DE19513761A1

DE19513761A1 - Festkörpersolarzelle

Info

Publication number: DE19513761A1
Application number: DE19513761A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Dr Brauer; Manfred Dipl Phys Dr Schmidt; Klaus Dipl Phys Dr Ellmer; Frank Dipl Phys Dr Fenske; Hans Prof Dipl Phys D Flietner
Original assignee: Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Current assignee: Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Priority date: 1994-04-07
Filing date: 1995-04-07
Publication date: 1995-10-12
Also published as: AU2253695A; WO1995028008A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörpersolarzelle. Dort bewirkt eine definierte Anordnung von Schichten die Generation und den Transport von Ladungsträgern in einer halbleitenden Schicht zum Zwecke der Energiekonversion von optischer in elektrische Energie.

Die Energiekonversion von optischer in elektrische Energie läßt sich sowohl mit photoelektrochemischen Solarzellen als auch mit Festkörpersolarzellen, in diesen z. B. mittels p/n-Übergang, Schottky-Kontakt oder Inversionsrandschicht, realisieren.

So werden in einer photoelektrochemischen Solarzelle (DE-A1 42 07 659), die einen Halbleiter/Elektrolyt-Kontakt darstellt und bei der auf einer dünn ausgebildeten Halbleiterschicht auf der lichteinfallenden Seite dieser Schicht ein Chromophor angeordnet ist, durch das einfallende Licht in dem Farbstoff Elektronen erzeugt, an das halbleitende Material abgegeben, Ladungsträger nachgeliefert und über ein mit einer leitfähigen Schicht versehenes Glas abgezogen. In direktem Sonnenlicht verwertet diese photoelektrochemische Zelle weniger einfallendes Licht als konventionelle Siliziumzellen. Doch bei diffusem Licht nutzt eine gleiche photoelektrochemische Titandioxid-Zelle das Photonenangebot doppelt so gut aus wie eine herkömmliche Photozelle. Zwar sollen die Herstellungskosten wesentlich unter denen für herkömmliche Solarzellen liegen, jedoch gibt es noch technologische Schwierigkeiten bei der Herstellung großflächiger photoelektrochemischer Solarzellen.

Bei konventionellen Festkörpersolarzellen auf der Grundlage eines p/n-Übergangs, eines Schottky-Kontakts oder einer Inversionsrandschicht befinden sich auf der dem einfallenden Licht zugewandten Seite des entsprechenden Schichtsystems eine oder mehrere Antireflexionsschichten in einer solchen Dicke, daß möglichst mehr als 95% des einfallenden Lichtes in den Bereich der Solarzelle gelangen, nämlich in die Halbleiterschicht, in der dann freie Ladungsträger generiert und durch das elektrische Feld und durch Diffusion getrennt werden. Allen Anordnungen dieser Art ist gemeinsam, daß die optische Anregung und der Transport der Ladungsträger im selben Festkörper statt finden und damit eine unabhängige Optimierung von Absorption und Transporteigenschaften nicht möglich ist. Außerdem kann das Licht nur bis zu Photonenenergien, die der Gapenergie des verwendeten Halbleiters entsprechen, ausgenutzt werden (typisch: 1 eV bis 1,5 eV).

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Solarzelle zu schaffen, die von photoelektrochemischen und von Festkörpersolarzellen sowohl deren jeweilige Vorzüge nutzt als auch deren jeweilige Nachteile vermeidet.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß eine Festkörpersolarzelle als Photoinjektionszelle ausgebildet und aus einer Schichtenfolge aufgebaut ist, bei der auf einem Substrat eine 100 nm bis 1000 nm dicke und eine Austrittsarbeit von 2 eV bis 4 eV aufweisende niederohmige Kollektorschicht, über dieser eine 50 nm bis 1000 nm dicke und eine Energielücke von 2 eV bis 4 eV aufweisende quasiisolierende Ladungstransferschicht und darauf eine hochabsorbierende, eine Dicke von 5 nm bis 100 nm, vorzugsweise 5 nm bis 50 nm, und eine Austrittsarbeit von 3 eV bis 5 eV aufweisende Photoemitterschicht angeordnet sind.

