DE19614774C2 - Reflektorvorrichtung und ihre Verwendung in Dünnschicht-Solarzellen - Google Patents
Reflektorvorrichtung und ihre Verwendung in Dünnschicht-SolarzellenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Reflektorvorrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Eine derartige Reflektorvorrichtung ist aus der US 4 442 310 bekannt.
Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung der Reflektorvorrichtung in
Dünnschicht-Solarzellen.
Die erfindungsgemäße Reflektorvorrichtung ist in allen Bereichen anwendbar, wo in
sehr dünnen Schichten eine lokale Erhöhung des Lichtwellenfeldes des eingestrahlten
Lichtes benötigt wird. Dies ist wichtig für die Herstellung von Geräten, die mittels
Belichtung geringe Abscheidungen gesuchter Stoffe nachweisen, und vorzugsweise bei
Dünnschicht-Solarzellen auf Halbleiterbasis (z. B. auf Siliziumbasis), in der die
Halbleiterschichten besonders dünn ausgelegt werden können oder müssen. Der
Lichtstrom kann im Rahmen der Photovoltaik mit einer dünnen Schichtenfolge optimal
genutzt werden.
Herkömmliche Dünnschicht-Solarzellen müssen immer noch aufgrund des
Absorptionskoeffizienten der Halbleiterschicht dicker sein als mehrere Wellenlängen
des einfallenden Lichtes. Außerdem sind sie in der Herstellung teuer und
energieaufwendig und enthalten oftmals Umweltgifte. Dünnschicht-Solarzellen auf
Siliziumbasis sind gewöhnlich mehrere µm dick, so daß allein die Bezeichnung bereits
irreführend ist. Die Halbleiterschichten aus Silizium müssen sehr sauber und
zuverlässig hergestellt werden, damit nicht durch leichte Verunreinigungen und Defekte
das Absorptionsverhalten beeinträchtigt oder die Diffusionslänge der Ladungsträger zu
klein wird. Die Herstellung dieser Siliziumschichten ist daher sehr aufwendig und
schwierig. Aufgrund des geringen Absorptionskoefflzienten lassen sich bis heute keine
wirklichen Dünnschschicht-Solarzellen auf Siliziumbasis herstellen, obwohl Silizium
wegen seines reichen Vorkommens auf der Erde, seiner guten Umweltverträglichkeit
und seiner ausgearbeiteten Herstellungstechnologien das ideale Halbleitermaterial
darstellt.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Solarzellen sind mehrere Vorschläge
entwickelt worden. Insbesondere werden die Wirkungsweisen von Rückreflektoren
beschrieben.
In der WO 94/06159 A1 und EP 582407 A2 werden mehrere Schichtfolgen als
Rückseitenreflektoren beschrieben. Die absorbierenden Schichten können aber auch
hier nicht deutlich verkleinert werden.
Aus der DE 32 26 759 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der die Brechungsindizes
optischer Medien, die auf beiden Seiten einer Halbleiterschicht aufgebracht sind, so
bemessen sind, daß die Absorption der eindringenden Strahlung unmittelbar hinter der
Oberfläche der Halbleiterschicht unterdrückt und auf aktive Zonen im Inneren der
Halbleiterschicht konzentriert wird. Die optimale Dicke der Halbleiterschicht beträgt im
Falle des amorphen Siliziums 139 nm, aber die Resonanzabsorption ist sehr empfindlich
von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes abhängig.
Eine gattungsgemäße Reflektorvorrichtung, wie sie aus der US 4 442 310 bekannt ist,
weist auf der der Lichteinfallseite abgewandten Seite einer Halbleiterschicht eine
lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht und eine lichtreflektierende leitende
Schicht auf, die zugleich als Kontakt dient. Die Dicke der Halbleiterschicht beträgt
200 nm bis 1 µm.
Aufgabe der Erfindung ist, die aus der US 4 442 310 bekannte Reflektorvorrichtung so
weiterzubilden, daß das Maximum der elektrischen Feldstärke des Lichtes in einem sehr
dünnen flächenhaften Bereich erzeugt wird.
