DE1194515B

DE1194515B - Sonnenzelle

Info

Publication number: DE1194515B
Application number: DEW30023A
Authority: DE
Inventors: David Allmond Kleinman
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1960-05-24
Filing date: 1961-05-19
Publication date: 1965-06-10
Also published as: US3175929A; BE604166A; JPS39877B1; GB994213A; FR1289966A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOlI

Deutsche Kl.: 21 g - 29/10

Nummer: 1194515

Aktenzeichen: W 30023 VIII c/21 g

Anmeldetag: 19. Mai 1961

Auslegetag: 10. Juni 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonnenzelle mit einem von zwei größeren Flächen begrenzten, scheibenförmigen Halbleiterkörper, der im Innern mindestens einen pn-Übergang aufweist, der sich über die ganze Scheibe erstreckt und, unterhalb einer der größeren Flächen verlaufend, in einer Tiefe angeordnet ist, die kleiner ist als die mittlere Eindringtiefe des hierauf einfallenden Lichtes.

Eine Sonnenzelle ist ein Halbleiterbauelement, das zur Umwandlung einfallender Sonnenstrahlung in elektrische Energie verwendet wird. Sie besteht aus einem Halbleiterplättchen, z. B. aus einem Siliziumplättchen, mit einem großflächigen pn-Übergang, der dicht unterhalb einer größeren Fläche des Plättchens angeordnet ist und sich parallel zu ihr erstreckt. Bei Einfall von Sonnenstrahlung oder Licht auf diese größere Fläche ergibt sich eine Zunahme von Elektronen-Löcher-Paaren in der Nachbarschaft des pn-Übergangs, der dazu dient, um die Löcher und Elektronen zu trennen und zu sammeln. Über sperrschichtfreie elektrische Verbindungen an den Plättchen auf beiden Seiten des Übergangs wird der sich ergebende Strom einem Verbraucher zugeführt.

Die Zelle liefert einen Strom, der der einfallenden Strahlung proportional ist. Sie wird meist als lokale Stromquelle für Nachrichtenübertragungsgeräte in abgelegenen Gebieten und in Raumfahrzeugen verwendet. Elemente dieser Art sind in der Fachwelt gut bekannt.

Eines der Hauptprobleme bei Sonnenzellen besteht darin, deren Energieabgabe zu vergrößern, ohne gleichzeitig die Zelle vergrößern zu müssen, also den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Demgemäß zielt die Erfindung darauf ab, eine Sonnenzelle erhöhten Wirkungsgrades zu schaffen.

Es ist eine Sonnenzelle bekannt, bei der mehrere Halbleiterplättchen unterschiedlichen Halbleitermaterials, die je einen pn-Übergang aufweisen, übereinandergeschichtet sind, wobei zwischen den einzelnen Halbleiterplättchen je eine Quarzscheibe angeordnet ist. Die Halbleiterplättchen sind extrem dünn ausgebildet, so daß hierauf einfallendes Licht alle Halbleiterplättchen durchdringen kann. Jedes Halbleiterplättchen bildet daher eine Sonnenzelle für sich. Diese Sonnenzellen sind nun elektrisch so miteinander verbunden, daß sie in Serie liegen. Der Zweck der bekannten Anordnung liegt darin, durch die Verwendung verschiedener Halbleitermaterialien eine konstante spektrale Empfindlichkeit der gesamten Anordnung gegenüber Sonnenlicht zu erhalten. Diese Anordnung hat aber auf Grund der sehr dünn ausgebildeten Halbleiterplättchen, die überdies noch in Sonnenzelle

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

David Allmond Kleinman, Plainfield, N. J.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 24. Mai 1960 (31354) --

Serie geschaltet sind, einen vergleichsweise hohen Innenwiderstand mit der Folge, daß der Gesamtwirkungsgrad klein wird.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, den Sammelwirkungsgrad und damit auch den Gesamtwirkungsgrad einer Sonnenzelle zu verbessern. Unter Sammelwirkungsgrad soll folgendes verstanden werden: Ein Teil der insgesamt durch den Lichteinfall erzeugten Minoritätsladungsträger diffundiert zum pn-Übergang hin und stellt den eigentlichen Beitrag zum Zellenstrom dar, während ein anderer Teil der Ladungsträger vom pn-Übergang wegdiffundiert und im »tiefen« Innern bzw. an der Oberfläche der Zelle rekombiniert. Der Prozentsatz der insgesamt erzeugten Minoritätsladungsträger, der zum Zellenstrom beiträgt, wird als Sammelwirkungsgrad bezeichnet.