In der erfindungsgemäßen Photoinjektionszelle erfolgen die optische Anregung und der Transport der Ladungsträger getrennt in den verschiedenen Festkörperschichten. Bestimmend für die getrennt ablaufenden Funktionen in der erfindungsgemäßen Festkörpersolarzelle sind die Austrittsarbeitsdifferenzen zwischen Photoemitter- und Kollektorschicht, die Quantenausbeute der Photoinjektion aus der Photoemitterschicht, die Energielücke der Ladungstransferschicht und die Dicken dieser drei Schichten.

Mittels Lichtabsorption werden in der Photoemitterschicht Ladungsträger erzeugt, von denen ein Teil, bestimmt durch deren Impulsverteilung, die Barriere zur Ladungstransferschicht 1 eV überwindet. Die Quantenausbeute erhöht sich entsprechend dem Verhältnis von Photoemitterschichtdicke zu freier Weglänge für die in der Photoemitterschicht ablaufenden quasielastischen isotropen Streuprozesse drastisch.

Deshalb ist in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen, daß in der Photoemitterschicht die isotropen quasi elastischen Streuraten größer sind als die Streuraten der inelastischen Streuprozesse und die Dicke der Photoemitterschicht die gleiche Größenordnung wie die der freien Weglänge der inelastischen Streuprozesse aufweist.

In der Ladungstransferschicht werden die Ladungsträger durch das eingeprägte Feld, verursacht durch die Austrittsarbeitsdifferenz der beiden ihr benachbarten Schichten < 2,5 eV, oder/und durch Diffusion zur Kollektorschicht transportiert.

Die erfindungsgemäße Photoinjektionszelle liefert eine Leerlaufspannung, die kleiner oder gleich der Austrittsarbeitsdifferenz der Photoemitter- und Kollektorschicht ist und nicht durch die Energielücke der Ladungstransferschicht begrenzt wird. Die Leerlaufspannung kann bei der erfindungsgemäßen Lösung größer als die Diffusionsspannung einer konventionellen Si-Solarzelle sein. Der Kurzschlußstrom wird wesentlich durch die Quantenausbeute der Photoemitterschicht bestimmt.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Ladungstransferschicht aus einem breitlückigen Halbleiter oder einem Isolator gebildet.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die hochabsorbierende Photoemitterschicht aus einem Halbleiter oder einem Metall gebildet ist.

In einer anderen Ausführungsform ist die Oberfläche der dem Photoemitter zugewandten Seite der Ladungstransferschicht porös bzw. nanokristallin ausgebildet. Diese Ausbildung bewirkt eine Vergrößerung der effektiven Oberfläche im Vergleich zur geometrischen Oberfläche um ein Vielfaches und damit eine Verbesserung der Effizienz.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Photoemitterschicht dem einfallenden Licht zugewandt, die Belichtung erfolgt von der Vorderseite.

In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Substrat dem einfallenden Licht zugewandt, die Belichtung der Festkörpersolarzelle erfolgt von der Rückseite.

Die getrennt ablaufenden Funktionen der Generation und des Transports der Ladungsträger in der erfindungsgemäßen Festkörpersolarzelle sind unabhängig von der Richtung des einfallenden Lichts.

Ist das Substrat dem einfallenden Licht zugewandt, so ist die Kollektorschicht aus einem optisch transparenten Halbleiter, z.B: ITO, gebildet. Das Substrat ist in dieser Ausführungsform ein Glassubstrat.

Als vorteilhaft hat sich zur weiteren Verbesserung der Ausnutzung des einfallenden Lichts ergeben, auf der dem einfallenden Licht zugewandten Schicht der Schichtenfolge eine Antireflexionsschicht anzuordnen.

Das erfindungsgemäße Schichtsystem für eine Festkörpersolarzelle ist in einer weiteren Ausführungsform vorteilhaft mit bekannten Dünnschichttechniken herstellbar.

