DE102019105117B4 - Absorber für eine photovoltaische Zelle mit erhöhter Leerlaufspannung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Absorber (1) für eine photovoltaische Zelle (100), der dazu ausgebildet ist, auftreffende Photonen (200) zu absorbieren und deren Energie in einen angeregten Zustand eines Ladungsträgers (201)in dem Absorber (1) umzusetzen, wobei der Absorber (1) einen ersten Bereich (10) aufweist, der aus kristallinem, insbesondere n-dotiertem Silicium besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (10) eine Vielzahl an Domänen (2) einschließt, wobei die Domänen (2) aus amorphem, insbesondere n-dotiertem Silicium bestehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Absorber für eine photovoltaische Zelle, wobei der Absorber insbesondere im Vergleich zu einem aus kristallinem Silicium bestehenden Absorber eine erhöhte Leerlaufspannung aufweist.
  • Photovoltaische Zellen, gemeinhin auch als Solarzellen bezeichnet, umfassen typischer Weise einen Absorber, der dazu ausgebildet ist, auftreffende Photonen zu absorbieren und deren Energie in einen angeregten Zustand eines Ladungsträgers in dem Absorber umzusetzen.
  • Aus dem Stand der Technik sind insbesondere im Bereich von siliciumbasierten photovoltaischen Zellen Absorber bekannt, die aus kristallinem Silicium bestehen, d.h. der Absorber wird aus einer Schicht aus kristallinem Silicium gebildet.
  • In der US 2011/0120537 A1 ist eine auf Silicium basierende photovoltaische Zelle offenbart, in der polykristalline und amorphe Siliciumschichten in Schichtstapeln durch ein Druckverfahren aufgebracht sind und die polykristallinen Schichten dabei eine Strukturierung ihrer Oberfläche aufweisen. Die Schichtung wirkt dabei insgesamt als p-n-Übergang.
  • Die US 2009/0071539 A1 offenbart eine auf Silicium basierende photovoltaische Zelle, in der die Absorberschicht aus Silicium hergestellt wird, in dem kristalline Silicium-Nanopartikel in amorphen Siliciumprekusoren (Silane) dispergiert werden und diese Mischung anschließend gesintert wird. Die so entstehenden Schichten bilden jeweils einen Teil eines p-n-Übergangs in einer photovoltaischen Zelle.
  • Zur Charakterisierung von photovoltaischen Zellen wird eine Vielzahl von Parametern herangezogen. Ein besonders wichtiger Parameter ist neben der Kurzschlussstromdichte, die Leerlaufspannung. Je größer diese beiden Parameter ausfallen, desto mehr Energie kann von einer solchen photovoltaischen Zelle produziert werden, sofern andere Parameter wie, beispielsweise der Serienwiderstand gleich bleiben.
  • Die Leerlaufspannung ist eine Funktion der von einfallenden Photonen erzeugten freien Ladungsträgerdichte des Absorbers. Ein Ziel in der Photovoltaik-Industrie ist daher, diese Leerlaufspannung möglichst hoch zu gestalten.
  • Dieses Ziel kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Einige Ansätze verwenden Solarkonzentratoren, um einfallendes Sonnenlicht auf eine kleinere Fläche zu bündeln, so dass pro Flächeneinheit einer photovoltaischen Zelle Licht mit einer erhöhten Photonendichte auftrifft und so mehr Ladungsträger pro Volumen im Absorber erzeugt werden, was zu einer erhöhten Ladungsträgerdichte im Absorber führt. Diese Lösung erfordert allerdings zusätzliche optische Einrichtungen, wie beispielsweise einen „Sun-Tracker“, welcher die photovoltaische Zelle dem Sonnenlicht nachführt oder optische Sonnenlichtkonzentratoren. Solche Einrichtungen erfordern allerdings einen erhöhten Herstellungs- und Wartungsaufwand, was zu unerwünschten Kosten führt.
