der Temperatur, der Strahlungsexposition und der Betriebslebensdauer kann ein Bereich von Unterzellenkonstruktionen unter Verwendung der Konstruktions- bzw. Auslegungsprinzipien der vorliegenden Offenbarung typische Anforderungen von Kunden und Missionen vorsehen, und es werden im Folgenden verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt, und zwar zusammen mit der Berechnung ihres Wirkungsgrades am Ende der Lebensdauer. Die Strahlungsexposition wird experimentell unter Verwendung von 1 MeV Elektronenfluss pro Quadratzentimeter (in dem folgenden Text als e/cm² abgekürzt) gemessen, so dass ein Vergleich zwischen den gegenwärtig kommerziellen Vorrichtungen und Ausführungsbeispielen der Solarzellen gemacht werden kann, die in der vorliegenden Offenbarung besprochen werden.
Als ein Beispiel wird ein Satellit für eine niedrige Erdumlaufbahn (LEO-Satellit; LEO = low earth orbit) typischerweise ein Strahlungsäquivalent von 5 × 10¹⁴ e/cm² über eine Lebensdauer von 5 Jahren aufnehmen. Ein Satellit im geostationären Erdumlauf (GEO-Satellit; GEO = geosynchronous earth orbit) wird typischerweise eine Strahlung im Bereich von 5 × 10¹⁴ e/cm² bis 1 × 10 e/cm² über eine Lebensdauer von 15 Jahren erfahren.
Beispielsweise ist der Zellenwirkungsgrad (%) gemessen bei Raumtemperatur (RT) von 28°C und bei hoher Temperatur (HT) von 70°C zum Beginn der Lebensdauer (BOL = beginning of life) und zum Ende der Lebensdauer (EOL = end of life) für eine übliche kommerzielle Dreifachsolarzelle (ZTJ) wie folgt:

Zustand Wirkungsgrad

BOL 28°C 29,1%

BOL 70°C 26,4%

EOL 70°C 23,4% Nach 5E14 e/cm² Strahlung

EOL 70°C 22,0% Nach 1E15 e/cm² Strahlung
Für die in der Stammanmeldung beschriebene Vierfach-IMMX-Solarzelle sind die entsprechenden Daten, wie folgt:

Zustand Wirkungsgrad

BOL 28°C 29,5%

BOL 70°C 26,6%

EOL 70°C 24,7% Nach 5E14 e/cm² Strahlung

EOL 70°C 24,2% Nach 1E15 e/cm² Strahlung
Es sei auf den geringfügig höheren Zellenwirkungsgrad der IMMX-Solarzelle im Vergleich zur üblichen kommerziellen Solarzelle (ZTJ) bei BOL sowohl bei 28°C als auch bei 70°C hingewiesen. Jedoch zeigt die oben beschriebene IMMX-Solarzelle einen wesentlich verbesserten Zellenwirkungsgrad (%) gegenüber der üblichen kommerziellen Solarzelle (ZTJ) bei 1 MeV Elektronenäquivalentfluss von 5 × 10¹⁴ e/cm² und einen stark verbesserten Zellenwirkungsgrad (%) gegenüber der üblichen kommerziellen Solarzelle (ZTJ) bei 1 MeV Elektronenäquivalenzfluss von 1 × 10¹⁵ e/cm².
Für die Fünffach-IMMX-Solarzelle, die in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird, sind die entsprechenden Daten, wie folgt:

Zustand Wirkungsgrad

BOL 28°C 32,1%

BOL 70°C 30,4%

EOL 70°C 27,1% Nach 5E14 e/cm² Strahlung

EOL 70°C 25,8% Nach 1E15 e/cm² Strahlung
In einigen Ausführungsbeispielen ist die Solarzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung auch auf Umgebungen mit geringer Intensität (LI = low intensity) und/oder mit niedriger Temperatur (LT = low temperature) anwendbar, wie dies bei Weltraummissionen zum Mars, Jupiter und darüber hinaus auftreten kann. Eine Umgebung mit „niedriger Intensität” bezieht sich darauf, dass eine Lichtintensität geringer als 0,1 suns ist, und eine Umgebung mit „niedriger Temperatur” bezieht sich darauf, dass die Temperatur in dem Bereich von weniger als –100 Grad Celsius ist.
Für solche Anwendungen können die Bandlücken der Unterzellen abhängig von den speziellen Intensitäts- und Temperaturbereichen von Interesse eingestellt oder „getuned” werden, um den Solarzellenwirkungsgrad zu maximieren, oder in anderer Weise die Leistung zu optimieren (beispielsweise bei EOL oder über eine Betriebsarbeitslebensdauerperiode).
Der breite Bereich von Elektronen- und Protonenenergien, die in Weltraumumgebungen vorhanden sind, macht ein Verfahren zum Beschreiben der Effekte von verschiedenen Arten von Strahlung bezüglich einer Strahlungsumgebung notwendig, die unter Laborbedingungen erzeugt werden kann. Die Verfahren zum Abschätzen einer Verschlechterung bzw. Degradierung einer Solarzelle im Weltraum basierend auf den Techniken, die von Brown und anderen [Brown, W. L., J. D. Gabbe und W. Rosenzweig, Results of the Telstar Radiation Experiments, Bell System Technical J., 42, 1505, 1963] und Tada beschrieben wurden [Tada, H. Y., J. R. Carter, Jr., B. E. Anspaugh und R. G. Downing, Solar Cell Radiation Handbook, Third Edition, JPL Publication 82-69, 1982]. Zusammengefasst wird die omnidirektionale Weltraumstrahlung in einen schadensäquivalenten unidirektionalen Fluss bei normierter Energie und bezüglich eines spezifischen Strahlungspartikels umgewandelt. Der äquivalente Fluss wird den gleichen Schaden erzeugen wie jener, der von der betrachteten omnidirektionalen Weltraumstrahlung erzeugt wird, wenn der relative Schadenskoeffizient (RDC = relative damage coefficient) ordnungsgemäß definiert ist, um die Umwandlung zu gestatten. Die relativen Schadenskoeffizienten (RDCs) einer speziellen Solarzellenstruktur werden zuvor unter vielen Energie- und Flussniveaus zusätzlich zu unterschiedlichen Abdeckungsglassdickenwerten gemessen. Wenn der äquivalente Fluss für eine gegebene Weltraumumgebung bestimmt ist, kann die Parameterverschlechterung im Labor bewertet werden, indem die Solarzelle mit dem berechneten Flussniveau von unidirektionalem normal auftreffenden Fluss bestrahlt wird. Der äquivalente Fluss wird normalerweise bezüglich 1 MeV Elektronen oder 10 MeV Protonen ausgedrückt.
Die Software-Zusammenstellung Spenvis (www.spenvis.oma.be) wird verwendet, um den speziellen Elektronen- und Protonenfluss zu berechnen, dem eine Solarzelle während einer speziellen Satellitenmission ausgesetzt ist, wie definiert durch die Dauer, Höhe, Azimuth usw. Spenvis setzt das EQFLUX-Programm ein, welches von dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) entwickelt wurde, um Elektronen- und Protonenflüsse zu berechnen, die einen 1 MeV- und 10 MeV-Schaden äquivalent sind, insbesondere bezüglich der Einwirkung der Flüsse, die durch die Modelle für eingefangene Strahlung und Solarprotonen für eine festgelegte Missionsumgebungsdauer vorhergesagt wurden. Die Umwandlung in schadensäquivalente Flüsse basiert auf den relativen Schadenskoeffizienten, die für Mehrfachzellen bestimmt wurden [Marvin, D. C., Assessment of Multijunction Solar Cell Performance in Radiation Environments, Aerospace Report No. TOR-2000 (1210)-1, 2000]. Neue Zellenstrukturen benötigen schließlich neue RDC-Messungen, da unterschiedliche Materialien mehr oder weniger schadensresistent sein können als Materialien, die bei herkömmlichen Solarzellen verwendet werden. Ein weithin akzeptierter Äquivalenzfluss für die gesamte Mission für eine Mission von 15 Jahren Dauer eines geosynchronen bzw. geostationären Satelliten ist 1 MeV 1 × 10¹⁵ Elektronen/cm².