Die erfindungsgemäße technische Lehre ermöglicht mit einer Photoinjektionszelle, bestehend aus einem Schichtsystem mit Photoemitter-, Ladungstransfer- und Kollektorschicht, die Ausnutzung des Solarspektrums ab 0,5 eV. Außerdem lassen sich die einzelnen Schichten, vor allem die Photoemitterschicht und die Ladungstransferschicht, in ihren Funktionen bezüglich Absorption und Transporteigenschaften getrennt optimieren. Damit sind neue Materialien einsetzbar, an die keine extremen Halbleiteranforderungen mehr gestellt werden müssen. Das Schichtsystem ist mittels bekannter Dünnschichttechniken großflächig herstellbar, so daß die Kosten je Watt elektrischer Leistung drastisch reduziert werden können. Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Festkörpersolarzelle eine einfachere Handhabung beim Betrieb als eine photoelektrochemische Solarzelle.

Eine Ausführungsform der Erfindung und ihre Funktionsweise werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 den schematischen Schichtaufbau einer erfindungsgemäßen Festkörpersolarzelle,

Fig. 2 das entsprechende Bänderschema.

Die in Fig. 1 dargestellte Photoinjektionszelle besteht aus einer Schichtenfolge mit einer 15 nm dicken Photoemitterschicht 1 aus Au, die effektive freie Weglängen 500 Å aufweist, einer darauf angeordneten 100 nm dicken Ladungstransferschicht 2 aus ZnO und einer Kollektorschicht 3, die 100 nm dick und aus Gd ist. Diese Schichtstruktur ist auf einem Glassubstrat 4 angeordnet.

Das in Fig. 2 dargestellte Bänderschema entsteht durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten Φ_M(1) und Φ_M(2) der beiden in Fig. 1 beschriebenen Schichten 1 (Au) und 3 (Gd).

Das auf die Photoemitterschicht 1 einfallende Licht bewirkt die Generation von Ladungsträgern in dieser Schicht. Die Ladungsträger müssen eine Barriere überwinden, deren Größe sich aus der Lage des Ferminiveaus EF der Au-Photoemitterschicht 1 relativ zur Leitungsbandkante Ec der ZnO-Ladungstransferschicht 2 ergibt, und werden in die Ladungstransferschicht 2 injiziert. Hier werden die Ladungsträger durch das von den unterschiedlichen Austrittsarbeiten Φ_M(1) und Φ_M(2) bewirkte elektrische Feld und durch Diffusion in die Gd-Kollektorschicht 3 transportiert.

Claims

1. Festkörpersolarzelle, die als Photoinjektionszelle ausgebildet und aus einer Schichtenfolge aufgebaut ist, bei der auf einem Substrat eine 100 nm bis 1000 nm dicke und eine Austrittsarbeit von 2 eV bis 4 eV aufweisende niederohmige Kollektorschicht, über dieser eine 50 nm bis 1000 nm dicke und eine Energielücke von 2 eV bis 4 eV aufweisende quasiisolierende Ladungstransferschicht und darauf eine hochabsorbierende, eine Dicke von 5 nm bis 100 nm, vorzugsweise 5 nm bis 50 nm, und eine Austrittsarbeit von 3 eV bis 5 eV aufweisende Photoemitterschicht angeordnet sind.

2. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Photoemitterschicht die isotropen quasi elastischen Streuraten größer sind als die Streuraten der inelastischen Streuprozesse und die Dicke der Photoemitterschicht die gleiche Größenordnung wie die der freien Weglänge der inelastischen Streuprozesse aufweist.

3. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungstransferschicht aus einem breitlückigen Halbleiter gebildet ist.

4. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungstransferschicht aus einem Isolator gebildet ist.

5. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoemitterschicht aus einem Metall gebildet ist.

6. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoemitterschicht aus einem Halbleiter gebildet ist.

7. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der dem Photoemitter zugewandten Seite der Ladungstransferschicht porös ausgebildet ist.

8. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der dem Photoemitter zugewandten Seite der Ladungstransferschicht nanokristallin ausgebildet ist.

9. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoemitterschicht dem einfallenden Licht zugewandt ist.

10. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat dem einfallenden Licht zugewandt ist.

11. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorschicht aus einem optisch transparenten Halbleiter gebildet ist.

12. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Glassubstrat ist.

13. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem einfallenden Licht zugewandten Schicht der Schichtenfolge eine Antireflexionsschicht angeordnet ist.

14. Festkörpersolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge mittels Dünnschichttechniken herstellbar ist.