  • Als alternative Lösung offenbart der Stand der Technik die Möglichkeit, den Absorber, bestehend beispielsweise aus monokristallinem Silicium, möglichst dünn zu gestalten, so dass das Volumen des Absorbers möglichst gering gehalten wird. Bei diesen Lösungen wird zusätzlich eine reflektierende Schicht hinter dem Absorber angeordnet, welche die Photonen, die aufgrund der geringen Dicke des Absorbers beim ersten Durchgang durch den Absorber nicht absorbiert wurden, abermals durch den Absorber reflektiert, so dass die Absorptionswahrscheinlichkeit im Absorber in etwa verdoppelt und damit die generierte Ladungsträgerzahl pro Volumen erhöht wird.
  • Ein Nachteil dieser Technologie ist, dass man insbesondere die dazu verwendeten Silizium Wafer nicht beliebig dünn gestalten kann, da sich die mechanische Stabilität solcher dünnen Schichten aus kristallinem Silizium verschlechtert und eine anvisierte Lebensdauer von 30 Jahren dann nicht gewährleistet werden kann.
  • Alternativ eingesetzte photovoltaische Zellen aus amorphem Silicium, die deutlich dünner hergestellt werden können, erreichen nicht die hohen Wirkungsgrade von kristallinem Silicium.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine Erhöhung der Leerlaufspannung einer photovoltaischen Zelle erreicht werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Problem wird durch einen Absorber der eingangs genannten Art gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
  • Gemäß Anspruch 1 weist ein erfindungsgemäßer Absorber für eine photovoltaische Zelle, der dazu ausgebildet ist, auftreffende Photonen zu absorbieren und deren Energie in einen angeregten Zustand eines Ladungsträgers in dem Absorber umzusetzen, einen ersten Bereich auf, der aus kristallinem, insbesondere monokristallinem Silicium, welches entsprechend einer Ausführungsform insbesondere aus dotiertem Silicium gebildet ist, besteht, wobei der erfindungsgemäße Absorber dadurch gekennzeichnet, ist dass der erste Bereich eine Vielzahl an Domänen vollständig einschließt, wobei die Domänen aus amorphem, entsprechend einer Ausführungsform insbesondere aus amorphem dotiertem Silicium bestehen.
  • Eine Dotierung im Sinne der Erfindung umfasst beispielsweise eine Beimengung von Elektronen-Donatoren (n-Dotierung) oder von Elektronen Akzeptoren (p-Dotierung). n-dotiertes Silicium weist insbesondere Elemente aus der fünften Hauptgruppe wie beispielsweise Phosphor, Arsen oder Antimon auf.
  • In einer Ausführungsform ist die Dotierung des ersten Bereichs und der Domänen eine n-Dotierung.
  • Der Begriff „kristallines Silicium“ bezieht sich insbesondere auf eine geordnete Kristallstruktur, die von Silicium ausgebildet wird, wobei die Silicium Atome in einem regelmäßigen Kristallgitter angeordnet sind. Kristallines Silicium wird auch mit cSi bezeichnet. Im Sinne der Erfindung ist mit dem Begriff „kristallines Silicium“ insbesondere auch kristallines dotiertes Silicium umfasst. D.h. der aus kristallinem Silicium bestehende erste Bereich besteht insbesondere aus kristallinem dotiertem Silicium.
  • Der erste Bereich ist insbesondere zusammenhängend. Weiterhin erstreckt sich der erste Bereich insbesondere entlang des Absorbers, insbesondere des gesamten Absorbers, welcher insbesondere als Schicht ausgebildet ist.
  • Der erste Bereich erstreckt sich nicht in die Domänen hinein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht der erste Bereich aus n-dotiertem, kristallinem Silicium (n-cSi).
  • Der Absorber ist insbesondere dazu ausgebildet, Photonen aus dem Bereich des ultravioletten, sichtbaren und/oder des infraroten Spektrums zu absorbieren. Das sichtbare Spektrum erstreckt sich insbesondere von 400 nm bis 700 nm. Das Infrarotspektrum umfasst insbesondere Licht mit Wellenlängen zwischen 700 nm und 1500 nm. Der ultraviolette Bereich des Spektrums erstreckt sich insbesondere zwischen 100 nm und 400 nm.
  • Ein Ladungsträger kann ein Elektron oder ein Defektelektron sein.