Ihre Verwendung soll Vorteile bringen bei der Herstellung der
Ladungsträgertrennschicht von Solarzellen hinsichtlich der notwendigen Dicke und
kristallographischen Orientierung sowie ihrer Wirksamkeit.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Reflektorvorrichtung nach dem Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 12 angegeben.
Die
Reflektorvorrichtung ist als ein Mehrschichtensystem aufgebaut, auf dem die Reflexion
an der Oberfläche minimal gehalten und die Intensität des Lichtes durch Rückkoppeln
des elektrischen Feldes in der Halbleiterschicht erhöht wird. Dies wird kombiniert mit
dem an sich bekannten Oberflächeneffekt, daß die Intensität des elektromagnetischen
Feldes an der Oberfläche von Metallen verstärkt werden kann. Gemessen wird
beispielsweise der oberflächenverstärkte Ramaneffekt (SERS). Ebenfalls ist auch der
interferenzverstärkte Ramaneffekt (IERS) gemessen worden. Bei letzterem wird auf
oder in einem Lichtresonator gemessen.
Der Erfindung liegt die Tatsache zugrunde, daß sich beide Methoden
überraschenderweise kombinieren lassen und bei der erfindungsgemäßen Ausführung
eine Intensitätserhöhung des elektrischen Feldes entsteht, die etwa gleich dem Produkt
der Erhöhungsfaktoren jeder Methode für sich ist.
Die Kombination aus beiden oben genannten Effekten kann das elektrische Feld um den
Faktor von etwa 2 Größenordnungen erhöhen, d. h. die Intensität des elektrischen
Feldes erhöht sich um etwa 4 Größenordnungen. Diese Felderhöhung wird genutzt, um
die Energie in eine dünne Halbleiterschicht (z. B. Silizium oder ein anderer Halbleiter)
zu koppeln.
Weiter zeigte sich ebenfalls überraschend, daß bei diesen kleinen Dicken der
Resonatorschicht im Vergleich zur Wellenlänge der funktionsfähige
Wellenlängenbereich recht breit ist. Die Felderhöhung entsteht also nicht nur für einen
schmalen Spektralbereich, sondern sie ist der breiteren Absorptionsbande des Siliziums
im lokalen Bereich der Ladungsträgertrennung optimal angepaßt bzw. kann besonderen
Absorptionsbanden durch geringe Dickenvariation angepaßt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Reflektorvorrichtung wird die Herstellung von
Dünnschicht-Solarzellen auf Halbleiterbasis (z. B. auf Siliziumbasis) ermöglicht, bei
denen die Halbleiterschicht nur wenige halbe Wellenlängen des einstrahlenden Lichtes
dick ist (im Idealfall eine halbe Wellenlänge des einstrahlenden Lichtes).
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der (nicht maßstabsgerechten)
Zeichnung beschreiben.
Um eine Felderhöhung zu erhalten, ist auf einem glatten Trägermaterial (1) ein
Schichtensystem aus einer Reflektorschicht (2), einer transparenten Resonatorschicht
(3), einer dünnen Reflektorschicht (4), einer weiteren dielektrischen Schicht (5), kleinen
Metallclustern (6) und einer Halbleiterschicht (7) aufgebracht. Die Reflektorschicht (2)
aus Aluminium muß dick genug sein, um das Licht reflektieren zu können (größer als
300 nm). In der transparenten Resonatorschicht (3) muß sich eine stehende Welle
ausbreiten, so daß die Schicht eine Größe von einer viertel Wellenlänge oder
entsprechende Vielfache einer halben Wellenlänge dazu besitzen muß. Die stehende
Welle erzeugt dann in der Nähe der dünnen Reflektorschicht (4) ein Maximum des
elektrischen Feldes. Die dünne Reflektorschicht (4) besteht nur aus einer 2 bis 5 nm
dicken Metallschicht, im Ausfllhrungsbeispiel aus Aluminium. Die weitere
dielektrische Schicht (5), im Ausführungsbeispiel aus Aluminiumoxid, muß ebenfalls
sehr dünn sein, im Bereich von 1,2-2,2 nm. Auf dieser dielektrischen Schicht werden
kleine Metallcluster (6) aus Silber aufgebracht (äquivalente mittlere Schichtdicke: 1 bis
3 nm) und auf dieses Schichtensystem die Funktionsschicht (7). Zum Schutz und zur
besseren Konstruktion wird auf die Funktionsschicht eine dicke transparente Schicht (8)
aufgetragen.
