DE102016225186A1

DE102016225186A1 - Photovoltaisches Halbleiterbauelement zur Konversion von Strahlungsleistung in elektrische Leistung, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102016225186A1
Application number: DE102016225186.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Höhn; Henning Helmers; Alexandre Walker
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-06-21
Also published as: WO2018108882A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Halbleiterbauelement zur Konversion von monochromatischer Strahlungsleistung in elektrische Leistung mit mindestens einer der auf das Halbleiterbauelement einfallenden Strahlung zugewandten frontseitigen Teilzelle und einer rückseitigen Teilzelle, die aus miteinander verschalteten Halbleiterschichten gebildet sind. Die Materialien der Halbleiterschichten und/oder deren Schichtdicke werden so gewählt, dass mindestens eine Teilzelle eine gegenüber den anderen Teilzellen erhöhte Photonenabsorption zeigt. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung dieser photovoltaischen Halbleiterbauelemente. Verwendung finden die photovoltaischen Bauelemente als Strahlungsempfänger in der optischen Leistungsübertragung z.B. für die Überwachung von Hochspannungsleitungen, passive optische Netzwerke, Energieversorgung von und in aktiven Implantaten, störfreie Elektromagnetfeldmessung, blitzschlagsichere Überwachung von Windenergieanlagen, explosionssichere Sensorik in Flugzeugtanks, drahtlose Leistungsübertragung, galvanisch getrennte Leistungsversorgung für Sensorik in Hochspannungsumgebung, drahtloses Laden von Consumer Elektronik, sowie die Leistungsversorgung von Unterwasser-Observatorien.