  • Eine Domäne im Sinne der Erfindung ist ein räumlich begrenzter zusammenhängender Bereich. Eine Domäne ist insbesondere ein drei-dimensionaler Bereich, der beispielswies einen Außendurchmesser und/oder einen Innendurchmesser aufweist. Dabei ist der Innendurchmesser insbesondere größer als 1 µm, insbesondere größer als 10 µm, insbesondere größer als 50 µm. Jede Domäne weist insbesondere einen Innendurchmesser auf, der kleiner ist als eine Dicke, einer aus dem ersten Bereich gebildeten ersten Schicht, so dass jede Domäne vollständig innerhalb der ersten Schicht angeordnet ist.
  • Jede Domäne bildet eine Grenzfläche zwischen dem kristallinen Silicium im ersten Bereich und dem amorphen Silicium aus, wobei diese Grenzflächen Heteroübergänge im Absorber bilden. Die Grenzflächen können im Grenzfall auch als Grenzschichten angesprochen werden.
  • Die Heteroübergänge werden durch die unterschiedlichen Strukturen des Siliciums im ersten Bereich, kristallin, und in den Domänen, amorph, erzeugt. Die unterschiedlichen Strukturen bewirken dabei unterschiedliche Bandlücken, i.e. dem energetischen Abstand zwischen Valenz - und Leitungsband, von kristallinem und amorphem Silicium.
  • Da die Domänen mit amorphen Silicium eine größere Bandlücke als kristallines Silicium im ersten Bereich aufweisen, bilden die Domänen eine Potentialbarriere, die dazu führt, dass die Ladungsträger sich nicht vom ersten Bereich in die Domänen bewegen, wohl aber aus den Domänen in den ersten Bereich, so dass eine Aufkonzentration der Ladungsträger im ersten Bereich erreicht wird. Der erste Bereich weist zudem zugleich, durch die Anwesenheit der Domänen, ein reduziertes Volumen auf, was den Effekt der Aufkonzentration erhöht. Insgesamt führt die Zunahme an Ladungsträgern im ersten Bereich des Absorbers zu einer erhöhten Leerlaufspannung in einer photovoltaischen Zelle, in der ein solcher erfindungsgemäßer Absorber zum Einsatz kommt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Domänen inselartig in den ersten Bereich eingebettet. Der Begriff „inselartig“ bezieht sich insbesondere auf eine drei-dimensionale Form der Domänen, die zwar eine unregelmäßige, d.h. nicht glatte Oberfläche oder Grenzfläche aufweisen kann, aber von allen Seiten entlang der Grenzfläche vollständig vom ersten Bereich umfasst und/oder umgeben ist.
  • Insbesondere hat jede Domäne ein im ersten Bereich abgeschlossenes Volumen, das amorphes Silicium umfasst. Dieses Volumen ist insbesondere durch die Grenzfläche begrenzt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Domänen blasenförmig und/oder sphärisch.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine Domäne, und insbesondere alle Domänen tropfen-, kugel-, ellipsoiden,- oder quaderförmig oder eine Mischung daraus.
  • Der Begriff „amorphes Silicium“ umfasst insbesondere alle Formen von Silicium, die eine nicht-kristalline Form annehmen. Amorphes Silicium wird auch mit aSi bezeichnet. Im Sinne der Erfindung ist mit dem Begriff „amorphes Silicium“ insbesondere auch amorphes dotiertes Silicium umfasst. D.h. die aus amorphem Silicium bestehenden Domänen bestehen insbesondere aus amorphem dotiertem Silicium.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die Domänen aus n-dotiertem, amorphem Silicium (n-aSi), entsprechend einem ersten Bereich aus n-dotiertem, kristallinem Silicium.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bestehen die Domänen aus p-dotiertem, amorphem Silicium (p-aSi) und der erste Bereich aus p-dotiertem, kristallinem Silicium (p-cSi).
  • Das im Absorber verwendete Silicium hat im ersten Bereich und in den Domänen insbesondere eine ausreichend hohe Reinheit, wie sie üblicher Weise für photovoltaik-Vorrichtungen vorgesehen ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Domänen einen Innenradius von zumindest 20%, insbesondere mindestens 25% insbesondere mindestens 40% einer Dicke (d) des ersten Bereichs aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der doppelte Innenradius der Domänen größer als 90% der Schichtdicke des ersten Bereichs.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Domänen einen Innenradius von mehr als 30 µm, insbesondere von mehr als 50 µm aufweisen.
