DE19504754A1 - Photovoltaische und photoelektrische Bauteile - Google Patents

Photovoltaische und photoelektrische Bauteile

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Description

Die Erfindung betrifft photovoltaische und photoelektrische Bauteile, insbesondere Solarzellen und Dioden. Die Bauteile werden eingesetzt zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie bzw. von elektrischer Energie in unterschiedlich farbi­ ges Licht.
Bekannt ist die Möglichkeit, Sonnenenergie in elektrischen Strom umzuwandeln. Dazu dienen elektronische Bauteile in Solarzellen, die als Sonnenkollektoren in einem Schichtenpaketsystem mit ent­ sprechenden p/n-Übergängen angeordnet sind. Die Absorber- und Pufferschichten sind aus Verbindungshalbleitern hergestellt. Das können z. B. III-V-, II-VI- oder I-III-VI₂-Halbleitertypen sein. Innerhalb der jeweiligen Typgruppe sind prinzipiell auch Misch­ kristalle möglich.
In modernen technischen Anlagen werden Verbindungshalbleiter als Sonnenkollektoren verwendet, die Sonnenlicht in elektrische Energie mit einem theoretischen Wirkungsgrad von bis zu 28% umwandeln können, wobei jedoch de facto viel geringere Wirkungs­ grade erreicht werden.
Der tatsächliche Wirkungsgrad ist neben den grundlegend physika­ lischen Eigenschaften wesentlich bestimmt durch Realbauphänome­ ne, die den Wirkungsgrad z. B. durch Phasenübergänge, Grenz­ flächenmängel beim p/n-Übergang, Fremdphasen etc. verringern.
Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, sind Mischkristalle in Verwen­ dung, die sich allerdings bislang in ihrer Zusammensetzung nur jeweils innerhalb der Typgruppen, jedoch nicht zwischen ihnen bewegen. Mischkristalle innerhalb der Gruppen sind z. B. solche der Zusammensetzung III-V (InP) (GaAs), II-VI (CdTe-CdSe) oder I-III-VI₂ (Cu(InGa) (Se, S)₂) . Sie haben den Vorteil eines verbes­ serten Wirkungsgrades bei der Energieumwandlung, aber den Nach­ teil, daß das kontinuierliche Absorptionsverhalten innerhalb eines Systems durch eingeschränkte Mischkristallbildung oder z. B. durch niedrigsymmetrische Verbindungen und deren Orien­ tierungsproblematik sowie durch Fremdphasenbildung eingeschränkt ist. Zur Wirkungsgraderhöhung werden zur wenigstens partiellen Überwindung dieser Nachteile unterschiedliche Verbindungshalb­ leiter oder Mischkristalle desselben Typus wie III-V- oder I-III-VI₂- als Absorber bzw. als Puffer z. B. in Tandemzellen oder Multi-Terminal-Zellen benutzt.
Mischkristallbildung mit vollständiger oder nahezu vollständiger Mischbarkeit zwischen den beispielhaft genannten verschiedenen Typen ist bisher nur im Bereich hoher Temperaturen bekannt. Es ist jedoch nicht beschrieben, daß Mischkristallbildung zwischen verschiedenen Typgruppen bei Raumtemperatur stabilisierbar und damit einer Anwendung zugeführt werden könnte.
Die bisher in technischem Umfang, aber auch individuell (Wohn­ häuser) eingesetzten Kollektoren haben den Nachteil, daß ihr Wirkungsgrad gering ist. Das erschwert die Verbreitung dieser an sich wünschenswerten Energieumwandlungstechnik.
Bezüglich des hier implizite behandelten Verbindungshalbleiters CuInS₂ ist die Ursache darin zu sehen, daß CuInS₂ als typischer I-III-VI₂-Vertreter die vorab genannten Realbauphänomene mit den entsprechenden Nachteilen für den Wirkungsgrad aufweist. Ferner tritt bei diesem Material Rißbildung bei der Herstellung aus der Schmelze auf. Grenzflächenmängel bei p/n-Übergängen sind eben­ falls nicht selten. Ursachen der Nachteile des Standes der Tech­ nik sind also im wesentlichen im Absorptionsbereich, in der Materialzusammensetzung, im Realbau und der ausschließlich grup­ penäquivalent erfolgenden Mischkristallbildung zu sehen.
Ein weiterer Nachteil besteht gerade für Cd, Te, Se, As etc. beinhaltende Verbindungshalbleiter in der chemischen Zusammen­ setzung der Bauelemente, deren Gehalt an giftigen, schwer zu entsorgenden Elementen Probleme aufwirft. Diese Elemente fallen bei einer Außerbetriebnahme von Sonnenkollektoren in konzen­ trierter Form an und müssen aufwendig entsorgt werden.
