DE112011103244T5 - Mehrfachübergangssolarzelle mit schwachnitridischer Teilzelle, die eine graduierte Dotierung aufweist - Google Patents

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Abstract

Eine Solarzelle mit angepasstem Gitter weist zum Steuern der stromführenden Funktion der Solarzelle eine Teilzelle auf Schwachnitridbasis mit einer exponentiell verlaufenden Dotierung auf. Die offenbarte Solarzelle mit zumindest einer Schwachnitridteilzelle weist insbesondere eine variabel dotierte Basis oder einen variabel dotierten Emitter auf. Bei einer Ausführungsform weist die Mehrfachübergangssolarzelle eine obere Teilzelle, eine mittlere Teilzelle und eine untere Schwachnitridteilzelle auf, wobei die untere Schwachnitridteilzelle eine Dotierung der Basis und/oder des Emitters aufweist, die zur Verbesserung der Charakteristiken der Solarzelleneigenschaften zumindest teilweise mit einem exponentiellen Verlauf dotiert ist. Bei dem Aufbau kann die Schwachnitridteilzelle den kleinsten Bandabstand und ein an das Substrat angepasstes Gitter aufweisen. Die mittlere Zelle weist üblicherweise einen höheren Bandabstand auf als die Schwachnitridteilzelle und gleichzeitig ein an die Schwachnitridteilzelle angepasstes Gitter. Die obere Teilzelle weist üblicherweise den größten Bandabstand und ein an die angrenzende Teilzelle angepasstes Gitter auf.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft die Konstruktion von Solarzellen und bezieht sich im Besonderen auf Mehrfachübergangssolarzellen unter Verwendung von schwachen Nitriden (dilute nitrides).
  • Die höchsten Solarzellenwirkungsgrade werden bekanntermaßen mit III–V Halbleiterlegierungen umfassenden Mehrfachübergangssolarzellen (MJ-Solarzellen) erzielt. Deren vergleichsweise höheren Wirkungsgrade machen diese Bauelemente sowohl für konzentrierende terrestrische Photovoltaiksysteme als auch für astronomische Systeme, die zum Betrieb im Weltraum konzipiert sind, attraktiv. Mehrfachübergangssolarzellen haben bei Konzentrationen, die mehreren hundert Sonnen entsprechen, Wirkungsgrade von bis zu 41,6% erreicht. Die Bauelemente mit den höchsten Wirkungsgraden weisen gegenwärtig drei Übergänge auf und weisen entweder an ihr Substrat angepasste Gitter auf oder enthalten metamorphe Schichten die nicht im Gittern angepasst sind. Gitterangepasste Systeme werden bei ansonst gleichen Faktoren bevorzugt, da sie sich als zuverlässig erwiesen haben und weniger Halbleitermaterial erfordern als metamorphe Solarzellen, die dicke Pufferschichten benötigen, um den unterschiedlichen Gitterkonstanten benachbarter Materialien Rechnung zu tragen.
  • Schwache Nitride bilden eine Klasse von III–V-Legierungsmaterialien (Legierungen, die ein oder mehrere Elemente aus Gruppe III des Periodensystems und ein oder mehr Elemente aus Gruppe V des Periodensystems aufweisen) mit kleinen Anteilen (z. B. < 5 Atomprozent) an Stickstoff. Diese Legierungen sind deshalb für Mehrfachübergangssolarzellen von Bedeutung, da ihr Gitter an die in Frage kommenden Substrate angepasst werden kann, zu denen auch GaAs und Ge gehören. Zudem kann man bei dem schwachnitridischen Material einen Bandabstand von 1 eV erzielen, der für eine Integration in eine Mehrfachübergangssolarzelle mit substantiell verbessertem Wirkungsgrad ideal ist.
  • GaInNAs, GaNAsSb und GaInAsSb sind einige der schwachnitridischen Materialien, die als für Mehrfachübergangssolarzellen potenziell brauchbar untersucht wurden (siehe z. B. A. J. Ptak et al, Journal of Applied Physics 98 (2005) 094501 und Yoon et al., Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2009 34th IEEE, Seite 76–80, 7.–12. Juni 2009; DOI: 10.1109/PVSC.2009.5411736). Außerdem lässt die Verwendung von GaInP/GaAs/Schwachnitrid/Ge-Vierfachübergangssolarzellenstrukturen auf Wirkungsgrade hoffen, die jene der üblichen metamorphen und gitterangepassten Dreifachübergangszellen übertreffen, die gegenwärtig die Richtgröße für die Leistungsfähigkeit von hocheffizienten Mehrfachübergangszellen bilden (Friedman et al., Progress in Photovoltaics: Research and Applications 10 (2002), 331). Um diese Hoffnung zu verwirklichen, ist ein an die Gitter von GaAs und Ge angepasstes Material vonnöten, das einen Bandabstand von nahe 1 eV aufweist und eine Leerlaufspannung von mehr al 0,3 V und ausreichend Strom erzeugt, um mit den (Al)InGaP und (In)GaAs-Teilzellen einer Mehrfachübergangszelle gleichzuziehen. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass eine Mehrfachübergangssolarzelle zur terrestrischen Verwendung in einem konzentrierenden Photovoltaiksystem eingebunden ist. Derartige System setzen konzentrierende Optiken ein, welche aus schalenförmigen Reflektoren oder Fresnelllinsen bestehen, die Sonnenlicht auf die Solarzelle konzentrieren. Die Optik eines Konzentrators kann möglicherweise Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs schwächen, der für die Schwachnitridteilzelle abträglich ist. Von daher ist äußerst wichtig, dass in der Schwachnitridteilzelle ein höherer Strom erzeugt wird, so dass die Effizienz der Mehrfachübergangssolarzelle nicht aufgrund der Verluste in der Konzentratoroptik leidet.