Eine vorteilhafte Variante der Vorrichtung ist, für diese dicke transparente Schicht (8)
eine Glas- oder Quarzplatte zu verwenden und von der aus das Schichtensystem
umgekehrt zu konstruieren.
Die elektromagnetischen Wellen können die dicke transparente Schicht (8) und die
dünne Funktionsschicht (7) leicht passieren und werden kaum absorbiert. Durch die
dicke Reflektorschicht (2) und die transparente Resonatorschicht (3) am Ende des
Schichtensystems entsteht ein Maximum für das elektrische Feld an der dünnen
Reflektorschicht (4), wobei dieses Feld optimal zur Feldverstärkung an der dünnen
Reflektorschicht (4) und den kleinen Metallclustern (6) genutzt werden kann, um die
Energie in die darauffolgende Funktionsschicht (7) einzukoppeln. Ein weiterer Vorteil
ist, daß die transparente oberste Schutzschicht (8) zusätzlich variiert werden kann, bis
die geringe Restreflexion an der Oberfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei
Bestrahlung weiter minimiert wird. An der dünnen Reflektorschicht aus Metall (4),
vorzugsweise Aluminium, entsteht die Verstärkung des elektromagnetischen Feldes
durch die Rauheit der Oberfläche in Kombination mit der maximalen Amplitude des
eingestrahlten Lichtes, die durch die transparente Resonatorschicht und die dicke
Reflektorschicht hier erzeugt wird. Die kleinen Metallcluster erzeugen die weitere
Verstärkung des elektromagnetischen Feldes möglicherweise durch ihre ellipsoide
Gestalt ebenfalls in Kombination mit der maximalen Amplitude des eingestrahlten
Lichtes an der dünnen Reflektorschicht (4). Diese Verstärkung des elektromagnetischen
Feldes wird genutzt, um das Feld in die daraufliegende Funktionsschicht (7)
einzukoppeln. Somit läßt sich das eingestrahlte Licht fast vollständig in eine sehr
dünne Funktionsschicht einkoppeln, um dort wirksam zu werden.
Das Prinzip kann für verschiedene Materialien und Schichtsysteme genutzt werden.
Allerdings muß immer der größte Teil des Lichtes an der dicken Reflektorschicht (2)
reflektiert werden unter der Bedingung, daß an der dünnen Metallschicht (4) ein
Maximum des elektrischen Feldes entsteht, das dann in die Funktionsschicht gekoppelt
wird. Durch die sehr dünne Funktionsschicht, die als Halbleiterschicht nur wenige halbe
Wellenlängen des eingestrahlten Lichtes dick ist (im idealen Fall eine halbe
Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes), kann Halbleitermaterial gespart und die dünne
Schicht relativ sauber und rein hergestellt werden. Störstellen, die das
Absorptionsverhalten verschlechtern, können leichter vermieden werden.
