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Die Erfindung betrifft eine stapelförmige Mehrfachsolarzelle.
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Ein monolithischer Solarzellenstapel ist aus W. Guter et al, „Investigation and development of III-V-triple-junction concentrator solar cells", in 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3-7 September 2007, Milan Italy, S.122-125, bekannt.
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Aus der
EP 2 251 912 A1 ist eine stapelförmige Mehrfachsolarzelle mit verbesserter Stromleitung zwischen den Solarzellen bekannt. Hierzu wird zwischen zwei aufeinanderfolgenden Solarzellen eine Tunneldiode mit zueinander verspannten entarteten Schichten angeordnet.
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Eine tensil verspannte entartete Schicht ist mit einer kompressiv verspannten entarteten Schicht kompensiert. Die entarteten Schichten sind entweder als mit Kohlenstoff dotierte entartete p+- oder als mit Tellur oder Silizium dotierte entartete n+-Schichten ausgeführt. Indem die Verspannung kompensiert ist, wirkt keine Verspannung auf die die Tunneldiode umgebenden Schichten, anders ausgedrückt die Summe der Verspannung ist null.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
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Die Aufgabe wird durch eine Mehrfachsolarzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird eine stapelförmige Mehrfachsolarzelle bereitgestellt, aufweisend mindestens eine erste Teilzelle, eine zweite Teilzelle und mindestens eine erste Tunneldiode.
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Die erste Teilzelle weist eine erste Bandlücke und eine erste Gitterkonstante auf.
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Die zweite Teilzelle ist über der ersten Teilzelle angeordnet und weist eine zweite Bandlücke und eine zweite Gitterkonstante auf, wobei die zweite Bandlücke größer als die erste Bandlücke ist.
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Zwischen der ersten Teilzelle und der zweiten Teilzelle ist eine erste Tunneldiode ausgebildet. Die erste Tunneldiode weist eine n+-Schicht und eine p+-Schicht auf.
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Die n+-Schicht der ersten Tunneldiode umfasst InGaP, wobei der Ga-Gehalt oberhalb von 20% bezogen auf das Ga/In-Verhätnis der n+-Schicht ist.
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Die p+-Schicht der ersten Tunneldiode umfasst ein As-haltiges III-V Material.
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Zwischen der n+-Schicht und der p+-Schicht ist eine Zwischenschicht angeordnet, wobei die Zwischenschicht jeweils dünner als die n+-Schicht und als die p+-Schicht ist.
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Es versteht sich weiterhin, dass der Begriff der Teilzelle synonym mit dem Begriff der Teilsolarzelle verwendet wird. Anders ausgedrückt besteht der Solarzellenstapel aus mehreren Teilsolarzellen, die miteinander mittels Tunneldioden in Serie verschaltet sind.
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Es sei angemerkt, dass die verschiedenen Schichten neben den angegebenen Materialien, beispielsweise InGaP oder As-haltiges III-V Material, zusätzlich auch weitere Elemente umfassen können.
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Auch sei angemerkt, dass die Zwischenschicht einteilig ausgebildet ist und epitaktisch mittels MOVPE hergestellt wird. Es versteht sich, dass zwischen zwei Teilzellen jeweils eine Tunneldiode ausgebildet ist.
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Bestehen Schichten aus einer gegebenen Materialkomposition, versteht es sich, dass zusätzlich zu der angeführten Materialkomposition insbesondere Dotierstoffe wie beispielsweise Zink oder Kohlenstoff oder Silizium mitumfasst sind, ohne dass die Dotierstoffe explizit erwähnt sind.
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Es versteht sich, dass die Mehrfachsolarzelle als aufrecht gewachsene Mehrfachsolarzellen oder als invertiert gewachsene Mehrfachsolarzellen ausgeführt ist.
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Des Weiteren sei angermerkt, dass die stapelförmige Mehrfachsolarzelle vorzugsweise überwiegend oder vollständig aus Teilzellen mit einem III-V Material bestehen. In einer Ausführungsform ist die Mehrfachsolarzelle vollständig monolithisch ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Mehrfachsolarzelle einen Waferbond, insbesondere um Teilzellen mit unterschiedlichen Gitterkonstanten stapelförmig auszubilden.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Zwischenschicht ist, dass mittels der Zwischenschicht ein unerwünschter Einbau von einem n-Dotierstoff in die p+-Schicht der Tunneldiode verringern lässt. Hierdurch lässt sich die Cross-Kontamination bei der Abscheidung unterdrücken.