  • Bei einer Mehrfachübergangssolarzelle ist jede der Teilzellen seriell mit den anderen Teilzellen verbunden, wobei zum Verbinden der einzelnen Zellen miteinander üblicherweise Tunneldioden verwendet werden. Da der von dem ganzen Teilzellenstapel erzeugte Gesamtstrom durch jede der Teilzellen hindurch passieren muss, stellt die Teilzelle, durch die am wenigsten Strom passieren kann, die stromlimitierende Zelle des Gesamtstapels und dadurch die den Wirkungsgrad begrenzende Zelle dar. Für einen bestmöglichen Wirkungsgrad ist es daher außerordentlich wichtig, dass jede der Teilzellen im Strom an die anderen Teilzellen des Stapels angepasst ist. Dies ist insbesondere bei Verwendung von Schwachnitridteilzellen von Bedeutung, da schwachnitrierte Halbleitermaterialien historisch an schlechten Minoritätsträgertransporteigenschaften leiden, die sich als nachteilig für eine Aufnahme in eine größere Solarzelle erweisen.
  • Auch wenn schwachnitrierte Legierungen andere Eigenschaften aufweisen, die sie für eine Verwendung in Mehrfachübergangsstrukturen attraktiv erscheinen lassen, vor allem die Flexibilität, mit der die Bandabstände und Gitterkonstanten als Teil ihres Entwurfs genau eingestellt werden können, sind bei diesen Teilzellen Minoritätsträgerlebensdauer und Diffusionslängen typischerweise schlechter als bei herkömmlichen Solarzellenhalbleitern wie beispielsweise bei in herkömmlichen Mehrfachübergangssolarzellen verwendetem GaAs und InGaP, woraus Einbußen bei Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, oder bei beiden resultieren. Außerdem kann die Grenzschicht zwischen dem Rückseitenbereich und der Basis der Schwachnitridteilzelle eine höhere Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit aufweisen, wodurch Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung der Teilzelle weiter verringert erden könnten. Aufgrund dieser Probleme sind die in Schwachnitridteilzellen erzeugten Fotoströme typischerweise geringer als bei eher traditionelleren Materialien (D. B. Jackrel et al., Journal of Applied Physics 101 (114916) 2007).
  • Variierende Dotierstoffverläufe sind bei Solarzellen bekannt. Siehe hierzu M. A. Green, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 17 (2009). Das US-Patent Nr. 7,727,975 stellt ein Beispiel für einen Solarzellenaufbau dar, bei dem in Teilen einer Solarzellenstruktur eine exponentieller Dotierung verwendet wurde, erwiesenermaßen bei Mehrfachübergangssolarzellen, die in einer invertierten metamorphen Struktur mit fehlangepasstem Gitter aufwuchsen. Eine Anwendung auf Schwachnitridteilzellen wird nicht angedeutet und liegt aufgrund der anormalen Eigenschaften von Schwachnitriden auch nicht nahe. Schwache Nitride stellen eine neuartige Materialklasse dar, die oftmals ein gegenüber traditionellen Halbleiterlegierungen unterschiedliches Materialverhalten aufweisen. Zum Beispiel unterscheidet sich die Bandbiegung als Funktion der Legierungszusammensetzung bei Schwachnitriden sehr von der traditioneller Halbleiter (z. B. Wu et al., Semiconductor Science and Technology 17, 860 (2002)). Ebenso führen die bei traditionellen Halbleitern wie beispielsweise GaAs und InGaP verwendeten üblichen Dotierstoffe und Dotierprofile bei schwachnitrierten Halbleitern nicht zu vergleichbaren Eigenschaften. Zum Beispiel weist das Einbringen von Dotierstoffen in Schwachnitride ein anomales Verhalten auf. In einer Veröffentlichung von Yu et al. wurde berichtet, dass bei stark mit Si dotierten dünnen Schwachnitridschichten Si und N sich ihre Elektronenaktivität gegenseitig passivieren (Yu et al., App. Phys. Lett. 83, 2844 (2003)). In gleicher Weise wiesen Janotti et al. (Phys. Rev. Lett. 100, 045505 (2008)) darauf hin, dass während die Physik n-leitender und p-leitender Dotierungen der Muttersubstanzen GaAs und GaN bestens etabliert ist, Dotierungen in GaAs1–xNx viel weniger erforscht sind und die Wechselwirkung zwischen extrinsischen Dotierstoffen und N in GaAs1–xNx-Legierungen zu völlig neuen Phänomenen führen kann. Sie wiesen auch darauf hin, dass ein Rapid Thermal Annealing (thermisches Schnellausheilen) von Si-dotierten schwachen (In)GaAsN-Legierungen bei Temperaturen oberhalb von 800°C zu einer drastischen Zunahme des elektrischen Widerstands führt. Aufgrund der mit den Dotierprofilen und deren Folgen verknüpften Unsicherheiten und aufgrund der besonderen Eigenschaften von Schwachnitriden, ist für einen Fachmann nicht ersichtlich, wie die hierin vorgestellten Konzepte auf eine Solarzelle übertragen werden können, bei der Schwachnitridelemente mit Teilbereichen verwendet werden, die einer kontrollierten Dotierung unterzogen werden. Darüber hinaus lehrt die Literatur, dass Schwachnitridlegierungen aufgrund der Schwierigkeiten beim Dotieren der Schwachnitridlegierungen nicht dotiert werden sollten (d. h. intrinsisch bleiben sollten), wenn sie in Solarzellenstrukturen eingefügt werden sollen, um die Stromsammlung zu erhöhen (z. B. Ptak et al. J. Appl. Phys. 98, 094501 (2005); Volz et al., J. Crys. Growth 310, 2222 (2008)). Die Literatur lehrt vielmehr, dass der Einsatz des Dotierens in der Basis der Schwachnitridsolarzelle zu einer Verschlechterung von deren Eigenschaften führt.
  • Bekannterweise nahm man von Schwachnitridzellen wie zuvor erläutert an, dass sie so schwerwiegend Nachteile aufweisen, dass ihre Einbindung in Mehrfachübergangssolarzellen zu wesentlichen Einbußen beim Wirkungsgrad solcher Solarzellen gefürt hätte, so dass Schwachnitridzellen kommerziell weniger interessant waren als andere Materialarten. Es ist daher wünschenswert die Stromsammlung in auf Schwachnitrid basierenden Teilzellen zu verbessern ohne dass dies von Einbußen bei Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung oder beidem begleitet wird.
  • Erfindungsgemäß weist eine gitterangepasste Solarzelle eine auf Schwachnitrid basierende Teilzelle auf, die in der gesamten oder einem Teil der Schwachnitridschicht ein graduiertes Dotierprofil aufweist, wobei ein graduiertes Dotierprofil als ein Dotierprofil definiert ist, bei dem die Dotierstoffkonzentration von der Oberseite zur Unterseite der Schicht hin zunimmt oder abnimmt, wobei Oberseite und Unterseite in Bezug auf die Orientierung der im Betrieb befindlichen Solarzelle definiert sind und die Oberseite sich am nächsten zur Strahlungsquelle befindet. Insbesondere wird eine Solarzelle mit zumindest einer Schwachnitridteilzelle offenbart, die eine Basis oder einen Emitter mit einer graduierten Dotierung aufweist. Bei einer Ausführungsform weist eine gitterangepasste Mehrfachübergangssolarzelle eine obere Teilzelle, eine mittlere Teilzelle und eine untere Schwachnitridteilzelle auf, wobei die untere Schwachnitridteilzelle zur Verbesserung der Solarzelleneffizienzeigenschaften in der Basis und/oder dem Emitter eine graduierte Dotierung aufweist. Bei dem Aufbau kann die Schwachnitridteilzelle den niedrigsten Bandabstand und eine Anpassung des Gitters an das Substrat aufweisen, die mittlere Zelle weist typischerweise einen höheren Bandabstand als die Schwachnitridteilzelle und eine Anpassung des Gitters an die Schwachnitridteilzelle auf. Die obere Teilzelle weist typischerweise den höchsten Bandabstand und ein an die benachbarte Teilzelle angepasstes Gitter auf. Bei weiteren Ausführungsformen kann eine erfindungsgemäße Mehrfachübergagngsolarzelle vier, fünf oder mehr Teilzellen aufweisen, wobei die eine oder mehreren Teilzellen jeweils Schwachnitridlegierungen mit einem graduierten Profil aufweisen können
  • Allen diesen Ausführungsformen gemeinsam ist ein signifikanter funktioneller Zusammenhang zwischen der Gesamteffizienz und der vertikalen Verteilung der Dotierstoffe in der Basis und/oder dem Emitter von Schwachnitridteilzellen. Die Dotierstoffkonzentration kann so gewählt werden, dass sie eine Positionsabhängigkeit aufweist, wobei sich diese Abhängigkeit als Funktion der vertikalen Position in der Basis oder dem Emitter ändert. Die Dotierung kann, um ein Beispiel zu geben, so ausgelegt werden, dass sie sich in der Basis von der Oberseite zur Unterseite hin linear oder exponentiell erhöht. Mathematisch ausgedrückt weist die Dotierstoffkonzentration ”d” eine funktionelle Abhängigkeit, beispielsweise d = F(x) (d. h., die Dotierung ist eine Funktion der Position) auf, wobei x die vertikale Position in der Basis oder dem Emitter so angibt, dass x am Emitter/Basis-Übergang Null ist und mit zunehmendem Abstand von diesem Übergang zunimmt. Die Art und Verteilung der Dotierung (d. h., die Funktion F) wird zum Verbessern und letztendlich zum Optimieren von Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung gewählt, die bei der Schwachnitridschicht sonst vorliegen würden. Die Erfindung stellt somit eine Mehrfachübergangssolarzelle mit angepasstem Gitter zur Verfügung, die eine oder mehrere Schwachnitridteilzellen aufweist und im Vergleich zu Mehrfachübergangssolarzellen ohne solche Dotierstoffverteilung einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ändert sich das Dotierprofil in der Basis der Solarzelle so, dass es am Emitter-Basis-Übergang am niedrigsten ist und weg von diesem zunimmt. Die genaue Verteilungsfunktion der Zunahme ist so gewählt, dass für die Schwachnitridteilzelle eine maximale Steigerung von Strom und Spannung erzielt werden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform wird das Dotierprofil so gewählt, dass man in der Basis zwei Teilgebiete erhält, wobei in dem näher an dem Emitter-Basis-Übergang gelegenen Teilgebiet eine gleichförmige oder keine Dotierung und in dem anderen Teilgebiet eine graduierte Dotierung verwendet werden.
  • Die folgende ausführliche Beschreibung vermittelt in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ein besseres Verständnis der Erfindung.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Dreifachübergangssolarzelle mit drei Teilzellen, von denen die untere Zelle eine Schwachnitridteilzelle ist.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Vierfachübergangssolarzelle, die eine Schwachnitridteilzelle aufweist.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Fünffachübergangssolarzelle, die zwei Schwachnitridteilzellen aufweist:
  • 4 zeigt eine Konfiguration verschiedener Schichten einer auf Schwachnitrid basierenden Solarteilzelle.
  • 5 zeigt eine Konfiguration mit Bezeichnungen, die beispielhafte Dickenbereiche repräsentieren, die bei den verschiedenen Schichten einer Schwachnitridteilzelle verwendet werden können, die in der Basis eine graduierte Dotierung enthält.
  • 6 zeigt eine Konfiguration mit Bezeichnungen, die graphisch darstellen, wie eine Schwachnitridbasisschicht sowohl einen Teilbereich mit konstanter Dotierung als auch einen anderen Teilbereich mit graduierter Dotierung aufweisen kann.