1
glattes Trägermaterial
2
Reflektorschicht
3
transparente dielektrische Resonatorschicht
4
dünne Reflektorschicht
5
weitere dielektrische Schicht
6
Metallcluster mit einer äquivalenten mittleren Schichtdicke
7
Funktionsschicht, Siliziumschicht
8
oberste Schutzschicht
9
aMetallkontakt bis zur dünnen Reflektorschicht
9
bMetallkontakt bis zum Metallclusterbereich
10
Metallkontakte, oberhalb der Funktionsschicht/Siliziumschicht
Claims (15)
1. Reflektorvorrichtung
- 1. mit einem Träger (1),
- 2. mit einer metallischen Reflektorschicht (2),
- 3. mit einer auf der Reflektorschicht angeordneten transparenten Resonatorschicht (3),
- 4. mit einer Funktionsschicht (7) und
- 5. mit einer transparenten obersten Schutzschicht (8),
- 1. daß die Dicke der Resonatorschicht etwa 1/4, 3/4, 5/4, 7/4, 9/4, 11/4 oder 13/4 der mittleren Weglänge des benutzten Lichtes in dem Material der Resonatorschicht beträgt, und
- 2. daß auf der Resonatorschicht eine dünne metallische Reflektorschicht (4) mit einer Dicke von 2 bis 5 nm, darauf eine weitere dielektrische Schicht (5) der Dicke 1, 2 bis 2,2 nm, auf dieser Metallcluster (6) mit einer äquivalenten mittleren Schichtdicke von 1 bis 3 nm und auf dieser die Funktionsschicht (7) angeordnet sind.
2. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Träger als transparente Schutzschicht auf der
Funktionsschicht befindet.
3. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die metallische Reflektorschicht auf dem Träger befindet.
4. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die transparente oberste Schutzschicht (8) eine Glas- oder
Quarzglasplatte ist.
5. Reflektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reflektorschicht (2) eine mindestens 300 nm dicke
Aluminiumschicht ist.
6. Reflektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die transparente Resonatorschicht (3) aus Siliziumdioxid oder
Siliziumdioxid mit einem Gradienten der Stöchiometrieabweichung
besteht.
7. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die transparente Resonatorschicht (3) eine Dicke zwischen 50 und
100 nm, vorzugsweise 65 bis 85 nm, besitzt.
8. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die transparente Resonatorschicht (3) eine Dicke von 3/4 oder 7/4 der
mittleren Weglänge des benutzten Lichtes in dem Siliziumdioxid oder
Siliziumdioxid mit einem Gradienten der Stöchiometrieabweichung
besitzt.
9. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die transparente Resonatorschicht (3) eine Dicke zwischen 225 nm
und 275 nm vorzugsweise von 240 bis 260 nm, besitzt.
10. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dünne Reflektorschicht (4) aus Aluminium besteht und 3 bis 4
nm dick ist.
11. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die weitere dielektrische Schicht (5) aus Aluminiumoxid besteht.
12. Reflektorvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallcluster (6), vorzugsweise Silbercluster, eine äquivalente
mittlere Dicke von 1,5 bis 2 nm besitzen.
13. Verwendung der Reflektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12
in Dünnschicht-Solarzellen,
dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß direkt auf die Metallcluster (6) eine Siliziumschicht als Funktionsschicht (7) aufgebracht wird,
- 2. die Dicke der Siliziumschicht zwischen 30 bis 150 nm in Abhängigkeit von der Dotierung des Siliziums und von der Ladungsträgertrennschicht festgelegt wird,
- 3. ein aktiver Übergang als Ladungsträgertrennschicht bei der Herstellung der Siliziumschicht und/oder der transparenten obersten Schutzschicht (8) erzeugt wird,
- 4. die Siliziumschicht oberhalb, auf der Seite des Lichteinfalls, mit ersten Metallkontakten (10) und unterhalb, über die darunter liegenden Schichten, mit zweiten Metallkontakten (9a, 9b) kontaktiert wird, und
- 5. die transparente oberste Schutzschicht (8) aus Siliziumdioxid hergestellt wird.
14. Verwendung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Siliziumschicht nach dem Minimum der
Rückreflexion der gesamten Dünnschicht-Solarzelle eingestellt wird.
15. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die transparente oberste Schutzschicht (8) zusätzlich variiert wird,
bis die geringe Restreflexion an der Oberfläche bei Bestrahlung durch
Licht weiter minimiert ist.
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| CZ303866B6 (cs) * | 2011-01-27 | 2013-06-05 | Vysoké ucení technické v Brne | Fotovoltaický element zahrnující rezonátor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19614774A1 (de) | 1997-10-09 |
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