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Es zeigte sich in überraschender Weise, dass sich der unerwünschte Einbau des n-Dotierstoffs mittels As-haltigen Schichten besser unterdrücken lässt, als mit phosphidhaltigen Schichten. Der Fachmann ist bisher fälschlicherweise davon ausgegangen, dass sich As-haltige Schichten, insbesondere GaAs wegen den Absorptionsverlusten nicht eignen. Durch die Absorptionsverluste wird der Wirkungsgrad der Mehrfachzelle verringert, indem die darunter liegenden Teilzellen weniger Licht erhalten.
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Die störende Absorption lässt sich jedoch unterdrücken, indem die GaAs Schicht sehr dünn, d.h. wenige nm dick auszuführen ist, dass sich in den Quantentöpfen der As-haltigen Zwischenschicht keine Zustände bzw. keine absorbierende Niveaus befinden.
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Hierdurch ist es möglich eine hohe Transparenz der Tunneldiode für die unter der Tunneldiode liegenden Teilzellen zu erreichen und gleichzeitig eine Tunneldiode mit einer hohen Peakstromdichte bereitzustellen und den Wirkungsgrad der Mehrfachsolarzelle zu erhöhen.
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In einer anderen Weiterbildung ist die Gitterkonstante der zweiten Teilzelle größer als die Gitterkonstante der ersten Teilzelle, d.h. die zweite Teilzelle ist zu der ersten Teilzelle nicht gitterangepasst. Um Verspannungen zwischen den beiden Teilzellen zu reduzieren, ist zwischen der ersten Teilzelle und der zweiten Teilzelle ein metamorpher Puffer angeordnet. Die erste Tunneldiode ist zwischen dem metamorphen Puffer und der zweiten Teilzelle angeordnet. Vorzugsweise umfasst die n+-Schicht der ersten Tunneldiode InxGax-1P mit x > 0,53 und < 0,75.
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Es sei angemerkt, dass der metamorphe Puffer vorzugsweise eine Abfolge von mindestens drei Schichten umfasst, wobei jede Schicht eine Gitterkonstante aufweist und die Gitterkonstanten der Schichten in Richtung der zweiten Teilzelle von Schicht zu Schicht ansteigt.
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Alternativ weist der metamorphe Puffer zwischen einer unteren Schicht und einer oberen Schicht eine nahezu lineare Änderung der Gitterkonstanten und / oder der Dotierung auf.
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In einer anderen Ausführungsform sind die erste Gitterkonstante und die zweite Gitterkonstante gleich groß. Vorzugsweise umfasst die n+-Schicht der ersten Tunneldiode InxGax-1P mit x > 0,45 und < 0,55.
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Einer aufgrund der höheren Bandlücke von InGaP auftretenden Reduktion des Tunnelstroms wird durch die erfindungsgemäße Zwischenschicht, bevorzugt eine GaAs-Zwischenschicht, entgegengewirkt.
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Gemäß alternativer Weiterbildungen umfasst die Zwischenschicht GaAs oder AlGaAs oder AlInAs oder AlInGaAs.
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Bevorzugt weist die Zwischenschicht eine Dicke kleiner 6 nm oder kleiner 4 nm auf und ist gemäß einer weiteren Ausführungsform mit Silizium mit einer Dotierstoffkonzentration von mindestens 1018 N/cm3 dotiert.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist die n+-Schicht der ersten Tunneldiode mit Silizium und/oder mit Tellur und/oder mit Selen und/oder mit Schwefel mit einer Dotierstoffkonzentration von ≥ 1019 N/cm3 dotiert.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die p+-Schicht der ersten Tunneldiode AlInAs und gemäß einer Weiterbildung AlxGayIn1-x-yAs mit x>0,4 oder AlGaAs.
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In einer anderen Weiterbildung ist die p+-Schicht der ersten Tunneldiode mit Kohlenstoff dotiert.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform entspricht eine Gitterkonstante der n+-Schicht der ersten Tunneldiode der zweiten Gitterkonstanten der zweiten Teilzelle und eine Gitterkonstante der p+-Schicht der ersten Tunneldiode ist gleich oder kleiner als die zweite Gitterkonstante der zweiten Teilzelle.
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In wieder einer anderen Ausführungsform weist die Mehrfachsolarzelle weitere Teilzellen auf, wobei jede Teilzelle jeweils eine weitere Bandlücke aufweist, die weiteren Teilzellen zwischen der ersten Tunneldiode und der ersten Teilzelle angeordnet sind und die Bandlücken der weiteren Teilzellen jeweils größer als die erste Bandlücke der ersten Teilzelle und jeweils kleiner als die zweite Bandlücke der zweiten Teilzelle sind.