  • 7 stellt ein Diagramm eines beispielhaften Dotierprofils in der Basisschicht einer Schwachnitridteilzelle mit einem wie in 5 gezeigten Aufbau dar.
  • 8 stellt ein Diagramm eines beispielhaften Dotierprofils einer Schwachnitridteilzelle dar, die in einem Bereich der Basisschicht an der Vorderseite des Übergangs eine konstante Dotierung und im anderen Bereich der Basisschicht eine exponentielle Dotierung enthält.
  • 9 stellt ein Diagramm beispielhafter Dotierprofile einer Schwachnitridteilzelle dar, die eine graduierte Dotierung in der Emitterschicht aufweist.
  • 10 stellt ein Diagramm dar, das den Vergleich des gemessenen Quantenwirkungsgrades einer Schwachnitridteilzelle mit graduierter Dotierung der Basis mit dem einer Teilzelle ohne graduierte Dotierung illustriert.
  • 11 stellt ein Diagramm dar, dass die gemessene Strom-Spannungskennlinie mit Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung für eine Schwachnitridteilzelle mit graduierter Dotierung der Basis im Vergleich einer, die keine graduierte Dotierung aufweist, veranschaulicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Erfindungsgemäß weist eine Mehrfachübergangssolarzelle zumindest eine Schwachnitridsolarteilzelle mit einer wie hierin beschriebenen bedarfsgerechten und insbesondere graduierten Dotierung und/oder Dotierstoffkonzentration auf. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit der Erfindung nutzt eine Mehrfachübergangssolarzelle mit einer oder mehreren Schwachnitridteilzellen die funktionelle Abhängigkeit der Teilzelleneigenschaften von der vertikalen Verteilung der Dotierung innerhalb der Basis und/des Emitters der Teilzelle. Eine graduierte Dotierung bedeutet eine funktionelle Abhängigkeit von der Position in der Basis und/oder dem Emitter.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer als Beispiel dienenden Dreifachübergangssolarzelle mit drei Teilzellen, von denen die untere Zelle als Schwachnitridteilzelle ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform kann als Substrat jedes der für Epitaxie genutzten herkömmlichen Substrate verwendet werden, die aus der GaAs, Ge, InP, GaSb und vergleichbare Materialien umfassenden, aber nicht darauf beschränkten Gruppe ausgewählt sind. Oberhalb des Substrats weist die Dreifachübergangszelle eine untere Teilzelle 1, eine mittlere Teilzelle 2 und eine obere Teilzelle 3 auf, die in der Reihenfolge zunehmenden Bandabstands angeordnet sind. Bei der Ausführungsform von 1 ist die Schwachnitridzelle 1 als dritter Übergang bzw. untere Teilzelle des Mehrfachübergangssolarzellenstapels eingebunden. Die drei Solarteilzellen 1, 2, und 3 sind aufeinander gestapelt und weisen an der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche (jenseits der von den gestrichelten Linien gezeigten Gebiete) elektrische Kontakte auf. Jede der Teilzellen ist mit der darüberliegenden über eine an deren Grenzfläche befindliche Tunneldiode 1-2, 2-3 verbunden, die von einer dünnen Schicht eines äußerst hochdotierten pn-Übergangs gebildet ist. Tunneldioden sind im Stand der Technik wohlbekannt und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben ist die Basis- und/oder die Emitterschicht der Schwachnitridteilzelle 1 (wie in 4 veranschaulicht) so dotiert, dass die Dotierstoffkonzentration innerhalb der Schicht variiert. Die mittlere und die obere Zelle 2 und 3 können aus einer beliebigen Materialgruppe aufgebaut sein, die einige Kombinationen von Gruppe-III- und -V-Elementen, einschließlich In, Ga, Al, B, N, As, P, Sb und Bi, enthalten aber nicht darauf beschränkt sind und ferner Dotierelemente enthalten, die aus der Zn, C, Be, Mg, Si, Ge, O, Se und Te enthaltenden aber nicht darauf beschränkten Gruppe ausgewählt sind.
  • Bei anderen Ausführungsformend der Erfindung wird eine Schwachnitridteilzelle mit einer positionsabhängigen Dotierung und/oder Dotierstoffeinlagerung in Form von einer oder mehreren Teilzellen einer Vierfach-, Fünffach- oder Sechsfachübergangssolarzelle eingebunden, wobei jede für ein anderes Spektrum empfindlich ist. 2 verbildlicht die innere Schichtstruktur einer Vierfachübergangszelle mit einer Schwachnitridteilzelle 2, bei der die zweite Teilzelle von einer Schwachnitridteilzelle gebildet ist, und bei der die erste Teilzelle optional eine Schwachnitridteilzelle sein kann. 3 verbildlicht ein Beispiel einer Fünffachübergangszelle mit zwei Schwachnitridteilzellen 2 und 3 mit variierender Dotierung. Die Nutzbarkeit der Erfindung ist nicht auf die in den 1, 2 und 3 skizzierten Konstruktionen beschränkt, sondern kann in jeder kompatiblen Solarzelle verwendet werden, bei die Anzahl der Übergänge zwei überschreitet und eine Schwachnitridlegierung bei einer der mehreren Teilzellen verwendet werden kann.
  • Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der Schwachnitridteilzelle um eine Solarzelle, bei der die Basis und/oder der Emitter ein Schwachnitridmaterial aufweisen. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine beispielhafte Schwachnitridteilzelle. Diese Teilzelle weist insbesondere mehrere Schichten (mit 1, 2, 3, 4 nummeriert), einschließlich einem Rückseitenbereich (BSF, englisch: back surface field) (Schicht 4) auf, die der Verringerung von Verlusten durch Ladungsträgerrekombination dient (Auf dem Gebiet der Solartechnik wird der Begriff ”vorne” per Übereinkunft in Bezug auf die äußere Oberfläche der Zelle verwendet, die der Strahlungsquelle zugewandt ist, und der Begriff ”hinten” in Bezug auf die äußere Oberfläche die der Quelle abgewandt ist. In den Figuren dieser Patentanmeldung ist ”hinten” daher ein Synonym zu ”unten” und ”vorne” ein Synonym zu ”oben”). Zur Herstellung des BSF kann in Abhängigkeit von Gitterkonstante und Bandabstandvorgaben jede geeignete Kombination von Gruppe-III- und Gruppe-V-Elementen verwendet werden. Auf dem BSF wird die ein Schwachnitridmaterial aufweisende Basis abgeschieden. Auf der Oberseite der Basis 3 wächst der Emitter auf, der ein Schwachnitridmaterial und/oder eine geeignete Kombination von Gruppe-III- und Gruppe-V-Elementen aufweist. Danach wird auf der Oberseite des Emitters ein optionaler Vorderseitenbereich (englisch: front surface field, FSF, Schicht 1) abgeschieden, der wiederum eine geeignete Kombination von Gruppe-III- und Gruppe-V-Elementen aufweist. Im Stand der Technik sind viele Beispiele für Schwachnitridlegierungen bekannt, beispielsweise jene, die in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/819,534 dargelegt sind, die auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Es wird ein Dotierstoff- bzw. Fremdatomkonzentrationsprofil gewählt, das den gewünschten funktionalen Effekt eines sich innerhalb der Basisschicht 3 und/oder der Emitterschicht 2 ändernden Dotierniveaus hervorbringt.
  • 4 zeigt Beispielfälle, bei denen die Dotierung von Basis 3 und Emitter 2 entweder eine linear graduierte Abhängigkeit oder eine exponentiell graduierte Abhängigkeit von der vom Emitter-Basisübergang aus gemessenen Position aufweist. Unter Verwendung dieser Beispielfälle können mehrere Permutationen erhalten werden, einschließlich einem Emitter mit linearer Dotierung und einer Basis mit exponentieller Dotierung oder anders herum. Die Dotierung (d. h. die Dotierstoffkonzentration) liegt üblicherweise im Wesentlichen zwischen 1 × 1015 cm–3 und 1 × 1019 cm–3, wobei sich das niedrigste Dotierniveau nahe dem Emitter-Basis-Übergang (2-3) und das höchste Dotierniveau am weitesten entfernt vom Emitter-Basis-Übergang (1-2) und/oder (3-4) befindet. Bei dieser Ausführungsform bewirkt eine solche Positionsabhängigkeit der Dotierung ein elektrisches Feld, zusätzlich zu dem am Emitter-Basis Übergang 2-3 automatisch vorhandenen Feld. In der in 4 vorgestellten Teilzellenstruktur durch den fotovoltaischen Effekt erzeugte Minoritätsträger werden durch ein solches elektrisches Feld beeinflusst. Das genaue Dotierprofil kann variiert werden, um ein optimiertes Feld zum wesentlich verbesserten Sammeln der Minoritätsträger einzubringen. Es wurde festgestellt, dass dieses interne Feld den Strom und/oder die Spannung der Solarzelle im Vergleich zu einer Solarzelle mit gleichförmiger Dotierung verbessert. Durch diese Erfindung wurde bestimmt, dass eine graduierte Dotierung bei Schwachnitrid-Zelltypen im Vergleich zu der zuvor als beste Praxis angesehenen von Vorteil ist, bei der weite intrinsische, d. h. undotierte, Bereiche verwendet werden, um das Sammeln von Ladungsträgern zu erhöhen, da sie einen höheren Kurzschlussstrom, höhere Leerlaufspannung und bessere Füllfaktoren liefert. Es folgen einige konkrete Beispiele:
    Wie 5 zu entnehmen wird eine Dotierstoffbelegung betrachtet, die in der Basis 3 von der Vorderseite des Emitter-Basis-Übergangs (zwischen den Schichten 2 und 3) zur Rückseite 4 weg vom Emitter-Basis-Übergang (zwischen den Schichten 3 und 4) hin zunimmt. Das graduierte Dotierprofil ist in 4 durch eine punktierte Linie in der Basis 3 der Schwachnitridteilzelle gekennzeichnet. Dieses Dotierprofil unterstützt das Sammeln von Minoritätsträgern durch Schaffen eines zusätzlichen Feldes, das die Minoritätsträger zur Vorderseite des Übergangs schiebt. Ein exponentielles Dotierprofil führt zu einem konstanten elektrischen Feld in der Basis. Es können auch lineare oder andere Dotierprofile verwendet werden, die unterschiedliche Wirkungen haben. Eine Veränderung des Dotierprofils verändert das elektrische Feld als Funktion der Position in der Basis 3 und verbessert entsprechend die Stromsammlung. Bei dieser Ausführungsform treibt das elektrische Feld die Minoritätsträger von der Grenzfläche an der Zellenrückseite (3-4) weg, die, wie oben erwähnt wurde, eine hohe Rekombinationsgeschwindigkeit aufweisen kann.
  • Ein Beispiel eines solchen Dotierprofils ist im Diagramm der 7 dargestellt, worin ein Beispiel einer exponentiell über der Tiefe verlaufenden Dotierung angegeben ist, wobei die niedrigste Dotierung am Basis-Emitter-Übergang vorliegt. Ein Beispiel, wie ein variierender Dotierstoffkonzentrationsverlauf in einer wie in Verbindung mit 7 erläuterten Weise erreicht werden kann, besteht im exponentiellen Ändern des auf die epitaktische Oberfläche während des Aufwachsens auftreffenden Dotierstoffflusses zur Zeit der Herstellung, während andere Parameter konstant gehalten werden. Die Dotierung ist zum Beispiel gegeben durch: Dotierung = A·eBx; worin A = 1 × 1015 cm–3 bis 2 × 1017 cm–3, B = 0,1 μm bis 10 μm und x die Tiefe ist.