Die hier beschriebene beispielhafte Solarzelle kann die Verwendung von Aluminium in der Halbleiterzusammensetzung von jeder der oberen zwei oder drei Unterzellen erfordern.
Das Einbringen von Aluminium ist weithin bekannt in der III-V-Verbindungshalbleiterindustrie, um die BOL-Leistung der Unterzelle aufgrund tiefliegender Donatorendefekte zu degradieren, für eine höhere Dotierungskompensation, kürzere Minoritätsträgerlebensdauern und niedrige Zellenspannung und eine gesteigerte BOL-E_g/q-V_OC-Metrik. Kurz gesagt, eine gesteigerte BOL-E_g/q-V_OC kann der problematischste Nachteil von Aluminium-enthaltenden Unterzellen sein; die anderen Einschränkungen können abgemildert werden, indem der Dotierungsplan modifiziert wird oder die Basisdicken dünner gemacht werden.
Bei BOL ist es darüber hinaus weithin akzeptiert, dass große Unterzellen eine E_g/q-V_OC bei Raumtemperatur von ungefähr 0,40 haben. Eine breite Variation bei BOL-E_g/q-V_OC kann für Unterzellen existieren, die für IMMX-Zellen von Interesse sind. Jedoch haben die Anmelder herausgefunden, dass die Untersuchung von E_g/q-V_OC bei HT-EOL zeigen kann, dass Aluminium-enthaltende Unterzellen nicht schlechter arbeiten als andere Materialien, die bei III-V-Solarzellen verwendet werden. Beispielsweise ist gezeigt worden, dass alle Unterzellen bei EOL, ungeachtet der Aluminium-Konzentration oder des Ausmaßes einer Fehlausrichtung des Gitters, eine nahezu feste E_g/q-V_OC von ungefähr 0,6 bei Raumtemperatur 28°C zeigten.
Die beispielhafte Auslegungsphilosophie für eine invertierte metamorphische Mehrfachsolarzelle kann als abweichend von herkömmlichen Pfaden zur Verbesserung der Zelleneffizienz beschrieben werden, welche Infrarotunterzellen einsetzen, welche Kosten steigern, wenn die Bandlücke der Materialien verringert wird. Beispielsweise ist eine ordnungsgemäße Stromeinpassung unter allen Unterzellen, welche das gesamte Solarspektrum abdecken, oft ein übliches Auslegungsziel. Weiterhin können bekannte Ansätze – was Lösen von Nitriden, die durch MBE gezüchtet wurden, aufrechte metamorphische und invertierte metamorphische Mehrfachsolarzellenkonstruktionen einschließt – beträchtliche Kosten für die Zellen hinzufügen und nur marginal die HT-EOL-Leistung verbessern. Noch weiterhin kann ein niedriger HT-EOL $/W-Wert erreicht werden, wenn kostengünstige Unterzellen mit großer Bandlücke in die Zellenarchitektur eingeschlossen werden, und zwar anstelle von teureren Infrarotunterzellen. Der Schlüssel zum Ausführen der beispielhaften Solarzellenauslegungsphilosophie, die hier beschrieben wurde, ist die Beobachtung, dass Aluminium enthaltende Unterzellen gut bei HT-EOL arbeiten.
Ohne weitere Analyse wird das Vorangegangene den Umfang der vorliegenden Offenbarung so vollständig klarmachen, dass andere durch Anwendung gegenwärtiger Kenntnisse leicht dies für verschiedene Anwendungen anpassen können, ohne Merkmale wegzulassen, die vom Standpunkt des Standes der Technik aus einfach wichtige Merkmale der allgemeinen oder speziellen Aspekte dieser Offenbarung bilden, und daher sollen solche Anpassungen in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der folgenden Ansprüche fallen und so verstanden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8969712 B2 [0046]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Chao-Gang Lou und anderen, Current-Enhanced Quantum Well Solar Cells, Chinese Physics Letters, Vol. 23, Nr. 1 (2006) [0110]
M. Mazzer und andere, Progress in Quantum Well Solar Cells, Thin Solid Films, Volumes 511–512 (26. Juni 2006) [0110]
Brown, W. L., J. D. Gabbe und W. Rosenzweig, Results of the Telstar Radiation Experiments, Bell System Technical J., 42, 1505, 1963 [0147]
Tada, H. Y., J. R. Carter, Jr., B. E. Anspaugh und R. G. Downing, Solar Cell Radiation Handbook, Third Edition, JPL Publication 82-69, 1982 [0147]