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In einer Weiterbildung weist die Mehrfachsolarzelle mindestens eine weitere Tunneldiode auf. Die mindestens eine weitere Tunneldiode weist gemäß einer weiteren Weiterbildung eine weitere Zwischenschicht auf, wobei eine n+-Schicht der weiteren Tunneldiode InGaP umfasst, eine p+-Schicht der weiteren Tunneldiode ein As-haltiges III-V Material umfasst, die weitere Zwischenschicht zwischen n+-Schicht und p+-Schicht der weiteren Tunneldiode angeordnet ist. Die weitere Zwischenschicht ist jeweils dünner als die n+-Schicht und als die p+-Schicht der weiteren Tunneldiode.
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Bevorzugt umfasst die unterste Tunneldiode der weiteren Tunneldioden eine andere Zusammensetzung oder ist ohne Zwischenschicht ausgebildet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Mehrfachzelle als Ge / InGaAs / AlInGaAs / AlInGaP 4-fach Zelle ausgebildet, wobei die n+-Schicht der ersten Tunneldiode (TD1) InGaP umfasst. Es versteht sich, dass in der Ge / InGaAs / AlInGaAs / AlInGaP 4-fach Zelle die Teilsolarzelle SC2 aus AlInGaP gebildet ist und die Tunneldiode TD1 unterhalb der AlInGaP Teilsolarzelle angeordnet ist.
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In einer anderen alternativen Ausführungsform ist die Mehrfachsolarzelle als Ge / InGaAs / AlInGaAs / InGaP/ AlInGaP 5-fach Zelle ausgebildet, wobei die n+-Schicht der ersten Tunneldiode (TD1) InGaP umfasst. Es versteht sich, dass in der Ge / InGaAs / AlInGaAs / InGaP/ AlInGaP 5-fach Zelle die Teilsolarzelle SC2 aus AlInGaP gebildet ist und die Tunneldiode TD1 unterhalb der AlInGaP Teilsolarzelle angeordnet ist.
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In einer Weiterbildung besteht die erste Teilzelle zu mehr als 50% aus Germanium. Vorzugsweise ist die erste Teilzelle als Ge-Zelle ausgeführt und stellt gleichzeitig das Substrat der Mehrfachsolarzelle dar.
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In einer Weiterbildung ist die Mehrfachsolarzelle als monolithische Mehrfachsolarzelle ausgebildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigen, die:
- 1 eine schematische Ansicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer stapelförmigen monolithischen aufrecht-metamorphen Mehrfachsolarzelle,
- 2 eine schematische Ansicht auf eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle,
- 3 eine schematische Ansicht auf eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle
- 4 eine schematische Ansicht auf eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle.
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Die Abbildung der 1 zeigt eine stapelförmige monolithische aufrechtmetamorphe Mehrfachsolarzelle S aufweisend eine erste Teilzelle SC1 als unterste Teilzelle gefolgt von einem metamorphen Puffer MP1, einer Tunneldiode TD1 und einer zweite Teilzelle SC2 als oberster Teilzelle.
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Die erste Teilzelle SC1 weist eine erste Bandlücke EG1 und eine erste Gitterkonstante A1 auf und besteht zu mehr als 50% aus Germanium.
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Die zweite Teilzelle weist eine zweite Bandlücke EG2 auf und eine zweite Gitterkonstante A2 auf, wobei die zweite Bandlücke EG2 größer als die erste Bandlücke EG1 ist und sich die zweite Gitterkonstante A2 von der ersten Gitterkonstante A1 unterscheidet.
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Der metamorphe Puffer MP1 gleicht die Unterschiede zwischen den Gitterkonstanten A1 und A2 aus und umfasst hierfür eine Abfolge von mindestens drei Schichten mit in Richtung der zweiten Teilzelle SC2 von Schicht zu Schicht ansteigenden Gitterkonstanten.
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Die Tunneldiode TD1 ist zwischen dem metamorphen Puffer MP1 und der zweiten Teilzelle SC2 angeordnet und weist eine n+-Schicht, eine p+-Schicht und eine zwischen der n+-Schicht und der p+-Schicht angeordnete Zwischenschicht ZW auf.
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Die n+-Schicht der ersten Tunneldiode TD1 umfasst InGaP und die p+-Schicht der ersten Tunneldiode TD1 umfasst ein As-haltiges III-V Material.
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Die Zwischenschicht ZW ist jeweils dünner ist als die n+-Schicht und als die p+-Schicht ausgebildet.