  • Ein Verwenden dieses Bereiches würde abhängig von der Dicke der Basis zu einer Dotierung zwischen 1 × 1015 cm–3 und 1 × 1019 cm–3 führen. Am Emitter-Basis-Übergang ist der Dotierstofffluss in jedem Fall auf seinem Mindestwert. Der Wert des Flusses wird zum Erzielen des gewünschten Werts für die Dotierstoffkonzentration in der Epitaxieschicht voreingestellt. 5 skizziert auch die typische Dicke der verschiedenen für die Schwachnitridteilzelle verwendeten Schichten. Die Rückseitenbereichsschicht 4, die Basisschicht 3, die Emitterschicht 2 und die Vorderseitenbereichsschicht 1 von 5 weisen jeweils eine Dicke im Bereich von 100–500 nm, 1000–2000 nm, 100–200 nm und 10–500 nm auf.
  • Wie 6 zu entnehmen wurde die Positionsabhängigkeit der Dotierung so entwickelt, dass die Basisschicht zwei Teilbereiche 3 und 4 aufweist. Der näher an der Vorderseite (d. h. oben) gelegene Bereich des Basis-Emitter-Übergangs (Schicht 3 von 6) weist, wie durch die gepunktete Linie im Teilbereich 3 veranschaulicht, keine oder eine konstante Dotierung auf. Die Dotierung ist zum Beispiel gegeben durch: Dotierung = A; worin A eine Konstante aus dem Bereich von 0 bis 2 × 1017 cm–3 darstellt.
  • Der übrige Teil der Basis weist ein Dotierprofil auf, das sich in einer Weise als Funktion der Position ändert, die dem bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform Erläuterten gleicht und durch die punktierte Linie im Teilbereich 4 dieser Figur veranschaulicht ist. Ein Verwenden dieses würde in der Basis zu einer Dotierung zwischen 1 × 1015 cm–3 und 1 × 1019 cm–3 bei Basisdicken von 0 bis 3 μm führen.
  • Die Dicke eines jeden Teilbereichs kann zum Optimieren von Ausgangsstrom und Ausgangsspannung der Teilzelle variiert werden. Insbesondere erhält man bei unterschiedlichen Schwachnitridmaterialien sowie einer Änderung der Zusammensetzung des Schwachnitridmaterials unterschiedliche optimale Dicken. Ein Beispiel für ein solches Dotierprofil ist in der 8 dargestellt. Der Teilbereich 1 weist entweder keine oder eine konstante Dotierung auf. Dieser Bereich befindet sich näher am Emitter-Basis-Übergang. Der Teilbereich 2 weist eine graduierte Dotierung auf, die im sich im Teilbereich 2 exponentiell über der Tiefenposition verändert. Die Messung der Position bezieht sich auf den Emitter-Basis-Übergang. Bei einem Beispielfall, bei dem sich die Dotierstoffkonzentration in einer wie in Verbindung mit 8 erläuterten Weise verändert, wird der Dotierstofffluss mit Beginn des Abscheidens der Basisrückseite auf sein Maximum eingestellt. Bei einem üblichen Aufbau wächst zuerst die Rückseite der Basis auf, wobei der Dotierstofffluss anschließend so geändert wird, dass er beim Aufwachsen der restlichen Basis exponentiell abnimmt. Es sei darauf hingewiesen, dass Schicht 4 während der Epitaxie üblicherweise zuerst aufwächst, woraufhin die Schichten 3 und 2 von 6 folgen. An der Grenzschicht zwischen Teilbereich 1 und Teilbereich 2 ist der Dotierstofffluss am geringsten. Im Anschluss daran wird der Dotierstofffluss entweder konstant gehalten oder abgeschaltet. Die Variation des Dotierprofils erfolgt in dieser Weise, um aufgrund einer durch den nicht oder gleichförmig dotierten Bereich geschaffenen größeren Verarmungszone zusätzlich Strom zu gewinnen. Der übrige Teil der Basis weist eine positionsabhängige (tiefenabhängige) Dotierung auf, die ein Driftfeld für die weitere Verbesserung der Stromsammlung einbringt. Außerdem stellt die Erweiterung der Breite der Verarmungszone durch Einführen eines Bereichs ohne Dotierung bzw. konstanter Dotierung, im Gegensatz zu einem Fall mit einer graduierten Dotierung der gesamten Basis, für außerhalb der Verarmungszone der Solarzelle erzeugte Ladungsträger eine höhere Wahrscheinlichkeit für deren Beitrag zum Strom sicher. Bei diesen Ausführungsformen wird eine wesentliche Verbesserung der Beiträge zum Strom erzielt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Schicht, die dieses Dotierprofil aufweist, GaAs, InGaP, AlInGaP, AlGaAs oder InGaAs aufweisen.
  • Im Diagramm von 10 werden der interne Quantenwirkungsgrad einer Schwachnitridteilzelle mit und ohne positionsabhängigem Dotierungsprofil miteinander verglichen. Der interne Quantenwirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis der von der Solarzelle gesammelten Anzahl an Ladungsträgern zur Anzahl der Photonen bei einer gegebenen Wellenlänge, die in die Solarzelle eindringen (d. h., dass an der Oberfläche reflektierte Photonen nicht mitgezählt werden). Wenn alle Photonen einer bestimmten Wellenlänge absorbiert und die daraus resultierenden Ladungsträger gesammelt werden, dann ist der interne Quantenwirkungsgrad bei dieser bestimmten Wellenlänge gleich Eins. Die Messungen des Quantenwirkungsgrades zeigen als Ergebnis der Dotierung bei einem AM1 5D Spektrum eine Stromzunahme von etwa 8,5%, was einer Zunahme des Gesamtwirkungsgrades der Mehrfachübergangssolarzelle von etwa 8,5% entspricht, wenn die Schwachnitridteilzelle die stromlimitierende Zelle darstellt. In Anwendung der Erfindung erhält man eine substantielle Verbesserung der Stromsammlung und somit eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Solarzelle. Im vorliegenden Beispiel erhöht sich der Kurzschlussstrom bei einem AM1 5D-Spektrum um 8,5%. Eine ähnliche Verbesserung ist auch aus 11 ersichtlich, worin die I-V-Kennlinien von Schwachnitridteilzellen dargestellt sind. Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom und Füllfaktor zeigen bei einer Schwachnitridteilzelle mit graduiertem Dotierprofil eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu einer Teilzelle ohne ein solches Dotierprofil. Die deutliche Verbesserung bei Strom und Spannung der Schwachnitridteilzelle bedeutet eine direkte Verbesserung des Wirkungsgrades der Mehrfachübergangssolarzelle. Diese Verbesserung ist deutlich höher als bei einer Schwachnitridteilzelle ohne graduierte Dotierung der Basis und/oder des Emitters der Schwachnitridteilzelle.