  • Der Innenradius einer Domäne ist insbesondere der Radius der größten (gedachten) Kugel, die gerade noch vollständig von der Domäne umschlossen wird.
  • Insbesondere gilt, dass, je größer das von den Domänen eingenommene Volumen im Vergleich zu dem Volumen, des kristallinen Siliciums des ersten Bereichs in der ersten Schicht eingenommen wird, ist, desto höher eine daraus resultierende Ladungsträgerdichte im ersten Bereich ausfällt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Innendurchmesser, also der zweifache Innenradius der Domänen nahezu gleich groß ist wie eine Schichtdicke des ersten Bereichs.
  • Insbesondere im Fall einer räumlich variierenden Schichtdicke des ersten Bereichs, bezieht sich die Größe des Innenradius auf die Dicke des ersten Bereichs, der die jeweilige Domäne unmittelbar umgibt.
  • Der Begriff „Schichtdicke“ bezieht sich insbesondere auf die Erstreckungsrichtung der ersten Schicht des Absorbers entlang ihrer geringsten räumlichen Ausdehnungsgröße.
  • In besonders vorteilhafter Weise, sind die Domänen untereinander berührungslos in dem ersten Bereich angeordnet und vollständig vom ersten Bereich umschlossen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der erste Bereich in einer Schicht, die eine Schichtdicke von mehr als 100 µm aufweist, insbesondere genau 150 µm, insbesondere 300 µm oder mehr.
  • Diese Schichtdicken des ersten Bereichs erlauben eine dauerhaft mechanisch stabile photovoltaische Zelle herzustellen und gleichzeitig die Vorteile, wie sie einer möglichst dünnen Ausführung der kristallinen Silicium Schicht entsprechen, zu gewährleisten.
  • Gemäß einer weitergehenden Fortbildung der Erfindung ist der Absorber oder die Schicht aus einem Wafer, bestehend aus kristallinem, insbesondere dotiertem Silicium hergestellt.
  • Der Begriff „Wafer“ bezieht sich insbesondere auf eine ebene quaderförmige oder zylinderförmige Scheibe aus monokristallinem Silicium, die insbesondere eine Dicke von 150 µm oder mehr aufweist und insbesondere eine quadratische bzw. kreisförmige Grundform insbesondere mit einer Kantenlänge von 10 cm x 10 cm bzw. mit einem Radius von ca. 5 cm aufweist.
  • Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Absorber also ausgehend von einem Wafer gefertigt werden. Dazu werden die Domänen insbesondere im Nachhinein in den Wafer eingebracht, z.B. durch hochenergetische Strahlung, die zu einem Auflösen der Kristallstruktur des Siliciums in den Domänen führt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Wafer eine Dicke von mindestens 100 µm, insbesondere mindestens 150 µm, insbesondere mindestens 300 µm auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, hat der Absorber eine Dicke die gleich der Dicke des Wafers ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verhältnis eines von dem kristallinen Silicium eingenommenen Volumens des ersten Bereichs zu einem von dem amorphen Silicium eingenommenen Volumen der Domänen kleiner als 0,9 ist.
  • Dieses Verhältnis ergibt sich aus einer möglichst dichten Anordnung von kugelförmigen Domänen in einem quaderförmigen Wafer.
  • Dieses Verhältnis kann erfindungsgemäß auch für andere Domänengeometrien Anwendung finden.
  • In besonders vorteilhafter Weise sind die Domänen durch Zwischenräume voneinander getrennt im ersten Bereich angeordnet, wobei die Zwischenräume aus kristallinem Silicium des ersten Bereichs bestehen.
  • So wird vermieden, dass die Domänen eine durchgehende Schicht aus amorphem Silicium in der ersten Schicht ausbilden, welche andere Parameter des Absorbers nachteilig verändern könnten.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der erste Bereich über eine gesamte laterale Ausdehnung des Absorbers oder des Wafers insbesondere durchgehend und/oder zusammenhängend.