Description

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Halbleiterbauelement zur Konversion von monochromatischer Strahlungsleistung in elektrische Leistung mit mindestens einer der auf das Halbleiterbauelement einfallenden Strahlung zugewandten frontseitigen Teilzelle und einer rückseitigen Teilzelle, die aus miteinander verschalteten Halbleiterschichten gebildet sind. Die Materialien der Halbleiterschichten und/oder deren Schichtdicke werden so gewählt, dass mindestens eine Teilzelle eine gegenüber den anderen Teilzellen erhöhte Photonenabsorption zeigt. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung dieser photovoltaischen Halbleiterbauelemente. Verwendung finden die photovoltaischen Bauelemente als Strahlungsempfänger in der optischen Leistungsübertragung z.B. für die Überwachung von Hochspannungsleitungen, passive optische Netzwerke, Energieversorgung von und in aktiven Implantaten, störfreie Elektromagnetfeldmessung, blitzschlagsichere Überwachung von Windenergieanlagen, explosionssichere Sensorik in Flugzeugtanks, drahtlose Leistungsübertragung, galvanisch getrennte Leistungsversorgung für Sensorik in Hochspannungsumgebung, drahtloses Laden von Consumer Elektronik, sowie die Leistungsversorgung von Unterwasser-Observatorien.
Solarzellen nutzen den photovoltaischen Effekt zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Dieser Effekt ist nicht nur auf Sonnenlicht beschränkt, sondern kann auch zur Umwandlung von Licht - oder allgemeiner elektromagnetischer Strahlung - aus anderen Quellen verwendet werden. Zu nennen ist hier insbesondere die optische Leistungsübertragung (sog. „Powerby-Light“). Dabei werden photovoltaische Zellen mit künstlich erzeugter elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, i.d.R. monochromatische oder quasimonochromatische, d.h. schmalbandige, Strahlung mittels Lasern oder LEDs erzeugt wird, um Kleinverbraucher mit Energie zu versorgen.
Es kann also eine Leistungsübertragung ohne Metallkabel erfolgen und somit das Auftreten von Kurzschlüssen, elektromagnetischer Störung, oder Beschädigungen durch Überspannungen vermieden werden. Die Übertragung von künstlicher elektromagnetischer Strahlung zur photovoltaischen Zelle erfolgt dabei entweder über die Luft oder mittels dichter Medien wie zum Beispiel Glasfaserkabeln.
Eine wesentliche Herausforderung für die optische Leistungsübertragung ist die Bereitstellung einer ausreichend hohen Spannung für den Betrieb der durch die photovoltaische Zelle betriebenen elektrischen Verbraucher. Der Großteil der derzeit produzierten Solarzellen sind sogenannte Einfachsolarzellen, die aus nur einem pn-Übergang bestehen. Ihre Spannung wird wesentlich durch das verwendete Halbleitermaterial bestimmt. Vergleichsweise hohe Spannungen für Einfachzellen sind mit dem Halbleiter GaAs zu erreichen (E. Oliva et al., Photovoltaics: Research and Applications, 2008, 4(16), S. 289-295). Die offene Klemmenspannung liegt jedoch maximal im Bereich von 1,2 V und ist damit für den Betrieb von typischen elektronischen Schaltungen zu gering. Die bei diesen System eingesetzten DC/DC-Konverter müssen daher sehr hoch konvertieren.
Die Spannung und der Umwandlungswirkungsgrad von Solarzellen können bekanntlich mit monolithischen Mehrfachsolarzellen erhöht werden. Hierbei werden mehrere Teilzellen übereinander gestapelt. Die derzeit besten Solarzellen bestehen aus vier pn-Übergängen in unterschiedlichen Halbleitermaterialien, die intern über Tunneldioden seriell verschaltet sind (F. Dimroth, et al., IEEE Journal of Photovoltaics, 6(1), S. 343-349, 2016). Die nächste Generation von Mehrfachsolarzellen wird fünf oder mehr pn-Übergänge enthalten, um die Effizienz weiter zu steigern. Für die Umwandlung von Laserlicht wurden bereits Stapel von bis zu 20 Teilzellen realisiert (J . Schubert et al., IEEE Transactions on Electron Devices, 56(2), S. 170 - 175, 2009; S. Fafard et al., Applied Physics Letters, 109(13), S. 131107, 2016). Dabei wurden die pn-Übergänge mit Tunneldioden seriell verschaltet und somit die Ausgangsspannung der Bauteile im Vergleich zu Einfachzellen vervielfacht. Nach dem Stand-der-Technik werden die gestapelten Teilzellen dabei so ausgelegt, dass alle Teilzellen die gleiche Anzahl von Photonen absorbieren und somit den gleichen Strom erzeugen, sodass keine Teilzelle im Stapel den Gesamtstrom limitiert.
Die Verschaltung der in Serie geschalteten pn-Übergänge in Mehrfachzellen mit übereinander angeordneten Teilzellen nach dem Stand der Technik kann monolithisch oder auch mechanisch erfolgen. Die pn-Übergänge bestehen aus Halbleitermaterialien, insbesondere aus sogenannten III-V-Verbindungshalbleitern, bei denen es sich um Materialkompositionen der Elemente der III. und V. Hauptgruppe aus dem Periodensystem handelt, zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Galliumindiumarsenid (GalnAs) oder Galliumindiumphosphid (GaInP), Galliumindiumarsenidphosphid (GalnAsP) bzw. anderen Halbleitern, wie II-VI-Verbindungshalbleitern, Germanium oder Silizium. Mehrfachzellen werden häufig als monolithische Stapel realisiert. Die verschiedenen Halbleiterschichten werden also direkt übereinander gewachsen bzw. gestapelt. Dies ist beispielsweise durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, Metall Organic Vapor Phase Epitaxy) oder andere epitaktische Verfahren, wie beispielsweise LPE (Liquid Phase Epitaxy) oder MBE (Molecular Beam Epitaxy), auf ein dotiertes oder undotiertes Substrat in kristallinen Schichten aufgewachsen. Damit entsteht eine serielle Verschaltung der Teilzellen, bei der - wie nachstehend erläutert - der Gesamtstrom des Schichtstapels durch die Teilzelle mit dem geringsten Strom limitiert wird. Als Substrat können zum Beispiel Wafer aus Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder Indiumphosphid eingesetzt werden. Auf der Vorderseite einer monolithischen Mehrfachzelle wird im Regelfall eine partielle Metallisierung aufgebracht - das Kontaktgitter. Die Rückseite wird in der Regel ganzflächig metallisiert. Diese Metallisierungen dienen als Vorder- und Rückseitenkontaktierung. Mit diesen Metallisierungen kann Kontaktierung oder auch eine Verschaltung mehrerer einzelner Zellen erfolgen. Dazu werden meist metallische Verbinder, wie Drahtbonds oder Metallbänder, verwendet.
Bei gestapelten Mehrfachzellen, bei denen mehrere Zellen parallel zur Einstrahlungsrichtung übereinander gestapelt werden, ist eine Optimierung der Schichtdicken hinsichtlich der eingestrahlten Wellenlänge, des gewählten Materials und der Umgebung - z.B. der Temperatur - zwingend erforderlich. Die optimalen Schichtdicken werden so gewählt, dass alle Teilzellen den gleichen Photostrom generieren. Bereits bei geringen Abweichungen von der optimalen Schichtdicke kommt es zu einer Verringerung des Wirkungsgrades.
Eine weitere Alternative für die Realisierung von photovoltaischen Bauelementen mit erhöhter Ausgangsspannung stellen Multi-Segment-Zellen dar, wie sie beispielsweise aus US 5,342,451 bekannt sind. Diese basieren auf einer monolithischen seriellen Verschaltung von mehreren PV-Zellen in der Ebene, die auf einem isolierenden Substrat zur elektrischen Trennung der Segmente angeordnet sind. Mit diesem System ist eine Vervielfachung der Ausgangsspannung möglich. Allerdings zeigen derartige Multi-Segment-Zellen den Nachteil, dass hohe Anforderungen an die Justage gestellt werden müssen, da kleine Abweichungen sich stärker als bei Einzelzellen auswirken. Außerdem treten Flächenverluste aufgrund der Verschaltung durch die hierbei erforderlichen Isolationsgräben auf. Insoweit ist für diese Systeme eine deutlich aufwändigere Prozessierung mit mehr Photolithografie-Schritten notwendig, was auch mit höheren Herstellungskosten verbunden ist.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und photovoltaische Halbleiterbauelemente mit verbessertem Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das photovoltaische Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 15 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein photovoltaisches Halbleiterbauelement bereitgestellt, zur Konversion von monochromatischer Strahlungsleistung in elektrische Leistung mit mindestens einer der Strahlung zugewandten frontseitigen Teilzelle (1) und einer rückseitige Teilzelle (3), wobei die aus Halbleiterschichten gebildeten Teilzellen miteinander verschaltet sind und die Materialien der Halbleiterschichten und/oder die Schichtdicken der Halbleiterschichten so gewählt sind, dass mindestens eine Teilzelle eine gegenüber den anderen Teilzellen erhöhte Photonenabsorption zeigt, durch die ein Lumineszenzkopplungsprozess zur Umverteilung der durch die Strahlung generierten Ladungsträger in die anderen Teilzellen hervorgerufen wird, welcher ausgleichend bezüglich der ursprünglich ungleichen Absorption wirkt.
Unter quasi-monochromatischer Strahlung wird im Rahmen der vorliegneden Anmeldung Strahlung mit schmaler spektraler Bandbreite, wie sie z.B. von LEDs oder Lasern typischerweise emittiert wird, verstanden.
Es ist bevorzugt, dass sich die Absorbermaterialien von mindestens zwei Teilzellen hinsichtlich der Bandlücke unterscheiden, wobei diese Materialien zueinander gitterangepasst sind oder die Halbleiterschichten durch eine metamorphe Pufferschicht, welche Gitterversetzungen aufgrund von Gitterfehlanpassung der Materialien kompensiert und die für die einfallende Strahlung transparent ist, verbunden werden können.
Gemäß dem Stand der Technik ist es eine gängige Herangehensweise des Fachmanns, dass die Schichtdicke der Halbleiterschichten so gewählt werden, dass alle Teilzellen einer Mehrfachzelle die gleiche Photonenzahl absorbieren und damit den gleichen Photostrom generieren. Zur Vereinfachung der Herstellung würde der Fachmann dann Teilzellen aus dem gleichen Material wählen. Das einzusetzende Material der Halbleiterschichten hängt dabei von der Wellenlänge der monochromatischen Strahlung ab. Allerdings gibt es hinsichtlich des Materials limitierende Faktoren, wie z. B. die maximal mögliche Schichtdicke oder das Temperaturfenster für die Anwendung. Der Fachmann wird somit ein Material auswählen und dann die Schichtdicke so wählen, dass alle Teilzellen die gleiche Photonenzahl absorbieren.
Von dieser bekannten Herangehensweise wendet sich die vorliegende Erfindung nun ab, d. h. es wird eben nicht der Grundsatz verfolgt, dass alle Teilzellen die gleiche Photonenzahl absorbieren müssen. Vielmehr wird gezielt das System so eingestellt, dass einige Teilzellen mehr Licht absorbieren, so dass mindestens eine der Teilzellen den Strom der Mehrfachzelle limitiert. Am Beispiel einer Dreifachzelle soll die erfindungsgemäße Vorgehensweise beim Design der Mehrfachzelle verdeutlich werden. $M (1) = M (2) = M (3) = M_{W u n s c h}$
$A (1) = A (2) = \frac{1}{3} \cdot 110 %$
$A (3) = \frac{1}{3} \cdot 80 %$
Diese Dreifachzelle besteht aus drei Teilzellen, wobei die beiden oberen Teilzellen einen Stromüberschuss von jeweils 10% generieren, während die unterste Zelle einen um 20 % geringeren Strom zeigt - jeweils im Vergleich zur stromangepassten Situation.
Die daraus resultierende Strombegrenzung der Dreifachzelle durch die unterste Teilzelle wird durch den Effekt der Lumineszenz-Kopplung im Wesentlichen ausgeglichen - daher kann auch von einer „ursprünglichen Strombegrenzung“ gesprochen werden, tatsächlich wird diese durch Photonenaustausch (weitgehend) kompensiert. Dabei verändern sich die Arbeitspunkte der oberen beiden Teilzellen, was zu einem Anstieg des Füllfaktors der Gesamtkennlinie führt und damit in Summe mit dem minimalen Stromverlust (aufgrund nicht idealer Kopplung) die Effizienz des Systems, d. h. den Wirkungsgrad der Mehrfachzelle verbessert. Erfindungsgemäß kann somit durch ein gezieltes Abweichen von der üblichen Designvorschrift der Wirkungsgrad des Systems erhöht werden.

Um die Lumineszenz-Kopplung zu verbessern und zusätzlich die Spannung der Mehrfachzelle zu erhöhen, kann für die oberen Teilzellen ein Material mit erhöhter Bandlücke gewählt werden, z.B. eine Dreifachzelle aus Al_0.04Ga_0.96As/Al_0.02Ga_0.98As/GaAs (Bandlücken E_g= 1,446/1,433/1,424 eV). In diesem Fall wird erfindungsgemäß eine Designvorschrift angewandt, bei der zwei freie Parameter, d. h. die Schichtdicke der Teilzellen und die Materialwahl der (oberen) Teilzellen abgestimmt werden. Die unterste Teilzelle würde in diesem Fall aus dem für die Wellenlänge optimierten Material bestehen. Am Beispiel der oben genannten Dreifachzelle wird erfindungsgemäß folgende Designvorschrift verwendet:

M(1) = Material mit höherer oder gleicher Bandlücke als M_Wunsch

M(2) = Material mit höherer oder gleicher Bandlücke als M_Wunsch

M (3) = M_{W u n s c h}

A (1) = A (2) = \frac{1}{3} \cdot 110 %

A (3) = \frac{1}{3} \cdot 80 %

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Strahlung absorbierenden Halbleiterschichten aller Teilzellen aus dem gleichen Material mit gleicher Bandlücke oder aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher Bandlücke bestehen, wobei die Schichtdicke der rückseitigen Teilzelle größer als die Schichtdicke(n) der frontseitigen Teilzelle(n) ist/sind, insbesondere ist die Schichtdicke jeder Teilzelle größer oder gleich der Schichtdicke der darüber befindlichen Teilzelle.
Vorzugsweise kann das Absorbermaterial der rückseitigen Teilzelle eine geringere Bandlücke als die Materialien der frontseitigen Teilzelle aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Absorption der einfallenden Strahlen in den einzelnen Teilzellen im Idealfall von monochromatischen Strahlung über folgende Formel eingestellt, wenn man bei den Teilzellen von jeweils einem Lichtdurchlauf ausgehen kann, was insbesondere bei monotlithisch gestapelten Mehrfachzellen auf Substrat eine gute Annahme darstellt. $A (1) = 1 - exp (- α (λ_{L}, M (1)) \cdot d (1))$
$A (n) = (1 - \sum_{i = 1}^{n - 1} A (i)) \cdot (1 - exp (- α (λ_{L}, M (n)) \cdot d (n))$
mit:

n = Anzahl der Teilzellen
λ_L = Wellenlänge der einfallenden Strahlung
d(n) = Schichtdicke der absorbierenden Halbleiterschicht der Teilzelle n
M(n) = Material der absorbierenden Halbleiterschicht der Teilzelle n
α (λ_L, M) = Absorptionskoeffizient des Materials M bei der Wellenlänge λ_L
A(n) = Absorption in der Teilzelle n.

Im Falle von schmalbandiger Strahlung wird die Absorption über folgende Formel eingestellt: $A (1) = \frac{\int_{λ_{L}} [1 - exp (- α (λ_{L}, M (1)) \cdot d (1))] \cdot PF (λ_{L}) d λ_{L}}{\int {_{λ}}_{_{L}} PF (λ_{L}) d λ_{L}}$
$A (n) = (1 - \sum_{i = 1}^{n - 1} A (i)) \cdot \frac{\int_{λ_{L}} [1 - exp (- α (λ_{L}, M (n)) \cdot d (n))] \cdot PF (λ_{L}) d λ_{L}}{\int_{λ_{L}} PF (λ_{L}) d λ_{L}}$
mit:

PF(λ_L) = Photonenfluss in Abhängigkeit der Wellenlänge der genutzten Lichtquelle

Bei komplexeren Systemen, bei denen sich z.B. ein Spiegel auf der Rückseite der aktiven Schichten befindet, ändert sich die Berechnung der Absorption, da dann nicht mehr diese einfache Vorschrift genutzt werden kann. Für die Absorption der Teilzellen könnte man dann auf eine Transfermatrix, bzw. Streumatrixmethode zurückgreifen. Die folgende Designvorschrift für die gewünschten Verhältnisse der einzelnen Absorptionen ändert sich jedoch nicht. Die Materialien und Dicken sind so gewählt, dass die Absorption des von außen einfallenden Lichts mindestens einer Teilzelle größer ist als in den anderen Teilzellen, insbesondere in (n - 1) Teilzellen größer ist als in einer Teilzelle. Somit gilt nicht die generelle Regel: $A (1) = A (2) = \dots = A (n) = \frac{1}{n}$
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass eine Teilzelle eine geringere Absorption als die frontseitige(n) Teilzelle(n) aufweist, wobei die daraus resultierende Differenz im erzeugten Photostrom durch die auftretende Lumineszenzkopplung weitgehend ausgeglichen wird, z.B. zu 50%, bevorzugt zu 75%. Durch dieses Design kann der Füllfaktor der Kennlinie verbessert werden, was den geringen Stromverlust durch die nicht perfekte Kopplung überkompensieren kann und somit insgesamt zu einer höheren Systemeffizienz führt.
Es ist bevorzugt, dass die Teilzelle mit geringerer Absorption eine Fehlanpassung gegenüber einer gleichen Absorption in allen Teilzellen von 2 bis 25%, bevorzugt von 5 bis 20% gegenüber der/den anderen Teilzelle(n) aufweist.
Vorzugsweise ist das Material der Halbleiterschicht der Teilzelle mit geringerer Absorption GaAs und das Material der anderen Teilzelle(n) Al_xGa_1-xAs mit x= 0,01 bis 0,3.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Material der Halbleiterschicht der Teilzelle mit geringerer Absorption In0.53Ga0.47As und das Material der anderen Teilzelle(n) In_xGa_1-xAs_yP_1-y ist, wobei die Komposition (x,y) so gewählt ist, dass das Material gitterangepasst ist zu InP.
Die Teilzellen sind vorzugsweise über Tunneldioden miteinander verschaltet.
Das Halbleiterbauelement ist vorzugsweise eine monolithisch gestapelte Mehrfachzelle, wobei die Stapelrichtung parallel zur einfallenden Laserstrahlung zeigt. Es ist weiterhin bevorzugt, dass auf der rückseitigen Teilzelle ein Reflektor angeordnet ist, insbesondere ein dielektrisch-metallischer Reflektor, ein metallischer Reflektor, ein dielektrischer Reflektor oder ein Bragg-Reflektor.
Vorzugsweise ist auf der frontseitigen Teilzelle eine funktionelle Schicht angeordnet, die bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Antireflexionsschichten, Filterbeschichtungen oder Kombinationen hiervon, mit der Funktion die einfallende Strahlung möglichst gut in das Bauelement einzukoppeln oder durch strahlende Rekombination im Bauelement erzeugte Photonen möglichst gut im Bauelement einzufangen oder eine Kombination von beiden Effekten.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung des photovoltaischen Halbleiterbauelementes zur Konversion von monochromatischer Strahlungsleitung in elektrische Leistung bereitgestellt, bei dem die Materialien der Halbleiterschichten der Teilzellen und/oder die Schichtdicken der Halbleiterschichten der Teilzellen so gewählt sind, dass mindestens eine Teilzelle eine von den anderen Teilzellen abweichende Photonenabsorption zeigt, durch die ein Lumineszenzkopplungsprozess zur Umverteilung der photogenerierten Ladungsträger in die anderen Teilzellen hervorgerufen wird, welcher ausgleichend bezüglich der ursprünglich ungleichen Absorption wirkt.
Der Ablauf des Verfahrens basiert bevorzugt auf folgenden Schritten:

● Epitaktisches Wachstum der Halbleiterschichten auf einem Substrat, z. B. MOVPE-Wachstum einer n/p GaAs Unterzelle auf einem p-Typ GaAs Substrat
● alternierend Wachstum transparenter Tunneldioden und (gitterangepasste) n/p AlGaAs-Zellen gemäß der zuvor beschriebenen Designvorschrift
● nach Wachstum der obersten Teilzelle Abschluss Wachstum einer transparenten gitterangepassten n-Typ GaInP-Fensterschicht, welche zusätzlich den lateralen Ladungsträgertransport zu den Metallkontakten unterstützt
● als letzte Schicht folgt eine hochdotierte n-Typ GaAs Deckschicht für die Realisierung von niederohmschen Metall-Halbleiterkontakten
● Reinraum-Prozessierung mit photolithographischer Strukturierung: Abscheidung und Strukturierung einer geeigneten Metallabfolge für das Vorderseiten-Kontaktgrid
• anschließendes Annealing zur Erzeugung eines niederohmschen Vorderseitenkontakts
• Ätzen der Deckschicht an den nicht-metallisierten Flächen
• Abscheidung und Strukturierung einer Antireflexbeschichtung z. B. zweilagig hoch- und niederbrechend aus TaO und MgF, so dass die Vorderseitenmetallisierung kontaktierbar ist.
• Mesa-Ätzen zur elektrischen Trennung einzelner Photovoltaikzellen voneinander
• flächige Rückseiten-Metallisierung und Annealing zur Realisierung eines niederohmschen Rückseitenkontakts.

Erfindungsgemäß werden die Halbleiterbauelemente für die Überwachung von Hochspannungsleitungen, passive optische Netzwerke, Energieversorgung von und in aktiven Implantaten, störfreie Elektromagnetfeldmessung, blitzschlagsichere Überwachung von Windenergieanlagen, explosionssichere Sensorik in Flugzeugtanks, drahtlose Leistungsübertragung, galvanisch getrennte Leistungsversorgung für Sensorik in Hochspannungsumgebung, drahtloses Laden von Consumer Elektronik, sowie die Leistungsversorgung von Unterwasser-Observatorien verwendet.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Ausführungsform exemplarisch beschrieben, ohne das Verfahren auf den hier beschriebenen spezifischen Ablauf einschränken zu wollen.
Der Ablauf einer Variante des erfindungsgemäßen des Verfahrens, nämlich einer Al_0.04Ga_0.96As/Al_0.02Ga_0.98As/GaAs Dreifachzelle, basiert auf folgenden Schritten:
Epitaktisches Wachstum der Halbleiterschichten mittels MOVPE auf einem p-Typ GaAs Substrat mit 2-6° Verkippung nach <111>. Für das epitaktische Wachstum werden Arsin- und Phosphin-Quellen als Gruppe V-Precursoren verwendet. Trimethyl-Gallium, Trimethyl-Indium und Trimethyl-Aluminium werden als Gruppe III-Precursoren verwendet. Für die n/p Teilzellen werden von unten nach oben unterschiedlichen Kompositionen und Teilzelldicken hergestellt: GaAs (3500 nm), Al_0.02Ga_0.98As (916 nm), Al_0.04Ga_0.96As (635 nm). Die p-Typ Basis der Teilzellen wird jeweils mit Dimethyl-Zink auf p=1-4×10¹⁷ cm^-3 dotiert, der n-Typ Emitter mittels Silan auf n=2×10¹⁸ cm^-3. Das Rückseitenfeld und das Vorderseitenfeld (Fensterschicht) werden jeweils als gitterangepasstes p-Typ bzw. n-Typ GaInP (p-dotiert mit Dimethyl-Zink auf p=1×10¹⁸ cm^-3 bzw. n-dotiert mit Silan auf n=5×10¹⁸ cm^-3) ausgeführt mit einer Dicke von je 50 nm. Die oberste Fensterschicht wird 400 nm dick ausgeführt, um als transparente Querleitschicht den Stromtransport zu den Vorderseitenkontakten zu verbessern. Zwischen den Teilzellen werden transparente Tunneldioden ausgeführt bestehend aus einer hochdotierten n-Typ AlGaInP und einer hochdotierten p-Typ AIGaAs Schicht (Dotierung jeweils >1×10¹⁹cm^-3). Über der obersten Fensterschicht wird eine mittels Silan hochdotierte n-Typ GaAs Deckschicht (n=5×10¹⁸ cm^-3) gewachsen, um einen niederohmschen Kontakt zu ermöglichen. Als Vorderseitenkontakt wird eine AuGe oder PdGe basierte Metallisierung abgeschieden und photolithographisch strukturiert, mit einem spezifischen Kontaktwiderstand nach Einlegieren im Bereich 1-6×10^-6 Ωcm². Als Rückseitenkontakt wird eine vollflächige TiPdAg oder PdZnPdAu basierte Metallisierung aufgebracht. Die Deckschicht wird überall, wo keine Vorderseitenmetallisierung aufgebracht wurde mittels eines nasschemischen Ätzprozesses entfernt. Um die Reflexion zu minimieren wird im Anschluss eine zweilagige hoch- und niederbrechende Antireflexbeschichtung aus TaO und MgF abgeschieden und photolithographisch so strukturiert, dass die metallisierten Kontaktflächen (Sammelbusse) auf der Vorderseite frei und kontaktierbar bleiben. Abschließend werden die einzelnen Bauelemente auf dem Wafer mittels eines unselektiven nasschemischen Mesa-Ätzprozesses voneinander getrennt, d.h. das epitaktisch gewachsene Halbleitermaterial zwischen den aktiven Zellflächen entfernt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5342451 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

E. Oliva et al., Photovoltaics: Research and Applications, 2008, 4(16), S. 289-295 [0004]
F. Dimroth, et al., IEEE Journal of Photovoltaics, 6(1), S. 343-349, 2016 [0005]
J . Schubert et al., IEEE Transactions on Electron Devices, 56(2), S. 170 - 175, 2009 [0005]
S. Fafard et al., Applied Physics Letters, 109(13), S. 131107, 2016 [0005]

Claims

Photovoltaisches Halbleiterbauelement zur Konversion von schmalbandinger oder monochromatischer Strahlungsleistung in elektrische Leistung mit mindestens einer der Strahlung zugewandten frontseitigen Teilzelle (1) und einer rückseitige Teilzelle (3), wobei die aus Halbleiterschichten gebildeten Teilzellen miteinander verschaltet sind und die Materialien der Halbleiterschichten und/oder die Schichtdicken der Halbleiterschichten so gewählt sind, dass mindestens eine Teilzelle eine gegenüber den anderen Teilzellen erhöhte Photonenabsorption zeigt, durch die ein Lumineszenzkopplungsprozess zur Umverteilung der durch die Strahlung generierten Ladungsträger in die anderen Teilzellen hervorgerufen wird, welcher ausgleichend bezüglich der ursprünglich ungleichen Absorption wirkt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Materialien von mindestens zwei der Strahlung absorbierenden Halbleiterschichten hinsichtlich der Bandlücke unterscheiden, wobei diese Materialien zueinander gitterangepasst sind oder die Halbleiterschichten durch eine metamorphe Pufferschicht, die für die einfallende Strahlung transparent ist, getrennt sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung absorbierenden Halbleiterschichten aller Teilzellen aus dem gleichen Material mit gleicher Bandlücke oder aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher Bandlücke bestehen, wobei die Schichtdicke der rückseitigen Teilzelle größer als die Schichtdicke(n) der frontseitigen Teilzelle(n) ist/sind, insbesondere ist die Schichtdicke jeder Teilzelle größer oder gleich der Schichtdicke der darüber befindlichen Teilzelle.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorbermaterial der rückseitigen Teilzelle eine geringere Bandlücke als die Materialien der frontseitigen Teilzelle(n) aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption der einfallenden Strahlung in den einzelnen Teilzellen im Idealfall von monochromatischer Strahlung über die Formel: $A (1) = 1 - exp (- α (λ_{L}, M (1)) \cdot d (1))$
$A (n) = (1 - \sum_{i = 1}^{n - 1} A (i)) \cdot (1 - exp (- α (λ_{L}, M (n)) \cdot d (n)))$
und im Falle von schmalbandiger Strahlung über die Formel $A (1) = \frac{\int_{λ_{L}} [1 - exp (- α (λ_{L}, M (1)) \cdot d (1))] \cdot PF (λ_{L}) d λ_{L}}{\int {_{λ}}_{_{L}} PF (λ_{L}) d λ_{L}}$
$A (n) = (1 - \sum_{i = 1}^{n - 1} A (i)) \cdot \frac{\int_{λ_{L}} [1 - exp (- α (λ_{L}, M (n)) \cdot d (n))] \cdot PF (λ_{L}) d λ_{L}}{\int_{λ_{L}} PF (λ_{L}) d λ_{L}}$
eingestellt wird, wobei: n = Anzahl der Teilzellen λ_L = Wellenlänge der einfallenden Strahlung d(n) = Schichtdicke der absorbierenden Halbleiterschicht der Teilzelle n M(n) = Material der absorbierenden Halbleiterschicht der Teilzelle n α(λ_L,M) = Absorptionskoeffizient des Materials M bei der Wellenlänge λ_L PF(λ_L)= Photonenfluss in Abhängigkeit der Wellenlänge der genutzten Lichtquelle und A(n) = Absorption in der Teilzelle n und wobei die Materialien und Dicken so gewählt werden, dass die ursprüngliche Absorption in mindestens einer Teilzelle größer ist als in den anderen Teilzellen, insbesondere in (N-1) Teilzellen größer ist als in einer Teilzelle.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilzelle eine ursprünglich geringere Absorption als die frontseitige(n) Teilzelle(n) aufweist, wobei die daraus resultierende Differenz im erzeugten Photostrom durch die auftretende Lumineszenzkopplung ausgeglichen wird.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilzelle(n) mit ursprünglich geringerer Absorption eine Fehlanpassung im generierten Photostrom von 2 bis 25%, bevorzugt von 5 bis 20% gegenüber der/den anderen Teilzelle(n) aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Halbleiterschicht der Teilzelle mit ursprünglich geringerer Absorption GaAs und das Material der anderen Teilzelle(n) Al_xGa_1-xAs mit x= 0,01 bis 0,3 ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Halbleiterschicht der Teilzelle mit geringerer Absorption In_0.53Ga_0.47As und das Material der anderen Teilzelle(n) In_xGa_1-xAs_yP_1-y ist, wobei die Komposition (x,y) so gewählt ist, dass das Material gitterangepasst zu InP ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilzellen über Tunneldioden miteinander verschaltet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine monolithisch gestapelte Mehrfachzelle ist, wobei die Stapelrichtung bevorzugt parallel zur Laserstrahlung zeigt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der rückseitigen Teilzelle ein Reflektor angeordnet ist, insbesondere ein dielektrisch-metallischer Reflektor, ein metallischer Reflektor, ein dielektrischer Reflektor oder ein Bragg-Reflektor.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der frontseitigen Teilzelle ein funktionelle Schicht angeordnet ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Antireflexionsschichten, Filterbeschichtungen oder Kombinationen hiervon, mit der Funktion die einfallende Strahlung möglichst gut in das Bauelement einzukoppeln oder durch strahlende Rekombination im Bauelement erzeugte Photonen möglichst gut im Bauelement einzufangen oder eine Kombination von beiden Effekten.
Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Halbleiterbauelements zur Konversion von monochromatischer Strahlungsleistung in elektrische Leistung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Materialien der Halbleiterschichten der Teilzellen und/oder die Schichtdicken der Halbleiterschichten der Teilzellen so gewählt sind, dass mindestens eine Teilzelle eine von den anderen Teilzellen abweichende Photonenabsorption zeigt, durch die ein Lumineszenzkopplungsprozess zur Umverteilung der photogenerierten Ladungsträger in die anderen Teilzellen hervorgerufen wird, welcher ausgleichend bezüglich der ursprünglich ungleichen Absorption wirkt.
Verwendung des photovoltaischen Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere als optischer Empfänger in Optokopplern, für die Überwachung von Hochspannungsleitungen, passive optische Netzwerke, Energieversorgung von und in aktiven Implantaten, störfreie Elektromagnetfeldmessung, blitzschlagsichere Überwachung von Windenergieanlagen, explosionssichere Sensorik in Flugzeugtanks, drahtlose Leistungsübertragung, galvanisch getrennte Leistungsversorgung für Sensorik und Elektronik in Hochspannungsumgebung, galvanisch getrennte Leistungsversorgung für Sensorik und Elektronik in Magnetfeldumgebung, drahtloses Laden von Consumer Elektronik, sowie die Leistungsversorgung von Unterwasser-Observatorien.