  • Bei der oben erläuterten Ausführungsform der Erfindung werden die Änderungen am Dotierprofil während des epitaktischen Aufwachsens der Halbleiterschichten realisiert. Zusätzlich zu einem Erzeugen des bevorzugten Dotierprofils während des epitaktischen Abscheidens kann das Profil an der Halbleiter-Epischicht auch durch nach dem Aufwachsen vorgenommene Schritte beeinflusst werden. Entsprechende, dem Aufwachsen nachfolgende Schritte können, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Ausheilen des Halbleitermaterials in einer Atmosphäre umfassen, die eines oder mehreres von Folgendem aufweist: As, P, H2, N2, Formiergas und/oder O2. Ein solcher Verfahrensschritt weist viele Variablen auf, die zum Erreichen eines gewünschten Dotierprofils optimiert werden müssen. Zusätzlich zu der oben angegebenen Ausheilumgebung beinhaltet dies Änderungen von Ausheilzeit, Ausheiltemperatur und Ausheilzyklus, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Zum Beispiel kann die Ausheiltemperatur zwischen 400 und 1000°C betragen, die Dauer des Ausheilvorgangs zwischen 10 und 1000 sec liegen und die Umgebungsbedingung eine Atmosphäre konstanten Drucks von in erster Linie Phosphor, Arsen, Wasserstoff, Sauerstoff und/oder Stickstoff sein. Die letztendliche Zielvorgabe besteht unabhängig vom Verfahrensschritt, der zum Erreichen dieser verwendet wird, in einem gewünschten Profil für eine bestimmte Zusammensetzung des Schwachnitridmaterials.
  • Bei einer weiteren anderen Ausführungsform dieser Erfindung wird in den Emitter der Schwachnitridsolarzelle eine graduierte Dotierung eingebracht. Bei dieser Ausführungsform kann die Basis ein graduiertes Dotierprofile entsprechend einer der oben beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, muss es jedoch nicht. Die Dotierungskonzentration des Emitters (Schicht 2 in 4) liegt im Wesentlichen zwischen 1 × 1015 cm–3 und 1 × 1019 cm–3 Das Dotierprofil nimmt von dem Emitter-Basis-Übergang (Grenzfläche (2-3) in den 5 und 6) ausgehend in Richtung zum Vorderseitenbereich der Solarzelle (Grenzfläche (1-2) in 5 und 6) hin zu. 9 skizziert die Dotierung im Emitter der Schwachnitridteilzelle, wobei zwei Beispielfälle dargestellt sind. Im ersten Fall ändert sich die Dotierung als lineare Funktion der Position im Emitter. Im zweiten Fall folgt die Änderung der Dotierung weg vom Emitter-Basis-Übergang einer exponentiellen Zunahme. In beiden Fällen ist die Dotierung am Emitter-Basis-Übergang am geringsten. Die Vorteile der positionsabhängigen Dotierung gleichen denen, die durch eine gleichartige Dotierung der Basis der Solarzelle erreicht werden. Insbesondere wird die Sammlung von Minoritätsträgern verbessert, wodurch der Photostrom zunimmt. Ein exponentielles Dotierprofil führt zu einem konstanten elektrischen Feld im Emitter der Solarzelle, wobei zum Erzeugen von anderen Feldern mit sich hiervon unterscheidenden Geometrien auch lineare und andere Dotierprofile verwendet werden können. Eine Variation des Dotierprofils, um den Verlauf des elektrischen Feldes über der Position zur Verbesserung der Stromsammlung zu ändern, ist möglich.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die oben ausgeführten Ausführungsformen konkrete Dotierprofile aufweisen, die in der Erzeugung konkreter elektrischer Felder innerhalb der Basis und/oder des Emitters einer Schwachnitridsolarzelle resultieren. Diese Beispiele wurden lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung angegeben, wobei ein Fachmann die Dotierprofile auf vielfältige Art und Weise abwandeln kann, um bestimmte Ergebnisse zu erzielen. Die Vorstellung dieser speziellen Ausführungsformen dient nicht der Beschränkung der Erfindung, die in den Ansprüchen vollständig dargelegt ist.
  • 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
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Claims (15)

  1. Mehrfachübergangssolarzelle, die aufweist: zumindest eine Schwachnitridteilzelle, die einen Emitter, eine Basis und einen Emitter-Basis-Übergang aufweist, wobei die Teilzelle in dem Emitter und/oder der Basis ein Dotierprofil aufweist, dessen Verlauf so von der Tiefenposition abhängig ist, dass die Dotierstoffkonzentration am Emitter-Basis-Übergang am geringsten ist und mit zunehmendem Abstand zum Emitter-Basis-Übergang zunimmt.
  2. Mehrfachübergangssolarzelle nach Anspruch 1, worin die Dotierstoffkonzentration im Wesentlichen zwischen 1 × 1015 und 1 × 1019 cm–3 liegt.
  3. Mehrfachübergangssolarzelle nach Anspruch 1, worin die Dotierung am Emitter-Basis-Übergang am geringsten ist und zumindest über einen Teil des Wegs weg vom Emitter-Basis-Übergang exponentiell zunimmt.
  4. Mehrfachübergangssolarzelle nach Anspruch 1, worin die Dotierung am Emitter-Basis-Übergang am geringsten ist und zumindest über einen Teil des Wegs weg vom Emitter-Basis-Übergang linear zunimmt.
  5. Solarzelle nach Anspruch 1, worin die Basis der Teilzelle eine Dotierung mit einer funktionellen Abhängigkeit von der Tiefenposition in der Basis aufweist, die Dotierung am Emitter-Basis-Übergang am geringsten ist und mit zunehmendem Abstand zum Emitter-Basis-Übergang zunimmt, wobei die Zunahmerate zum Verbessern des Wirkungsgrads der Solarzelle gewählt ist.
  6. Solarzelle nach Anspruch 1, worin der Emitter der Teilzelle eine Dotierung mit einer funktionellen Abhängigkeit von der Tiefenposition im Emitter aufweist, die Dotierung am Emitter-Basis-Übergang am geringsten ist und mit zunehmendem Abstand zum Emitter-Basis-Übergang zunimmt, wobei die Zunahmerate zum Verbessern des Wirkungsgrads der Solarzelle gewählt ist.
  7. Solarzelle nach Anspruch 1, die zumindest drei Teilzellen aufweist, und zwar eine erste Teilzelle, eine zweite Teilzelle und eine dritte Teilzelle, wobei die erste Teilzelle die Schwachnitridteilzelle ist, die erste Teilzelle ein an das darunter befindliche Substrat angepasstes Gitter aufweist und die Schwachnitridteilzelle einen ersten Bandabstand aufweist, welcher der kleinste von erster, zweiter und dritter Teilzelle ist; die zweite Teilzelle sich auf der ersten Teilzelle befindet, ein an die erste Teilzelle angepasstes Gitter und einen zweiten Bandabstand aufweist, der größer als der erste Bandabstand ist; und die dritte Teilzelle auf der zweiten Teilzelle ausgebildet ist und ein an die zweite Teilzelle angepasstes Gitter aufweist, und wobei die dritte Teilzelle die zuoberst angeordnete Teilzelle ist und einen dritten Bandabstand aufweist, der größer als der erste Bandabstand und der zweite Bandabstand ist.
  8. Mehrfachübergangssolarzelle nach Anspruch 1, worin die Basis einen ersten Dotierungsteilbereich und einen zweiten Dotierungsteilbereich aufweist, wobei der erste Dotierungsteilbereich an den Emitter-Basis-Übergang angrenzend angeordnet ist und eine konstante Dotierung aufweist, und wobei der zweite Dotierungsteilbereich eine mit zunehmendem Abstand weg vom Emitter-Basis-Übergang zunehmende Dotierung aufweist.
  9. Mehrfachübergangssolarzelle nach Anspruch 1, die eine erste Teilzelle, eine zweite Teilzelle, eine dritte Teilzelle und eine vierte Teilzelle aufweist, wobei die erste Teilzelle einen ersten Bandabstand aufweist, welcher der kleinste ist; die zweite Teilzelle die Schwachnitridteilzelle umfasst, wobei die Schwachnitridteilzelle ein im Wesentlichen an die darunter angrenzend angeordnete Struktur angepasstes Gitter aufweist und der Bandabstand der Schwachnitridteilzelle größer als der erste Bandabstand ist; die dritte Teilzelle ein an die zweite Teilzelle angepasstes Gitter und einen dritten Bandabstand aufweist, der größer als der Bandabstand der zweiten Teilzelle ist; und die vierte Teilzelle ein an die dritte Teilzelle angepasstes Gitter aufweist, wobei die vierte Teilzelle einen größeren Bandabstand als die dritte Teilzelle aufweist.
  10. Mehrfachübergangssolarzelle, die Folgendes aufweist: zumindest eine Teilzelle, die einen Emitter, eine Basis und einen Emitter-Basis-Übergang aufweist, wobei die Basis einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich umfasst, der erste Dotierungsteilbereich an den Emitter-Basis-Übergang angrenzt und nicht dotiert ist und der zweite Dotierungsteilbereich eine Dotierung aufweist, die mit zunehmendem Abstand weg vom Emitter-Basis-Übergang zunimmt.
  11. Mehrfachübergangssolarzelle nach Anspruch 10, worin eine Schwachnitridteilzelle die zumindest eine Teilzelle bildet.
  12. Verfahren zum Bilden eines graduierten Dotierprofils, wobei das Verfahren aufweist: Aufwachsen lassen einer Basis einer Schwachnitridteilzelle einer Mehrfachübergangssolarzelle in einer Atmosphäre, die einen Dotierstoff enthält, wobei der Dotierstoff eine Konzentration aufweist, die sich zum Schaffen eines graduierten Dotierprofils in der Basis während des Aufwachsens von einem Maximum zu einem Minimum ändert.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, das ein Ausheilen der die Schwachnitridteilzelle enthaltenden Mehrfachübergangssolarzelle umfasst.
  14. Verfahren zum Bilden eines graduierten Dotierprofils, wobei das Verfahren aufweist: Aufwachsen lassen eines Emitters einer Schwachnitridteilzelle einer Mehrfachübergangssolarzelle im Anschluss an das Aufwachsen lassen einer Basis, wobei der Emitter in einer einen Dotierstoff enthaltenden Atmosphäre aufwächst und der Dotierstoff eine Konzentration aufweist, die sich zum Schaffen eines graduierten Dotierprofils im Emitter während des Aufwachsens von einem Minimum zu einem Maximum ändert.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, das ein Ausheilen der die Schwachnitridteilzelle enthaltenden Mehrfachübergangssolarzelle umfasst.
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