Die Aufgabe der Erfindung ist für eine Sonnenzelle der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß zur Erhöhung des Sammelwirkungsgrades ein zweiter pn-Übergang vorgesehen ist, der bei gleicher Ausdehnung parallel zum ersten pn-Übergang und in einer größeren Tiefe als dieser verläuft, und zwar unter Bildung einer Zwischenzone, deren Dicke in der Größenordnung der Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger liegt, und daß die eine Elektrode der Zelle von der Zwischenzone und die andere Elektrode von den beiden äußeren Zonen unter Parallelschaltung derselben über sperrschichtfreie Anschlußkontakte herausgeführt sind.

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Hierdurch kann auf einfache Weise, wie nach- gangs und der Diffusionslänge der Minoritätsladungsstehend noch im einzelnen gezeigt werden wird, der träger für das bestimmte Material abhängt.
Sammelwirkungsgrad einer Sonnenzelle erhöht werden. Messungen mit Hilfe herkömmlicher Methoden Eine optimale Verbesserung erhält man dadurch, daß zeigen den größeren Wirkungsgrad von Sonnenzellen bei vorgegebener Lage des ersten Überganges und 5 mit zwei Übergängen gegenüber Zellen mit nur einem vorgegebener Diffusionslänge der zweite Übergang in Übergang. Außerdem macht der verbesserte Wirkungseiner Tiefe b angeordnet ist, die so gewählt ist, daß der grad die Verwendung von Halbleitern möglich, die Ausdruck günstigere Energieniveaus als Silizium besitzen, wie j j z. B. Galliumarsenid, das normalerweise einen kleine-1 + tgh — (η— ξ) 1—tgh — (η—ξ) ίο ren Sammelwirkungsgrad hätte.

F(fl). ^ 2 Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich-

F(S) 1 + ctgh ξ 1 + ctgh ξ ^nung beschrieben; es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt eines Ausführungs-

= A_ist ^ ^/^££%Ά*π, „er durch die

und α die Entfernung des ersten Übergangs von der Sonneneinstrahlung erzeugten Konzentration der im einen Fläche, L die Diffusionsweglänge der Minoritäts- Überschuß vorhandenen Minoritätsladungsträger in ladungsträger und F (rf), F (ξ) den Wert der Photo- Abhängigkeit vom Abstand zu der beleuchteten Oberdichtefunktion [Gleichung (10)] an der Stelle η bzw. ξ fläche in einem homogenen Halbleiter eines Leitfähigbedeuten. ao keitstyps,

Bei Phototransistoren ist die Verwendung zweier F i g. 3 die graphische Darstellung des relativen

untereinanderliegender pn-Übergänge bekannt. Hier- Sammelwirkungsgrades in Abhängigkeit vom Ab-

bei tritt der photoelektrische Teil an die Stelle des stand eines zweiten pn-Überganges zu der beleuchteten

Emitters eines gewöhnlichen Transistors. Die Erf order- Oberfläche einer Sonnenzelle für den Fall, daß der

nisse bei einer solchen Vorrichtung sind völlig ab- 25 erste Übergang so angeordnet ist, daß er wirksame

weichend von denen eines Sonnenenergiewandlers, da Sammeleigenschaften besitzt,

Phototransistoren Verstärker sind, die von einer F i g. 4 A die Aufsicht einer weiteren erfindungs-

Energiequelle mit Spannung versorgt werden, nicht gemäßen Ausführungsform und

aber selbst primäre Energiequellen darstellen. Ferner Fig. 4B einen Querschnitt der Ausführungsform

ist dort, wie bei Transistoren üblich, die Zwischenzone 30 nach F i g. 4A.

oder die Basiszone so dimensioniert, daß ihre Dicke Es soll betont werden, daß die Figuren nur der

wesentlich kleiner ist als die Diffusionsweglänge der Erläuterung dienen und daher nicht maßstabgerecht