Marvin, D. C., Assessment of Multijunction Solar Cell Performance in Radiation Environments, Aerospace Report No. TOR-2000 (1210)-1, 2000 [0148]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, welches Folgendes aufweist: Vorsehen eines ersten Substrates; Abscheiden einer ersten Sequenz von Schichten von Halbleitermaterial auf dem ersten Substrat, wodurch eine erste Solarunterzelle, eine zweite Solarunterzelle und eine dritte Solarunterzelle geformt werden; Abscheiden einer ersten DBR- bzw. Bragg-Reflektorschicht auf der dritten Unterzelle benachbart zur dritten Solarunterzelle, und zwar so angeordnet, dass Licht in die dritte Solarunterzelle eintreten kann und durch diese hindurchlaufen kann, und dass zumindest ein Teil davon durch die DBR-Schicht zurück in die dritte Solarunterzelle reflektiert werden kann; Abscheiden einer ersten abgestuften Zwischenschicht auf der ersten DBR Schicht; Abscheiden einer zweiten Abfolge von Schichten von Halbleitermaterial auf der ersten abgestuften Zwischenschicht, wodurch eine vierte Solarunterzelle geformt wird, wobei die vierte Solarunterzelle bezüglich des Gitters nicht zu der dritten Solarunterzelle passt; Abscheiden einer zweiten abgestuften Zwischenschicht auf der vierten Solarunterzelle; Abscheiden einer dritten Abfolge von Schichten von Halbleitermaterial auf der zweiten abgestuften Zwischenschicht, wodurch eine fünfte Solarunterzelle geformt wird, wobei die fünfte Solarunterzelle bezüglich des Gitters nicht zu der dritten Solarunterzelle passt; Montieren und Befestigen eines Surrogatsubstrates oben auf der Abfolge von Schichten; und Entfernen des ersten Substrates; wobei die erste abgestufte Zwischenschicht bezüglich der Zusammensetzung so abgestuft ist, dass sie auf einer Seite bezüglich des Gitters zur dritten Solarunterzelle passt und auf der anderen Seite bezüglich des Gitters zur unteren vierten Solarunterzelle passt, und wobei sie aus den As-, P-, N-, Sb-basierten III-V-Verbundhalbleitern zusammengesetzt ist, die den Einschränkungen unterworfen sind, dass sie einen Ebenengitterparameter von größer oder gleich jenem der dritten Solarunterzelle und von kleiner oder gleich jenem der unteren vierten Solarunterzelle haben, und dass sie eine Bandlückenenergie von mehr als jener der dritten Solarunterzelle und der vierten Solarunterzelle haben; wobei die zweite abgestufte Zwischenschicht bezüglich der Zusammensetzung so abgestuft ist, dass sie auf der einen Seite bezüglich des Gitters zur vierten Solarunterzelle passt und auf der anderen Seite zu der unteren fünften Solarunterzelle passt, und wobei sie aus irgendeinem der As-, P-, N-, Sb-basierten III-V-Verbindungshalbleiter zusammengesetzt ist, die den Einschränkungen unterworfen sind, dass sie einen Ebenengitterparameter von größer oder gleich jenem der vierten Solarunterzelle und kleiner oder gleich jenem der fünften Solarunterzelle haben, und dass sie eine Bandlückenenergie von mehr als jener der vierten Solarunterzelle haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die fünfte Solarunterzelle eine Bandlücke im Bereich von 0,8 bis 0,9 eV hat, wobei die vierte Solarunterzelle eine Bandlücke im Bereich von ungefähr 1,05 bis 1,15 eV hat, wobei die dritte Solarunterzelle eine Bandlücke im Bereich von ungefähr 1,40 bis 1,50 eV hat, wobei die zweite Solarunterzelle eine Bandlücke im Bereich von ungefähr 1,65 bis 1,78 eV hat, und wobei die erste Solarunterzelle eine Bandlücke im Bereich von 1,92 bis 2,2 eV hat, und wobei ihre Dicke und die Bandlücke der ersten abgestuften Zwischenschicht im Bereich von 1,42 bis 1,60 eV über ihre Dicke ist, und wobei die Bandlücke der zweiten abgestuften Zwischenschicht im Bereich von 1,20 bis 1,40 eV über ihre Dicke ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Solarunterzelle aus AlGaInP zusammengesetzt ist, wobei die zweite Solarunterzelle aus einer InGaP-Emitterschicht und einer AlGaAs-Basisschicht zusammengesetzt ist, wobei die dritte Solarunterzelle aus GaAs oder In_xGa_1-xAs zusammengesetzt ist (wobei gilt 0 < x < 0,01) und wobei die vierten und fünften Solarunterzelle aus InGaAs zusammengesetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dritte Solarunterzelle Quantentöpfe oder Quantenpunkte aufweist, so dass die Bandlücke der dritten Solarunterzelle ungefähr 1,3 eV ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die untere fünfte Solarunterzelle eine Bandlücke im Bereich von ungefähr 0,83 bis 0,85 eV hat, wobei die vierte Solarunterzelle eine Bandlücke von ungefähr 1,10 eV hat, wobei die dritte Solarunterzelle eine Bandlücke im Bereich von 1,40 bis 1,42 eV hat, wobei die zweite Solarunterzelle eine Bandlücke von ungefähr 1,73 eV hat und wobei die obere erste Solarunterzelle eine Bandlücke von ungefähr 2,10 eV hat.