Die Erfindung hat das Ziel, den Wirkungsgrad von Sonnenkollekto­ ren zu verbessern und dadurch ihre Einsatzmöglichkeiten aus zu­ weiten. Den Belangen von Umweltschutz und sorgsamem Umgang mit gefährlichen Stoffen soll Rechnung getragen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, photovoltaische und photoelektrische Bauelemente aus Materialien herzustellen, die die vorstehend geschilderten Nachteile nicht aufweisen. Erfin­ dungsgemäß eignen sich hierfür Mischkristalle zwischen ver­ schiedenen Typen, hier II-VI /I-III-VI₂-Verbindungshalbleiter. Diese bieten z. B. im System ZnS-CuInS₂ zudem den Vorteil, daß die üblicherweise benutzten giftigen Stoffe durch weniger giftige ersetzt werden, zum Beispiel Cd, Se, Te, As durch Zn, Cu In, S. Es werden neben tetragonalen Mischkristallen im System ZnS-CuInS₂ kubischen Mischkristalle im ZnS-reichen Bereich genutzt, um für den Wirkungsgrad schädliche Realbauphänomene sowie Textur- und Orientierungsprobleme zu vermindern.
Die Aufgabe wird im weiteren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mischkristalle in Mischsystemen von Verbindungshalbleitertypen II-VI und I-III-VI₂ für die Bauelemente herangezogen werden. Die entstehenden Mischkristalle mit kubischer, aber auch tetragona­ ler Symmetrie können unter Nutzung der damit korrelierten elektronischen Gaps und optischem Absorptionsvermögen für Dioden und Solarzellen sowohl in einfachen als auch Tandemtypen als auch Multi-Terminal-Zellen eingesetzt werden. Der Einsatz und die Funktionsweise gelten sowohl für dünne Schichten als auch Einkristalle, die im kubischen Bereich des Systems rißfrei zu züchten sind.
Aus der Erfindung erwächst die wissenschaftliche Erkenntnis, daß im System ZnS-CuInS₂ die Korrelation zwischen Mischkristall und Gap entgegen aller Erwartung exponentiell ist und nicht linear, während die Gitterkonstanten nahezu linear von der Zusammenset­ zung abhängen. Das ergibt erstmals die Möglichkeit, das elek­ tronische Gap durch planvolle Änderung der Zusammensetzung des Mischkristalls so zu steuern, daß sowohl Puffer- als auch Absor­ bercharakteristika jeweils über breite Bereiche innerhalb eines Systems eingestellt und dabei die geringe metrische Veränderung negative Misfiteffekte reduziert. Durch all diese Phänomene wird der Wirkungsgrad optimiert. Der entscheidende Vorteil des expo­ nentiellen Verlaufs des Bandabstandes in Abhängigkeit von der Zusammensetzung ist, daß bei relativ geringen Kupfer-Indium-Ge­ halten in der Zinkblende pufferadäquate Gaps wählbar sind, wäh­ rend im kubischen, aber insbesondere im tetragonalen Bereich, d. h. bei höheren Cu/In-Gehalten, näherungsweise das Gap des CuInS₂-Endgliedes für den Absorber genutzt werden könnte, ohne dabei die Realbaunachteile des CuInS₂ zu erhalten.
Durch die fast lückenlose Mischkristallbildung im System ZnS- CuInS₂ können neben der Kombination von Mischkristallen mit defi­ nierter Zusammensetzung und entsprechender Gaps auch kontinu­ ierlich gradierte Mischkristalle in Einfach- bzw. in Hetero­ multischichten eingesetzt werden. Die gilt sowohl für die Opti­ mierung der Wirkungsgrade durch breitere Überstreichung des Spektrums des Sonnenlichts als auch in umgekehrter Nutzung als Diodenmaterial. p- bzw. n-Leitung werden z. B. durch Cu- bzw. In-Überschuß in den Mischgliedern gesteuert.
Es ergibt sich die Möglichkeit, für das exemplarisch vorgestell­ te System die bekannten chemischen und elektrochemischen Synthe­ severfahren anzuwenden und dabei allerdings die technologische Anwendung aufgrund der Systemeigenschaften zu optimieren. Letz­ teres läßt sich prinzipiell technisch verwirklichen, indem an sich bekannte Verfahren der Kristallzüchtung modifiziert und an die Zielstellung, Herstellen von Mischkristallen von Ver­ bindungshalbleitern unterschiedlicher Typgruppen, angepaßt wer­ den. Die einsetzbaren Herstellungsverfahren orientieren sich an der Methodik der CVD, MBE, PLD und des Bridgeman-Verfahrens. Die erfinderische Verbesserung der an sich bekannten Verfahren be­ steht darin, daß man in einem Arbeitsgang in einem Rezipienten die Mischkristalle durch simultane Verdampfung der Endglieder bzw. der Elemente in ihrer Zusammensetzung variieren und dann als dünne Schichten aufbringen kann. Man hat also im Rezipienten wenigstens zwei Quellen, die simultan geregelt die Zusammenset­ zung des Mischkristalles steuern. Das gilt besonders für das CVD und MBE-Verfahren, während bei PLD und Bridgeman man auch von Mischkristallen als Quelle ausgeht.
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Ausführungsbeispiele Beispiel 1
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung photovoltaischer und photoeelektrischer Bauteile läuft in den nachstehend geschilderten Verfahrensschritten ab.
1. Ausführungsbeispiel des Verfahrens