Minoritätsladungsträger. sind.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt Im einzelnen besteht nach F i g. 1 die Sonnenein als scheibenförmiger Halbleiterkörper dienendes 35 zelle 10 aus einem halbleitenden Silizium-Einkristall-Halbleiterplättchen eine Zone eines ersten Leitfähig- plättchen 11, das z. B. die Maße 1,27 ■ 1,27 ■ 0,05 cm keitstyps zwischen zwei äußeren Zonen eines zweiten aufweisen kann. Es besitzt drei Zonen 12, 13 und 14 Leitfähigkeitstyps. Diese drei Zonen bilden zwei mit p-n-p-Leitfähigkeit, die zwei pn-Übergänge 15 und pn-Übergänge, die zu einer Oberfläche des Plättchens 16 bilden. Bevorzugt sind die Übergänge 15 und 16 parallel sind. Der erste Übergang liegt vorteilhafter- 40 10~⁴ bzw. 3,2 · 10~~⁴ cm von der in der Figur oberen weise weniger als 1 bis 3 · 10~* cm unterhalb der be- Oberfläche 26, hier beleuchtete Oberfläche genannt, leuchteten Oberfläche. Der zweite Übergang hat eine entfernt. Diese Abstände sind für ein Siliziumplättchen bestimmte Entfernung von dem ersten Übergang, und einer Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger von diese Entfernung hängt von der Anordnung des ersten ungefähr 10~² cm günstig. Eine solche Ausführung Übergangs und der Diffusionslänge der Minoritäts- 45 kann mit Hilfe der bekannten Diffusionstechnik herladungsträger ab, die eine Eigenschaft des benutzten gestellt werden. Ein Leiter 19 ist mit der Zone 13 Materials ist. Typischerweise liegt dieser Abstand etwa über einen sperrschichtfreien Kontakt 20 verbunden, zwischen dem Ein- und Dreifachen der Diffusions- Die Zonen 12 und 14 sind über sperrschichtfreie länge. Getrennte Kontakte mit niedrigem Übergangs- Kontakte 21 und 22 parallel geschaltet, und der Anwiderstand führen zu allen drei Zonen, wobei die 50 Schluß ist über einen gemeinsamen Leiter 24 heraus-Kontakte der beiden äußeren Zonen miteinander ver- geführt,
bunden sind. Die Zone 14 ist im Vergleich zu den Zonen 12 und

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfin- 13 verhältnismäßig dick ausgeführt. Auf diese Weise

dung wird die mittlere Zone von zylinderförmigen bleibt das Element ohne eine entsprechende Beein-

Teilen durchdrungen, die aus dem gleichen Material 55 trächtigung des Wirkungsgrades mechanisch stabil,

wie die beiden äußeren Zonen bestehen. Diese zylinder- wenn nicht beide Oberflächen der Zelle der Sonnen-

förmigen Teile bilden eine innere elektrische Verbin- strahlung ausgesetzt werden sollen. Im Ergebnis be-

dung zwischen den beiden äußeren Zonen, so daß sitzen beide Übergänge der Ausführungsform nach

hierdurch der Innenwiderstand der Zelle herabgesetzt Fig. 1, wenn diese, wie angegeben, dimensioniert

wird. Die drei Zonen stellen mit Ausnahme der 60 ist, eine Entfernung von der beleuchteten Oberfläche,

zylinderförmigen Verbindungen zwei pn-Übergänge die kleiner ist als die mittlere Eindringtiefe des auf-

dar, die parallel zu der beleuchteten Fläche des Halb- fallenden Lichtes. Andererseits sind beide Übergänge

leiterplättchens verlaufen. Der eine pn-übergang ist vor rückwärtiger Einstrahlung geschützt, die auf die

wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungs- gegenüberliegende Oberfläche der Sonnenzelle einfällt,

beispiel ungefähr 1 bis 3 · 10~⁴ cm unter der beleuch- 65 Ein bevorzugter Wert für die Dicke der Zone 14 ist

teten Fläche angeordnet, und der zweite Übergang 0,0076 cm. Die mittlere oder effektive Eindringtiefe

hat einen vorbestimmten Abstand von dem ersten kann definiert werden als die Tiefe, in der ein Photon

Übergang, der von der Anordnung des ersten Über- mittlerer Energie absorbiert wird.

Die Arbeitsweise ist folgende: Lichtstrahlung 52 fällt auf die Oberfläche 26 des Halbleiterplättchens 11 ein. Elektronen-Löcher-Paare werden im Plättchen erzeugt und ergeben einen Stromfluß /in den Leitern 19 und 24, wenn diese über einen Widerstand angeschaltet werden.

Wie bei früher bekannten Zellen stellt die Anordnung des ersten Übergangs einen Kompromiß dar. Der hohe Rekombinationswert an der Oberfläche, der für alle Sonnenzellen charakteristisch ist, verlangt für einen maximalen Wirkungsgrad, daß jener so dicht wie möglich unter der Oberfläche angeordnet wird. Andererseits ist es wichtig, eine zu dünne Oberflächenschicht zu vermeiden, um die durch den dann hohen Innenwiderstand auftretenden inneren Verluste in der Zelle auf einen vernünftigen Wert zu begrenzen. Ein günstiger Kompromiß ergibt sich, wenn der erste Übergang zwischen 1 · 10~⁴ und 3 · 10~⁴ cm unter der beleuchteten Oberfläche angeordnet wird.