  • Die laterale Ausdehnung des Absorbers bezieht sich insbesondere auf Richtungen senkrecht zur Schichtdicke, also auf die Richtungen, die entlang der größten Ausdehnung des Absorbers zeigen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der erste Bereich zumindest eine Schicht auf, die sich durchgehend, insbesondere ohne Unterbrechung, als kristalliner Bereich lateral entlang des Absorbers erstreckt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der erste Bereich zumindest eine Schicht auf, die sich zusammenhängend lateral entlang des Absorbers erstreckt. Insbesondere erstreckt sich der erste Bereich zusammenhängend entlang einer lateralen Erstreckungsrichtung des Absorbers. Demgemäß ist der erste Bereich zwar von Domänen durchsetzt, aber nicht so, dass zwei nicht zusammenhängende Regionen des ersten Bereichs erzeugt werden, es sei denn, dies erfolgt gezielt im Rahmen einer Zell- Modularchitektur / Verschaltung in einer photovoltaischen Zelle.
  • Das erfindungsgemäße Problem wird weiterhin durch eine photovoltaische Zelle gelöst.
  • Danach ist vorgesehen, dass die photovoltaische Zelle zumindest einen erfindungsgemäßen Absorber, der nach einer der vorgestellten Ausführungsformen ausgestaltet ist, aufweist, wobei auf zumindest einer lateral erstreckten Seite des Absorbers, insbesondere des ersten Bereichs, insbesondere auf beiden lateral erstreckten Seiten des Absorbers, insbesondere des ersten Bereichs, zumindest eine Schicht aus amorphem Silicium angeordnet ist.
  • Der Absorber oder die erste Schicht weisen dabei die lateral erstrecken Seiten in Form von Seitenflächen (auch als Stirnflächen bezeichnet) auf, auf der die zumindest eine amorphe Silicium Schicht angeordnet ist.
  • Die Stirnflächen erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu der Dicke des Absorbers.
  • Die photovoltaische Zelle weist überdies insbesondere noch Kontaktbereiche auf, die in elektrischen Kontakt mit der mindestens einen Schicht aus amorphen Silicium stehen. Die Kontaktbereiche sind insbesondere aus einem transparenten leitfähigen Kontaktfilm, wie beispielsweise einem transparenten leitfähigen Oxid, wie ITO, gebildet, der auf der zumindest einen amorphen Siliciumschicht angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind auf zumindest einer lateral erstreckten Seite zwei Schichten aus amorphem Silicium übereinander lateral erstreckt angeordnet, wobei eine erste an den Absorber angrenzende, insbesondere direkt angrenzende amorphe Siliciumschicht der zwei Siliciumschichten aus nicht, oder nur leicht dotiertem amorphen Silicium (i-aSi) besteht und eine zweite Siliciumschicht auf der dem Absorber abgewandten Seite an die erste Schicht angrenzt und insbesondere direkt angrenzt, wobei die zweite Siliciumschicht aus amorphen, insbesondere n-dotiertem Silicium besteht (n-aSi).
  • Die Schichten bilden damit eine Sandwichstruktur mit dem Absorber.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind auf beiden lateral erstreckten Seite jeweils zwei Schichten aus amorphem Silicium übereinander lateral erstreckt angeordnet, wobei eine erste an den Absorber angrenzende insbesondere direkt angrenzende amorphe Siliciumschicht der zwei Siliciumschichten aus nicht, oder nur leicht dotiertem amorphen Silicium (i-aSi) besteht und eine zweite Siliciumschicht auf der dem Absorber abgewandten Seite an die erste Schicht angrenzt und insbesondere direkt angrenzt, wobei die zweite Siliciumschicht aus amorphen, insbesondere n-dotiertem Silicium besteht (n-aSi).
  • Die Schichten bilden damit eine Sandwichstruktur mit dem Absorber, der hierbei in als zentrale Schicht angeordnet ist.
  • Die erste und zweite Schicht aus amorphem Silicium weist insbesondere eine kleinere Schichtdicke auf als der Absorber und/oder der erste Bereich.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere direkt auf der zweiten Schicht aus amorphen Silicium auf einer dem Absorber abgewandten lateral erstreckten Seite eine elektrisch leitfähige transparente Schicht angeordnet, die mit der zweiten Schicht aus amorphen Silicium in direktem elektrischem Kontakt steht.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figurenbeschreibung und von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Abbildungen sind dabei lediglich schematische Natur. Es zeigen
    • 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Absorbers
    • 2 drei Diagramme, die die Auswirkungen der Domänengröße auf verschiedene Parameter eines erfindungsgemäßen Absorbers oder einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Zelle darstellen; und
    • 3 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Zelle.
  • In 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Absorber 1 dargestellt. Der Absorber 1 weist einen rechteckigen Querschnitt auf und erstreckt sich entlang einer lateralen Erstreckungsrichtung x (der längeren Seite des Rechtecks) und einer dazu senkrechten Richtung y, die entlang der Dicke d der Schicht des Absorbers 1 (kurze Seite des Rechtecks) weist. Der Absorber 1 erstreckt sich weiterhin entlang einer weiteren lateralen Erstreckungsrichtung, die senkrecht zur Schnittebene x,y verläuft und im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften hat, wie die dargestellte laterale Erstreckungsrichtung x.
  • Der Absorber 1 besteht aus einem ersten Bereich 10, der aus kristallinem Silicium gebildet ist, in diesem Beispiel aus n-dotiertem, kristallinem Silicium. In den ersten Bereich 10 sind Domänen 2 aus amorphem Silicium, in diesem Beispiel aus n-dotiertem, amorphem Silicium, eingebettet oder eingebracht. Diese Domänen 2 sind insbesondere durch eine Behandlung des kristallinen Siliciums des Absorbers 1 erzeugt worden. Eine solche Behandlung kann das Bestrahlen des Absorbers 1 mit entsprechender hoch-energetischer, insbesondere Teilchen-Strahlung sein, die dazu geeignet ist, das kristalline Silicium in amorphes Silicium zu überführen.
  • Die dargestellten Domänen 2 sind vollständig von dem ersten Bereich 10 umgeben und sind daher inselartig im Absorber 1 angeordnet. Die dargestellten Domänen 2 sind kugelförmig mit Radius R. Andere Formen sind denkbar und herstellbar.
  • Die Grenze zwischen den Domänen 2 und dem ersten Bereich 10 bildet eine Grenzfläche 3 oder Grenzschicht, die ein Heteroübergang ist. Der Heteroübergang kommt durch die unterschiedlich hohen Bandlücken von kristallinem Silicium (ca. 1,1 eV) und amorphem Silicium (ca. 1,7 eV) zustande.
  • Freie Ladungsträger 201 können im Wege von Lichtabsorption sowohl in den Domänen 2 als auch im ersten Bereich 10 erzeugt werden. Die freien Ladungsträger 201 bewegen sich frei durch den ersten Bereich 10 können aber aufgrund des Heteroübergangs an den Grenzflächen 3 zwischen den Domänen 2 und dem ersten Bereich 10 nicht in die Domänen 2 gelangen. Umgekehrt können sich die Ladungsträger 201 aus den Domänen 2 herausbewegen, was zu einer Aufkonzentrierung der freien Ladungsträger 201 im ersten Bereich 10 führt, so dass in einer photovoltaischen Zelle 100 (siehe 3) eine erhöhte Leerlaufspannung (siehe 2) erzeugt werden kann.
  • Durch die Domänen 2 wird also ein Volumen, in dem sich die Ladungsträger 201 vorwiegend befinden, reduziert.
  • Es wird angemerkt, dass analog zu dem ausgeführten Beispiel auch ein Absorber mit p-Dotierung in der gleichen Weise strukturiert sein kann. D.h. der erste Bereich besteht dann aus kristallinem p-dotiertem Silicium (p-cSi) und die Domänen aus p-dotiertem amorphem Silicium (p-aSi).
  • 2 zeigt drei Diagramme A, B, C, die die Auswirkungen der Domänengröße auf verschiedene Parameter des Absorbers 1 illustrieren.
  • Für die Berechnungen wurden kugelförmige Domänen angenommen, wobei alle Domänen gleich groß sind. Weiterhin wurde ein Absorber mit den Maßen 100 mm x 100 mm x 0,15 mm für die Berechnungen zugrunde gelegt.
  • Diagramm A, zeigt eine Verringerung eines Volumens, in dem sich die freien Ladungsträger bewegen können, also das Volumen des ersten Bereichs, in Abhängigkeit des Radius der Domänen.