Claims (9)

1. Photovoltaische und photoelektrische Bauteile aus Misch­ kristallen in gemischten Systemen von Verbindungshalblei­ tern unterschiedlicher Typen.
2. Photovoltaische und photoelektrische Bauteile aus Misch­ kristallen nach Anspruch 1 in gemischten Systemen von Ver­ bindungshalbleitern II-VI / I-III-VI₂.
3. Photovoltaische und photoelektrische Bauteile aus Misch­ kristallen in gemischten Systemen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß III für Ga steht.
4. Photovoltaische und photoelektrische Bauteile in gemischten Systemen nach Anspruch 1 und 2 und/oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das System II-VI / I-III-VI₂ für ZnS-CuInS₂ steht.
5. Photovoltaische und photoelektrische Bauteile nach Ansprü­ chen 1 bis 4 mit Einstellung der elektrischen Gaps für Puffer und Absorber durch Mischkristalle mit iterativ oder kontinuierlich gewählter Zusammensetzung.
6. Verfahren zur Herstellung photovoltaischer und photoelek­ trischer Bauteile nach an sich bekannten Techniken wie CVD und MBE, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Arbeitsgang in einem Rezipienten aus zwei Quellen simultan verdampft wird, wobei durch das Temperaturregime die Zusammensetzung des Mischkristalls bestimmt wird, der als dünne Schicht auf eine Unterlage aufgebracht wird.
7. Verfahren zur Herstellung photovoltaischer und photoelek­ trischer Bauteile nach an sich bekannten Techniken wie PLD und Bridgeman, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rezi­ pienten ein Mischkristall verdampft wird, der als dünne Schicht auf einer Unterlage aufgebracht wird.
8. Verwendung von photovoltaischen und photoelektrischen Bau­ teilen nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Einfachschichten als auch in Heteromultischichten in Tandemzellen, Multi-Terminalzellen und dergleichen in So­ larzellen eingesetzt werden.
9. Verwendung von photovoltaischen und photoelektrischen Bau­ teilen nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Dioden eingesetzt werden.
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