Die Entfernung des zweiten Übergangs wird so gewählt, daß von diesem noch diejenigen Ladungsträger, welche zu weit vom ersten Übergang entfernt liegend erzeugt werden, als daß sie noch wirksam durch den ersten Übergang gesammelt werden könnten, mit maximaler Ausbeute gesammelt werden können. Folglich sollte dieser zweite Übergang so angeordnet sein, daß er nicht wesentlich unter einer Diffusionsweglänge von dem ersten Übergang entfernt ist, da dieser Bereich vom ersten Übergang allein bewältigt werden kann. Andererseits ist es nicht günstig, den zweiten Übergang wesentlich unterhalb der effektiven Eindringtiefe der Strahlung und zu weit von den Stellen der Erzeugung der Löcher-Elektronen-Paare entfernt zu legen. Die effektive Eindringtiefe hängt vom Halbleitermaterial ab. Auf Grund einer weiter unten im einzelnen vorgenommenen Analyse findet man, daß die Anordnung des zweiten Überganges vorteilhafterweise in einer Entfernung von etwas weniger als einer bis ungefähr drei Diffusionslängen zu der beleuchteten Oberfläche einer Siliziumzelle erfolgen sollte, wobei der optimale Abstand im einzelnen vom jeweils gewählten Wert der Diffusionslänge im Siliziummaterial abhängt. Diese Analyse ist aber auch auf andere Halbleitermaterialien anwendbar und ergibt analoge Resultate.

Einen geeigneten Ausdruck für den Sammelwirkungsgrad einer Sonnenzelle erhält man durch Lösung einer Gleichung, die die Erzeugung, Diffusion und Rekombination der Minoritätsladungsträger unter der Bedingung beschreibt, daß die Dichte der Minoritätsladungsträger an jedem Übergang, an der Oberfläche des Elementes und im Unendlichen verschwindet. Die Lösung dieser Gleichung wird in den Ausdruck für den Kurzschlußstrom I₉, den gesamten Diffusionsstrom aller Übergänge, eingesetzt. Den Sammelwirkungsgrad Q erhält man in Form eines gewünschten Parameters als Faktor des Ausdruckes für I_g.

Ein theoretischer Ausdruck für den Wirkungsgrad einer Sonnenzelle mit einem Übergang ist von W. G. P f a η η und W. W. Rossbroeck im »Journal of Applied Physics«, Nr. 25, S. 1422, 1954, angegeben worden. Diesen Ausdruck erhält man auf Grund eines Ersatzschaltbildes für die Sonnenzelle. Nach diesem Ersatzschaltbild kann man die Sonnenzelle als Generator des Stromes I₉ betrachten, der mit einem pn-Übergang solcher Polarität parallel geschaltet ist, daß ein Teil des Stromes I₉ durch den Übergang in Vorwärtsrichtung gewissermaßen als innerer »Kurzschlußstrom« fließt, während der restliche Strom als eigentlich nutzbarer Strom über die Belastung fließt.

Es ist bekannt, daß der Sammelwirkungsgrad einer Sonnenzelle errechnet werden kann, wenn I_g und die

Strom-Spannungs-Kennlinie des Übergangs bekannt sind.

Für den Generatorstrom gilt dann die Gleichung

= eNA-Q,

worin β der Sammelwirkungsgrad ist, e die Ladung eines Elektrons, A der Querschnitt und

JV = j N(X) dX

der gesamte Fluß der Photonen von der Wellenlänge O bis zur Grenzwellenlänge λ₃ ist, die Löcher-Elektronen-Paare erzeugen können. Man beachte, daß der Strom Ig mit dem Kurzschlußstrom der Sonnenbatterie identisch ist.

Nachfolgend soll die räumliche Verteilung der Minoritätsladungsträger in einer Sonnenzelle und die mathematische Theorie der Sammlung der Minoritätsladungsträger betrachtet werden.

Wenn die Konzentration der Minoritätsladungsträger, verglichen mit der Konzentration der Majoritätsladungsträger klein ist, lautet die Gleichung für die Erzeugung, Diffusion und Rekombination der Minoritätsladungsträger

-w-

N(X)-(X(X)-e-^xxdX =0. (2)

In Gleichung (2) ist n(x) die Überschußkonzentration der Minoritätsladungsträger über die Gleichgewichtskonzentration. In der Gleichung bedeutet im einzelnen χ der Abstand von der Oberfläche und D die Diffusionskonstante; der Integralausdruck stellt die Erzeugung von Minoritätsladungsträgern durch Licht einer spektralen Photonenverteilung N(X) in einem Material des Absorptionskoeffizienten oc(X) und der Absorptionskante oder Grenzwellenlänge X G dar. Da im typischen Fall der Maximalwert von η bei etwa 10¹²/cm³ liegt, ist die Gültigkeit der Gleichung (2) auch für eine beträchtliche Sonnenlichtintensität gesichert.