  • Der maximale Kugelradius -als Grenzfall- entspricht dabei weniger als der Hälfte der Dicke des Absorbers, hier also 75 µm. Größere kugelförmige Domänen können nicht vom ersten Bereich umfasst werden.
  • Aus Diagramm A geht hervor, dass das Volumen des ersten Bereichs mit zunehmendem Kugelradius der Domänen nicht-linear abnimmt. Es kann eine Verkleinerung des Volumens des ersten Bereichs mit zunehmendem Kugelradius von 1,5 cm3 auf ca. 0,75 cm3 beobachtet werden.
  • In Diagramm B ist über die gleiche Spanne von Kugelradien der Domänen die damit verbundene Ladungsträgerdichte Erhöhung im ersten Bereich dargestellt. Auch hier verdoppelt sich die Ladungsträgerdichte (Ladungsträger pro Kubikzentimeter) entlang eines nicht-linearen Verlaufs mit ansteigendem Kugelradius der Domänen.
  • In Diagramm C ist die Erhöhung der Leerlaufspannung mit ansteigendem Kugelradius der Domänen dargestellt. Bei einem Kugelradius von 70 µm kann eine Erhöhung von ca. 14 mV der Leerlaufspannung erreicht werden.
  • 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer photovoltaischen Zelle 100 mit einem erfindungsgemäßen Absorber 1. Der Absorber 1 ist im Wesentlichen wie bereits in 1 erläutert aufgebaut und strukturiert. Insbesondere besteht der erste Bereich 10 aus kristallinem, n-dotiertem Silicium. Auf der Ober- und Unterseite (Stirnseiten) des Absorbers 1, die sich entlang einer lateralen Seitenfläche 5, 5' des Absorbers 1 erstecken, ist jeweils in direktem Kontakt mit dem Absorber 1 und dem ersten Bereich 10 eine vergleichsweise dünne erste Schicht 6, 6' aus nicht- oder nur geringfügig dotiertem amorphen Silicium (i-aSi) aufgebracht. Auf dieser Schicht 6, 6' wiederum ist je eine zweite Schicht 7, 7' aus amorphem, n-dotiertem Silicium (n-aSi) in direktem Kontakt aufgebracht.
  • Auf dieser zweiten Schicht 7, 7' aus amorphem n-dotiertem Silicium ist abschließend je ein transparenter und leitfähiger Film 8, 8' aufgebracht, der in elektrischem Kontakt mit der zweiten Schicht 7, 7' steht. Dieser Film 8, 8' besteht beispielsweise aus ITO oder ZnO:AI.
  • Auf einer Stirnseite 9' der photovoltaischen Zelle 100, die dem einfallenden Licht bzw. den einfallenden Photonen 200 zugewandt ist, befinden sich in regelmäßigen Abständen elektrische Leiterbahnen 11 aus Silber, die den elektrische leitfähigen Film 8' elektrisch gitterförmig kontaktieren und den von der Zelle 100 erzeugten Solarstrom zu einem elektrischen Ausgang der photovoltaischen Zelle 100 führen (nicht dargestellt).
  • Auf der vom einfallenden Licht abgewandten Seite 9 der photovoltaischen Zelle 100 ist eine reflektierende elektrisch leitfähige Kontaktschicht 12 aus Silber angeordnet, die ebenfalls dazu ausgebildet ist, den erzeugten Strom zu einem Ausgang der photovoltaischen Zelle 100 zu führen. Weiterhin bewirkt die reflektierende Schicht 12 eine Reflexion der einfallenden Photonen 201, die beim ersten Durchgang durch den Absorber 1 nicht vom Absorber 1 oder den amorphen Silicium Schichten 5, 5', 6, 6' absorbiert wurden und erhöht so die Absorptionswahrscheinlichkeit der photovoltaischen Zelle 100, wie eingangs dargestellt.