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter aufweist, eine sechste Solarunterzelle zu formen, die zwischen der ersten Solarunterzelle und der unteren fünften Solarunterzelle angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Unterzelle eine Emitterregion und eine Basisregion aufweist, und wobei eine oder mehrere der Unterzellen eine Basisregion mit einer Abstufung bei der Dotierung haben, welche exponentiell von 1 × 10¹⁵ freien Trägern pro Kubikzentimeter benachbart zum p-n-Übergang auf 4 × 10¹⁸ freie Träger pro Kubikzentimeter benachbart zur angrenzenden Schicht am hinteren Teil der Basis zunimmt, und wobei eine Emitterregion eine Abstufung bei der Dotierung hat, die von ungefähr 5 × 10¹⁸ freien Trägern pro Kubikzentimeter in der Region direkt benachbart zur angrenzenden Schicht auf 5 × 10¹⁷ freie Trägern pro Kubikzentimeter in der Region benachbart zum p-n-Übergang abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter Folgendes aufweist: Formen einer zweiten DBR- bzw. Bragg-Reflektorschicht benachbart zu und zwischen den zweiten und den dritten Solarunterzellen, die so angeordnet ist, dass Licht in die zweite Solarunterzelle eintreten kann und durch diese hindurchlaufen kann, und dass zumindest ein Teil davon durch die DBR-Schicht zurück in die zweite Solarunterzelle reflektiert werden kann, wobei die ersten und zweiten Bragg-Reflektorschichten aus einer Vielzahl von abwechselnden Schichten von bezüglich des Gitters zusammenpassenden Materialien mit Unterschieden bezüglich ihrer Brechungsindices zusammengesetzt sind, und wobei die Differenz der Brechungsindices zwischen benachbarten Schichten maximiert ist, um die Anzahl von Perioden zu minimieren, die erforderlich sind, um eine gegebene Reflektivität zu erreichen, und wobei die Dicke und der Brechungsindex von jeder Periode das Stoppband und ihre begrenzende Wellenlänge bestimmen; wobei die ersten und zweiten DBR-Schichten jeweils eine erste DBR-Unterschicht aufweisen, die aus einer Vielzahl von Al_xGa_1-xAs-Schichten des p-Typs zusammengesetzt sind, wobei gilt 0 < x < 1, und eine zweite DBR-Unterschicht, die über der ersten DBR-Unterschicht angeordnet ist und aus einer Vielzahl von Al_yGa_1-yAs-Schichten des p-Typs zusammengesetzt sind, wobei gilt 0 < y < 1 und wobei y größer als x ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Solarzellenwirkungsgrad (%) gemessen bei Raumtemperatur (RT) 28°C und bei hoher Temperatur (HT) 70°C wie folgt sind: (i) bei BOL 28°C hat die Solarzelle zumindest 32,1% Wirkungsgrad; (ii) bei BOL 70°C hat die Solarzelle zumindest 30,4% Wirkungsgrad; (iii) bei EOL bei 70°C hat die Solarzelle zumindest 27,1% Wirkungsgrad nach 5E14 e/cm² Strahlung; und (iv) bei EOL 70°C hat die Solarzelle zumindest 25,8% Wirkungsgrad nach 1E15 e/cm² Strahlung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei (i) die Auswahl der Zusammensetzung der Unterzellen und ihrer Bandlücken den Wirkungsgrad der Solarzelle bei einem vorbestimmten Hochtemperaturwert (im Bereich von 40 bis 70°C) beim Einsatz im Weltraum bei AM0 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem anfänglichen Einsatz im Weltraum oder dem „Beginn der Lebensdauer” (BOL) maximiert, wobei eine solche vorbestimmte Zeit als die „Zeit des Endes der Lebensdauer” bzw. EOL-Zeit definiert wird und mindestens ein Jahr ist, oder (ii) wobei die Auswahl der Zusammensetzung der Unterzellen und ihrer Bandlücken den Wirkungsgrad der Solarzelle bei einer vorbestimmten niedrigen Intensität (weniger als 0,1 suns) und einem niedrigen Temperaturwert (weniger als –80°C) beim Einsatz im Weltraum zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem anfänglichen Einsatz im Weltraum oder dem „Beginn der Lebensdauer” (BOL) maximiert, wobei ein solcher vorbestimmter Zeitpunkt als der „Zeitpunkt des Endes der Lebensdauer” bzw. EOL-Zeitpunkt bezeichnet wird und mindestens ein Jahr ist.