Das Problem bei Sonnenzellen besteht in der Berechnung des Kurzschlußstromes, der dem gesamten Diffusionsstrom aller Übergänge entspricht,

I_E =

an	+ a—	an
dx	äx

(3)

0,+

Wenn man die Beiträge beider Seiten a— und «+ jedes Überganges an der Stelle χ = a in Betracht zieht. In dieser Gleichung steht für jeden Übergang ein Ausdruck. Zur Vereinfachung soll der gleiche Wert der Diffusionskonstanten D für die Löcher und Elektronen und auch die gleiche Lebensdauer benutzt werden. In Gleichung (3) ist n(x) die Lösung der Gleichung (2), die den obengenannten Grenzbedingungen genügt.

Eine spezielle Lösung der Gleichung (2), die nicht die in »Physical Review«, 99, S. 1151, 1955, von allen Grenzbedingungen, sondern nur den Bedingun- W. D a s h und R. N e w m a η bzw. in »Smithsonian gen n(oo) = n(o) = 0 genügt, ist Physical Tables«, herausgegeben von W. E. F ο r -

s y t h e (Smithsonian Institution, Washington, 1954), ¹G j- _χ -, 5 angegeben ist. F(s) wird getrennt für jeden Halbleiter

_n(_x\ _ [ N(V)- ^τ ^ ffl . J _e- ctx _e—zr I (j α ^aus dem gemessenen Absorptionskoeffizienten be-

J 1 — Ä²L-^a ^ ' ' rechnet und kann durch numerische Integration leicht

ο berechnet werden.

(4) Wenn F(s) vorhanden ist, kann die Lösung für

ίο n(x) nach Gleichung (2) allgemein angesetzt werden als Physikalisch stellt diese Lösung die Überschuß-

konzentration der Minoritätsladungsträger dar, die _η(χ) — £lO- ■ /4 _es -f Bt~^s + F(s)\. (11)

die Sonneneinstrahlung in einem homogenen Halb- L

leiter ohne Übergang erzeugen würde. Für die weiteren „_r , . , „ ..,, , _n . , _

Überlegungen ist es zweckmäßig, L = (Dr)V₂, die 15 . ™^{eTden A} ^und. ^B ^{so ge}^!^ahlt' ^daß _T ^s.^{ie den}.^Grenz" Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger, als bedingungen genügen ergibt sich als Losung fur einen Längeneinheit zu benutzen, folgende dimensionslose Übergang im Bereich O < χ < a
Abkürzungen einzuführen: ,_r f . , ]

s=-*-, (5) ²⁰ ^L I ^smhf J

und im Bereich a < χ < oo

25 ^L

ξ = — (7)

/ ' Der Strom Ig kann dann leicht aus Gleichung (3)

gefunden werden zu
und eine Funktion zu definieren j_g = _eNA · F(ξ) · {1 + ctgh ξ}. (14)

φ(_ζ\ — ^eZ~^ (Q\ Zur Lösung dieser Aufgabe ist es nicht notwendig

^z -τ— zu kennen. Die Kenntnis nur VOnF(J) ergibt schon

Dann kann Gleichung (4) umgeschrieben werden in eine vollständige Lösung des Sammelproblems. Diese

35 Methode hat den Vorteil, daß das Sonnenspektrum

_n,_JA __ ^Lp(_s\ (9) ^{nur em} für allemal integriert werden muß, wonach

L jede Lösung der Gleichung (2) konstruiert werden

kann.

worin F(s) ein Integral über das Sonnenspektrum, die Der Sammelwirkungsgrad Q in Gleichung (1) ist der

sogenannte Leuchtdichtefunktion, darstellt, nämlich 40 Faktor, mit dem eNA in Gleichung (14) multipliziert

x_a ist. Wenn man mit Q₁ den Sammelwirkungsgrad einer

/ß einen einzigen Übergang bei χ = α oder s = ξ

^v W ο ' ^ [^J (1 ~ ßft da, aufweisenden Sonnenzelle bezeichnet, ergibt sich aus

₀ ^L + P Gleichung (14) durch Vergleich mit Gleichung (1) zu

_Ν(λ) ⁴⁵ βι=^(8{1 +ctghf}. (15)

worin ν (X) = die normierte spektrale Photonen- τ^ο ι·ι j-j t__^-j

' ν ^r Der Sammelwirkungsgrad wird verbessert, indem

verteilung bedeutet. . _fV, , . , , b

Tatsächüch ist F(s) aber nicht nur eine Funktion em zweiter Übergang bei χ = b oder s =η = - an-

von s, sondern auch von L. In F i g. 2 ist F(s) in 50 geordnet wird. Einige Ladungsträger, die zu weit

Abhängigkeit von der Entfernung, ausgedrückt in von dem ersten Übergang entfernt sind, werden vom