  • Auch hier gilt, dass analog zu dem ausgeführten Beispiel ein Absorber mit p-Dotierung in der gleichen Weise verwendet werden kann. D.h. der erste Bereich besteht dann aus kristallinem p-dotiertem Silicium (p-cSi) und die Domänen aus p-dotiertem amorphem Silicium (p-aSi). Weiterhin sind in dieser alternativen Ausführung auf der Ober- und Unterseite des Absorbers 1 eine vergleichsweise dünne erste Schicht 6, 6' aus nicht- oder nur geringfügig dotiertem amorphen Silicium (i-aSi) aufgebracht. Auf dieser Schicht 6, 6' wiederum ist dann je eine zweite Schicht 7, 7' aus amorphem, p-dotiertem Silicium (p-aSi) in direktem Kontakt aufgebracht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Absorber
    2
    Domäne aus amorphem Silicium
    3
    Grenzfläche
    4
    Zwischenraum
    5, 5'
    laterale Seitenflächen des Absorbers
    6, 6'
    erste Schicht aus amorphem Silicium
    7, 7'
    zweite Schicht aus amorphem Silicium
    8, 8'
    transparenter leitfähiger Kontaktfilm
    9, 9'
    laterale Seitenflächen der photovoltaische Zelle
    10
    erster Bereich
    11
    elektrische Leiterbahnen
    12
    reflektierende elektrisch leitfähige Kontaktschicht
    100
    photovoltaische Zelle
    200
    einfallendes Photon
    201
    freier Ladungsträger
    R
    Radius
    d
    Dicke des Absorbers
    x, y
    Erstreckungsrichtungen des Absorbers und der photovoltaischen Zelle

Claims (9)

  1. Absorber (1) für eine photovoltaische Zelle (100), der dazu ausgebildet ist, auftreffende Photonen (200) zu absorbieren und deren Energie in einen angeregten Zustand eines Ladungsträgers (201) in dem Absorber (1) umzusetzen, wobei der Absorber (1) einen ersten Bereich (10) aufweist, der aus kristallinem Silicium besteht, und der erste Bereich (10) eine Vielzahl an Domänen (2) vollständig einschließt, wobei die Domänen (2) aus amorphem Silicium bestehen und wobei jede Domäne (2) eine Grenzfläche (3) zwischen dem kristallinen Silicium im ersten Bereich (10) und dem amorphen Silicium in der Domäne (2) ausbildet und diese Grenzflächen (3) Heteroübergänge im Absorber (1) bilden.
  2. Absorber (1) für eine photovoltaische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das kristalline Silicium des ersten Bereichs (10) als auch das amorphe Silicium der Domänen (2) dotiert sind.
  3. Absorber (1) für eine photovoltaische Zelle (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Domänen (2) einen Innenradius (R) von zumindest 20%einer Schichtdicke (d) des ersten Bereichs aufweisen.
  4. Absorber (1) für eine photovoltaische Zelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (10) sich in einer Schicht erstreckt, die eine Dicke (d) von mehr als 100µm aufweist.
  5. Absorber (1) für eine photovoltaische Zelle (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einem Wafer, bestehend aus kristallinem Silicium, hergestellt ist.
  6. Absorber (1) für eine photovoltaische Zelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis eines von dem kristallinen Silicium eingenommenen Volumens des ersten Bereichs (10) zu einem von dem amorphen Silicium eingenommenen Volumen der Domänen (2) kleiner als 0,9 ist.
  7. Absorber (1) für eine photovoltaische Zelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Domänen (2) durch Zwischenräume (4) voneinander getrennt im ersten Bereich (10) angeordnet sind, wobei die Zwischenräume (4) aus kristallinem Silicium des ersten Bereichs (10) bestehen.
  8. Absorber (1) für eine photovoltaische Zelle (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Bereich (10) über eine gesamte Ausdehnung des Absorbers (1) erstreckt.
  9. Photovoltaische Zelle (100), aufweisend einen Absorber (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf zumindest einer lateral erstreckten Seitenfläche (5, 5') des Absorbers (1), insbesondere auf beiden lateral erstreckten Seitenflächen (5, 5') des Absorbers (1), zumindest eine Schicht aus amorphem Silicium (6, 6', 7, 7') angeordnet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20090071539A1 (en) * 2007-09-18 2009-03-19 Yong Woo Choi Solar cell manufactured using amorphous and nanocrystalline silicon composite thin film, and process for manufacturing the same
US20110120537A1 (en) * 2009-09-21 2011-05-26 Goujun Liu Silicon inks for thin film solar cell formation, corresponding methods and solar cell structures

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