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In der Abbildung der 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert.
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Die Mehrfachsolarzelle S umfasst zusätzlich eine dritte Teilzelle SC3 und eine vierte Teilzelle SC4, wobei die beiden weiteren Teilzellen SC3 und SC4 jeweils gitterangepasst zu der zweiten Teilzelle SC2 ausgebildet und zwischen dem metamorphen Puffer MP1 und der Tunneldiode TD1 angeordnet sind.
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In der Abbildung der 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 2 erläutert.
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In dieser Ausführungsform umfasst die Mehrfachsolarzelle S zusätzlich zu der dritten und vierten Teilzelle SC3 und SC4 noch eine weitere Tunneldiode TD3 mit einer erfindungsgemäßen Zwischenschicht. Die n+-Schicht der weiteren Tunneldiode umfasst InGaP, wobei die p+-Schicht der weiteren Tunneldiode ein As-haltiges III-V Material umfasst.
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Während eine zweite Tunneldiode TD2 zwischen dem metamorphen Puffer MP1 und der ersten Teilzelle SC1 eine n+-Schicht und eine p+-Schicht, aber keine Zwischenschicht umfasst, ist die dritte Tunneldiode TD3 zwischen der dritten Teilzelle SC3 und der vierten Teilzelle SC4 entsprechend der ersten Tunneldiode TD1 aufgebaut.
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Die dritte Tunneldiode TD3 weist entsprechend zwischen einer p+-Schicht und einer n+-Schicht eine weitere Zwischenschicht ZW2 auf.
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Die erste Teilzelle SC1 ist als Ge-Solarzelle bzw. Substrat ausgebildet, die dritte Teilzelle SC3 umfasst InGaAs, die vierte Teilzelle SC4 InAlGaAs und die zweite Teilzelle InAlGaP. Die p+-Schicht der ersten Tunneldiode TD1 umfasst AlInGaAs, die n+-Schicht umfasst InGaP und die Zwischenschicht ZW umfasst Ga(AI)As.
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In der Abbildung der 4 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 3 erläutert.
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Die Mehrfachsolarzelle ist als 5-fach Zelle ausgebildet. Auf der als Ge-Substrat ausgebildeten ersten Teilzelle SC1 ist eine zweite Tunneldiode TD2 angeordnet, wobei die zweite Tunneldiode TD2 keine Zwischenschicht umfasst.
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Auf der zweiten Tunneldiode TD2 folgt der metamorphe Puffer MP1, eine dritte Teilzelle SC3 aus InGaAs, eine dritte Tunneldiode TD3, eine vierte Teilzelle aus InAlGaAs, eine vierte Tunneldiode TD4, eine fünfte Teilzelle aus InGaP, die erste Tunneldiode TD1 sowie die zweite Teilzelle aus InAIGaP.
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Die erste Tunneldiode umfasst eine AlInGaAs-Schicht als p+-Schicht, eine InGaP-Schicht als n+-Schicht und zwischen der n+-Schicht und der p+-Schicht eine Zwischenschicht ZW aus Ga(AI)As.
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Die zweite Tunneldiode TD2 weist keine Zwischenschicht auf.
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Die dritte und die vierte Tunneldiode TD3 und TD4 weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel, wie die zweite Tunneldiode TD1, keine Zwischenschicht auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die n+-Schicht der dritten und vierten Tunneldiode InGaP.
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Alternativ umfasst auch die vierte Tunneldiode TD4 eine Zwischenschicht. Wiederum alternativ umfasst zusätzlich zu der vierten Tunneldiode TD4 auch die dritte Tunneldiode TD3 eine Zwischenschicht.
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Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Tunneldiode ohne weiteres auch in gitterangepasste Mehrfachsolarzellen, d.h. Solarzellenstapel ohne einen metamorphen Puffer einbauen lässt. Hierbei lässt sich die erste Zelle auch aus einem anderen Material als Germanium z.B. aus GaAs ausbilden.
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Es sei des Weiteren angemerkt, dass die stapelförmige Solarzelle auch als intervertiert gewachsene Mehrfachsolarzelle mit und ohne metamorphen Puffer ausbilden lässt. Hierbei lassen sich alle Varianten auch monolithisch ausbilden. In einer anderen Weiterbildung umfasst die Mehrfachsolarzelle einen oder mehrere Waferbond und / oder einen metamorphen Puffer.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- W. Guter et al, „Investigation and development of III-V-triple-junction concentrator solar cells“, in 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3-7 September 2007, Milan Italy, S.122-125 [0002]