Vielfachen der Diffusionsweglänge, von der beleuch- zweiten Übergang gesammelt. Die Lösung für n(x) für

teten Oberfläche für drei Diffusionsweglängen 1O~⁴, das Gebiet O < χ < α wird in diesem Fall weiterhin

ΙΟ"³, lO-^a cm aufgetragen. Die Kurve basiert auf der durch Gleichung (12) befriedigt; der Rest der Lösung

Absorptionskurve für Silizium im Sonnenspektrum, 55 ergibt sich nach einiger Durchrechnung für a < χ < b

F(A (16)

ψU)^^ iSi ^
L { smh (??-!) sinh (??-

und für b < χ < oo eine Zelle mit zwei Übergängen zu

-&-Ρ(η)}. (17)

ctghf

Daraus ergibt sich der Sammelwirkungsgrad für [²J'

Die Überlegenheit des Elements mit zwei Übergängen gegenüber einem Element mit nur einem Übergang (wobei der erste Übergang bei jenem in der gleichen Tiefe angeordnet ist) kann gemessen werden durch die Größe

- Öi

δ =

Öl

oder unter Berücksichtigung der Gleichungen (15) und (18)

1 + ctgh ξ

(19)

F(S)

1 + ctgh ξ

Null gemacht werden, wenn die Zelle mit monochromatischem Licht der Absorptionskantenwellenlänge bestrahlt wird. Bei Sonnenlicht ist dies aber (wegen des breiten Spektrums) naturgemäß nicht der Fall. So betragen die hierdurch entstehenden Energieverluste bei Silizium mit höheren Werten der Diffusionsladungsträger nach Lo f er ski, Journ. Appl. Phys., 27, 1956, S. 777, etwa 53% der einfallenden Lichtenergie des Sonnenspektrums. Nachfolgend soll

ίο der Gesamtwirkungsgrade einer Sonnenzelle betrachtet werden. Für große Beleuchtungsstärken, wie z. B. bei Sonnenbestrahlung, ist der relative Strom G (eine dimensionslose und zu I_g proportionale Größe) normalerweise sehr groß, ungefähr 10⁷. In diesem Bereich ergibt sich aus der obengenannten Beziehung von P f a η η und van Roosbroeck

Dieser Weg ist die erhaltene Verbesserung bezogen auf den Sammelwirkungsgrad eines einzigen Überganges. Um die optimale Anordnung des zweiten Übergangs zu bestimmen, gibt man α und L vor. Ein typischer Wert für a, der Tiefe des ersten Übergangs, ist 1O^-4Cm; auf dieser Basis ist δ=δ(ή) für drei Werte von L, der Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger, in F i g. 3 aufgetragen. Es ist zu sehen, daß ö(rj) ein gut ausgeprägtes Maximum besitzt, das die optimale Anordnung für den zweiten Übergang bei gegebenen α und L bestimmt. In der Tabelle sind, für drei Werte von L, in der zweiten Spalte der Sammelwirkungsgrad Q₁ eines einzigen Überganges und in der dritten Spalte der sich aus Gleichung (19) ergebende Maximalwert für δ(ή) angegeben alle auf Grund eines Wertes a = 1O^-4 cm und der Funktion F(s) für Silizium.

Tabelle

kT
—

(20)

worin k = Boltzmann-Konstante, T = absolute

Temperatur in °K, G = -γ-, I₀ der charakteristische

■Ό

Strom des Übergangs und W die zur Erzeugung eines Löcher-Elektronen-Paares erforderliche Energie ist, wie in der angegebenen Literaturstelle definiert.

Der Wirkungsgrad eines Elementes mit zwei Übergängen kann geschrieben werden

kT

■In

Öl

(21)

	Cntnmai	Gegenüber Q₁	Gesamt
	oanunel·· wirkungsgrad Ι^αΪ pinam	maximal	wirkungsgrad
	OCi. CIiIClIl Übergang	erreichbare	einer Zelle
Diffu sions		relative Verbesserung	mit zwei Übergängen
weglänge		des Sammel	im Vergleich
	Öl	wirkungsgrades	zu einer Zelle
	0,186	bei zwei	mit einem
	0,420	Übergängen	Übergang
I, (cm)	0,634	*Vmax*	δ'
ΙΟ"⁴	0,443	0,417
ΙΟ"³	0,258	0,226
ίο-²	0,092	0,055

worin der Ersatz von G durch -=- G der Verdoppelung

der Übergangszone Rechnung trägt. Eine Maßzahl für die erhaltene relative Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades wird definiert zu

(22)

Aus den Gleichungen (20) und (21) und der Beziehung -^n = 1 + δ ergibt sich

InG

(23)

Die Tabelle und F i g. 3 ergeben, daß durch den zweiten Übergang eine beträchtliche relative Verbesserung erreicht wird, wenn die Diffusionsweglänge L ungefähr 10-⁴cm beträgt. Die relative Verbesserung ist kleiner für Diffusionsweglängen von ungefähr 10~² cm. Bei einer Betrachtung der Spalte für Q₁ sieht man, daß die unergiebigsten Zellen, unergiebig wegen der sehr kleinen Diffusionsweglänge, am meisten von dem zweiten Übergang profitieren. Gerade diese Zellen sind aber besonders interessant, da die Grenzfrequenz des Lichtes, bei der gerade noch die für die Erzeugung eines Elektronen-Löcher-Paares erforderliche Energie vorhanden ist, bei kleinen Diffusionsweglängen erwünscht hoch liegt. Das heißt, daß die überschüssige Energie, die bei einer Bestrahlung mit Licht höherer Energie als der Grenzenergie in Form unerwünschter momentaner lokaler Erwärmung des Kristallgitters frei wird, kleiner gehalten werden kann. Theoretisch kann dieser Energieverlust nur dann zu Die letzte Spalte der Tabelle gibt Werte für δ' an, die durch Einsetzen von In G = 18 in Gleichung (23) erhalten werden. Für die gezeigten Fälle ist δ' nur etwas kleiner als δ, so daß der zweite Übergang auch den Gesamtwirkungsgrad verbessert.

Die Entfernung zwischen der Oberfläche des Halbleiterplättchens und dem zweiten Übergang wird mit kurzen Worten so gewählt, daß sich eine maximale Verbesserung des Sammelwirkungsgrades ergibt. Eine solche Auswahl bestimmt die Funktion

wobei a = £L die Entfernung zwischen der Oberfläche des Halbleiterplättchens und dem ersten Übergang und L die Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger ist. Die Tabelle zeigt, daß für alle praktischen Zwecke bei großen Verbesserungen δ',

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ungefähr gleich δ ist. Daher kann d_max benutzt werden, um η zu bestimmen. Beispielsweise Berechnungen liefern für Silizium b = 3,2 · 10~⁴ cm, 1,3 · IC)-³ cm, 0,8 · 10-² cm, Z- = 10-*, K)-³ bzw. 10~² cm, wenn a = 10~⁴ cm ist. Geeignete andere Materialien, wie z. B. Galliumarsenid, die gegebenenfalls kleinere Sammelwirkungsgrade als Silizium haben, zeigen eine größere Verbesserung durch diese Erfindung.

Es sind auch andere Ausführungsformen der Erfindung möglich. Beispielsweise ergeben sich gewisse Vorteile, wie eine Verringerung der ohmschen Verluste, indem innere elektrische Verbindungen zwischen den (äußeren) Zonen gleichen Leitfähigkeitstyps vorgesehen werden. Dieses Merkmal ist in der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach F i g. 4A und 4 B enthalten. Das Element besteht aus einem Halbleiterkristallplättchen, z. B. der Abmessung 1,27 · 1,27 · 0,05 cm. Das Plättchen ist in drei Zonen 33, 34 und 35 unterteilt, die beispielsweise p-, n- und p⁺-Zonen sein können. Diese Zonen sind parallel zur Fläche 36, der beleuchteten Oberfläche orientiert. pn-Übergänge31 und 32 werden durch die Grenzflächen zwischen den Zonen 33 und 34 bzw. 34 und 35 gebildet. Kleine zylinderförmige Teile 38, die in F i g. 4A und 4 B gezeigt sind, ergeben eine Vielzahl innerer elektrischer Verbindungen zwischen den (äußeren) Zonen 33 und 35. Sperrschichtfreie Kontakte 39 und 40 sind mit den p- bzw. n-Leitfähigkeitszonen verbunden. Wie in F i g. 1 ist die Zone 33 verhältnismäßig dick gegenüber den Zonen 34 und 35.

Ein Element nach F i g. 4 A wird mit Hilfe gut bekannter Verfahren durch Läppen und Ätzen eines 1,27 · 1,27 · 0,05 cm großen einkristallinen Plättchens p-leitenden Siliziums, das einen Widerstand von 0,1 Ohm pro Quadratzentimeter aufweist, hergestellt. Das Plättchen wird dann in feuchtem Sauerstoff auf 110° C 8 Stunden lang erwärmt, so daß das Plättchen von einem 6000 Ä dicken Überzug aus Siliziumoxyd umgeben wird. Anschließend wird eine Lösung von schwarzem Apiezonwachs W in Trichloräthylen durch eine eine Anzahl Löcher aufweisende metallische Maske auf Teile einer Hauptfläche des Elementes gesprüht. Dadurch werden die verbleibenden Oberflächen des Elementes mit dem Wachs bedeckt, mit Ausnahme eines Teiles der gegenüberliegenden Hauptfläche des Elementes. Dann wird das Element ungefähr 3 Minuten in einer konzentrierten Fluorwasserstoffsäure geätzt, um die Oxydschicht von den nicht mit Wachs bedeckten Teilen zu entfernen, und anschließend in Trichloräthylen gewaschen, um das Wachs zu entfernen. Danach wird das Element auf 1250⁰C in einer Atmosphäre roten Phosphors 4 Stunden lang erhitzt, um eine Schicht mit η-Leitfähigkeit auf der Oberfläche zu erzeugen, die eine Dicke von 0,0015 cm, eine Oberflächenkonzentration von 10¹⁹ Atomen pro Kubikzentimeter und einen Oberflächenwiderstand von etwa 3 Ohm pro Quadratzentimeter aufweist. Die Oberfläche wird dann zur Entfernung des Oxydes in Fluorwasserstoff gespült. Danach ergibt eine Erhitzung auf 1200⁰C für 10 Minuten in einer B₂O₃-Dampf-Atmosphäre eine p+-Schicht auf der Oberfläche von 0,00018 cm Dicke, die eine Oberflächenkonzentration von ungefähr 5 · 10²⁰ Atomen pro Kubikzentimeter und einen Oberflächenwiderstand von 4 Ohm pro Quadratzentimeter aufweist. Dann folgt ein Abspulen in Fluorwasserstoff, um das restliche Oxyd zu entfernen, und die Kontaktierung der η-Zone mit einer Gold-Antimon-Legierung. Die p-Zone wird mit Aluminium durch bei 600⁰C 1 Minute lang erfolgendes Legieren kontaktiert.

Obwohl die Erfindung an Hand Silizium-Sonnenzellen beschrieben worden ist, können auch andere Materialien verwendet werden, z. B. Galliumarsenid und Indiumphosphid.

Claims

Patentansprüche:

1. Sonnenzelle mit einem von zwei größeren Flächen begrenzten, scheibenförmigen Halbleiterkörper, der im Innern mindestens einen pn-Übergang aufweist, der sich über die ganze Scheibe erstreckt und unterhalb einer der größeren Flächen verlaufend in einer Tiefe angeordnet ist, die kleiner ist als die mittlere Eindringtiefe des hierauf einfallenden Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Sammelwirkungsgrades ein zweiter pn-Übergang vorgesehen ist, der bei gleicher Ausdehnung parallel zum ersten pn-Übergang und in einer größeren Tiefe als dieser verläuft, und zwar unter Bildung einer Zwischenzone, deren Dicke in der Größenordnung der Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger liegt, und daß die eine Elektrode der Zelle von der Zwischenzone und die andere Elektrode von den beiden äußeren Zonen unter Parallelschaltung derselben über sperrschichtfreie Anschlußkontakte herausgeführt sind.

2. Sonnenzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebener Lage des ersten Überganges und vorgegebener Diffusionslänge der zweite Übergang in einer Tiefe b angeordnet ist, die so gewählt ist, daß der Ausdruck

F(S)

1 + ctgh ξ

zu einem Maximum wird, worin η = -=- und

ξ = -y- ist und α die Entfernung des ersten Übergangs von der einen Fläche, L die Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger und F(rj), f(£) den Wert der Leuchtdichtefunktion [Gleichung (10)] an der Stelle?? bzw. ξ bedeuten.

3. Sonnenzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silizium besteht.

4. Sonnenzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einer halbleitenden Verbindung besteht.

5. Sonnenzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Galliumarsenid oder Indiumphosphid besteht.

6. Sonnenzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Zonen gleichen Leitfähigkeitstyps innerhalb des Halbleiterkörpers, ζ, B. über die Zwischenzone durchdringende Zylinder aus einem Material des gleichen Leitfähigkeitstyps verbunden sind.

7. Sonnenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe α nicht größer ist als 2L und die Tiefe b kleiner ist als die mittlere Lichteindringtiefe und daß der Abstand des zweiten Übergangs von der gegenüberliegenden

Fläche größer ist als die mittlere Eindringtiefe des hierauf einfallenden Lichtes.

8. Sonnenzelle nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Werte L = 10~⁴ cm, a = L und b = 3,2L.

9. Sonnenzelle nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Werte L = 10~³ cm, a = 10-⁴ cm und b = 1,3 · 10~³ cm.

10. Sonnenzelle nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch die Werte L = 10~² cm, a = ΙΟ"⁴ cm und b = 0,8 · IQ-² cm.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1129220, 1180896; USA.-Patentschrift Nr. 2 911 539.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen