DE19729522C2 - Anordnung zum Aufbau einer Solarzelle für polykristalline oder amorphe Halbleiter - Google Patents

Anordnung zum Aufbau einer Solarzelle für polykristalline oder amorphe Halbleiter

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Aufbau einer Solar­ zelle für polykristalline oder amorphe Halbleiter.
Es sind verschiedene Anordnungen von Solarzellen mit einkristallinen, polykristallinen oder amorphen Halbleitern bekannt. Es gibt Solarzellen, deren Ladungsträgertrennung in der Raumladungszone eines pn oder pin-Überganges stattfindet (R. Paul, Optoelektronische Halbleiterbauelemente, 2. Auflage, B. G. Teubner, Stuttgart, 1992, S. 313 ff.). Ebenfalls sind Solarzellen nach dem MIS-Prinzip bekannt, wo die Ladungstren­ nung in der durch das Gate erzeugten Raumladungszone stattfin­ det (M. Y. Doghish, F. D. Ho: A Comprehensive Analytical Model for MIS Devices, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 39, pp. 2771, Dec. 1992). Auch gibt es modifizierte Solarzellen mit MIS-Struktur, die zusätzlich das durch eine positive Festladung erzeugte Driftfeld zur Ladungstrennung nutzt (DE 41 11 184 A1, DE 38 31 857 C2). Darüber hinaus gibt es Stapelanordnungen bei Solarzellen, in denen Materialien mit unterschiedlicher Bandlücke zur besseren Ausnutzung des Lichtspektrums übereinander gestapelt werden.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen von Solarzellen ist zum einen der technologisch aufwendig herzustellende pn- bzw. pin- Übergang. Weiterhin nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, daß nicht die gesamte Halbleiterschicht zur Generierung des Photostroms beiträgt. Bei Solarzellen, deren Ladungsträgertrennung mit Hilfe eines durch eine Oxidladung erzeugten Driftfeldes bewerkstelligt wird, ist die niedrige Leerlaufspannung von Nachteil.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine technolo­ gisch einfach herstellbare Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen, bei der eine vollständige Nutzung der Halblei­ terschicht für die Generierung des Photostroms erfolgt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch zwei Isolatorschichten, die jeweils eine hohe Festladung enthalten, wobei die zweite Isolatorschicht zur ersten Isolatorschicht entgegengesetzt (antipolar) geladen ist, wird die aktive Halbleiterschicht nach außen hin begrenzt. Zur Kontaktierung derselben existieren Kontaktlöcher in der jeweiligen Isolatorschicht, die einen elektrischen Kontakt mit der sich über der jeweiligen Isolatorschicht befindlichen Leitschicht ermöglichen. Die Kontaktlöcher selbst sind mit dem Halbleitermaterial der aktiven Schicht, mit dem Material der jeweiligen Leitschicht oder mit beiden Materialien ausgefüllt. Sowohl die Isolator- als auch die Leitschichten sind optisch transparent.
Die Vorteile der Erfindung bestehen in einer technologisch einfach und kostengünstig herstellbaren Solarzelle mit gutem Wirkungsgrad.
Durch die Kombination zweier antipolar geladener Isolator­ schichten wird aufgrund der mit einer negativen Festladung versehenen Isolatorschicht eine stärkere positive Bandverbiegung am Grundkontakt ohne Hoch-Dotierung erreicht, was zu einer erhöhten Leerlaufspannung der Solarzelle führt.
Mittels Nutzung geeigneter Werkstoffe für die Isolatorschich­ ten und für die Leitschichten - z. B. Indium-Zinn-Oxid (ITO) - wird die Solarzelle mit Ausnahme der aktiven Schicht weitgehend transparent, so daß entsprechend dem Anspruch 2 eine vertikale Stapelung mehrerer der hier manifestierten Solarzellen möglich ist.
Weiterhin ist es durch das stärkere von den zueinander antipo­ lar geladenen Isolatorschichten erzeugte Driftfeld möglich, trotz größerer Dicke der aktiven Schicht eine annähernd voll­ ständige Ladungstrennung von Löchern und Elektronen bei geeig­ neter aktiver Halbleiterschicht zu bewirken, da die Diffusi­ onslänge bei entsprechender hoher Driftfeldstärke die Dicke der aktiven Halbleiterschicht übersteigt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben und in den Abbildungen aufgezeigt.
Es zeigen:
Fig. 1 Anordnung einer Solarzelle und
Fig. 2 Stapelanordnung der Solarzelle.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 befindet sich auf einem transparenten Substrat eine 100 nm dicke Leitschicht CL1 aus Indium-Zinn-Oxid (ITO). Auf dieser Leitschicht befindet sich eine 200 nm dicke Oxidschicht IL1, die mit Protonen (H+) der Dichte 5.1017 cm-3, positiv aufgeladen ist. Darüber befindet sich eine polykristalline Siliziumschicht SL mit ausschließlich senkrechten Korngrenzen mit einer Dicke von 460 nm. Sie ist p-leitend, Dichte = 1.1014 cm-3. Auf der Halbleiterschicht SL befindet sich eine 200 nm dicke Oxidschicht IL2, die negativ (Dichte 5.1016 cm-3) aufgeladen ist. Beide Oxidschichten besitzen ein Kontaktloch CH. Die Kontaktlöcher sind bei den Leitschichten CL1 und CL2 mit ITO aufgefüllt. Über der negativ geladenen Oxidschicht befindet sich eine zweite ITO-Schicht CL2 von 100 nm Dicke.
Die Anordnung arbeitet auf folgende Weise:
Die sich an den Korngrenzen befindenden Grenzflächenladungen und die Festladungen der Oxidschichten erzeugen Raumladungszo­ nen (Verarmungszonen), die die Körner der Siliziumschicht je nach lateraler Korngröße weitgehend frei von beweglichen Ladungsträgern räumen. Tritt Licht in die auf das Substrat gemäß Fig. 1 aufgebrachten Schichten ein, so werden in der Halbleiterschicht durch Absorption von Photonen freie Ladungs­ träger (Elektronen, Löcher) generiert. Bei erfolgender optischer Generation freier Elektronen und Löcher werden diese sofort im Feld der antipolaren Oxidladungen getrennt. Auf diese Weise entsteht eine n-Inversionsschicht unter der positiv geladenen Oxidschicht und eine Löcher-Anreicherungs­ schicht unter der negativ geladenen Oxidschicht. Die in den jeweiligen Schichten angesammelten Ladungsträger können dann die Halbleiterschicht durch die Kontaktlöcher in die jeweilige Leitschicht verlassen. Zumindest eine der Leitschichten dient als optisch transparente Kontaktierung. Die Leitschichten können wiederum mit Kontaktfingern nach außen hin kontaktiert und so zu größeren Solarzellenverbunden zusammengefaßt werden. Durch die sich einstellenden unterschiedlichen Elektronendichten in den Leitschichten entsteht eine Potentialdifferenz, die bei Schließung eines externen Stromkreises zwischen den Leit­ schichten einen Stromfluß bewirken.
Der Schichtaufbau der Solarzelle ist in Fig. 1 dargestellt: optisch transparentes Substrat S / optisch transparente Leit­ schicht CL1; Die transparente Leitschicht CL1 kann als Kon­ taktmedium in das Kontaktloch CH hinein eingebracht werden / mit Festladungen versetzte Isolatorschicht IL1 mit Kontaktloch CH, welches die gleiche Halbleiterkonfiguration enthält wie die Halbleiterschicht SL, sofern nicht als Kontaktmedium die transparente Leitschicht CL1 ins Kontaktloch bis zur Grenzflä­ che Leitschicht ChL1|Halbleiterkonfiguration im Kontaktloch eingebracht wurde / polykristalline oder amorphe Halbleiter­ schicht SL / mit zur Festladung der Isolatorschicht IL1 anti­ polaren Festladungen versetzte Isolatorschicht IL2 mit Kontaktloch CH, welches die gleiche Halbleiterkonfiguration enthält wie die Halbleiterschicht SL, sofern nicht als Kontaktmedium die transparente Leitschicht CL2 ins Kontaktloch bis zur Grenzfläche Leitschicht CL2|Halbleiterkonfiguration im Kontaktloch CH eingebracht wurde / transparente Leitschicht CL2; Die transparente Leitschicht CL2 kann als Kontaktmedium in das Kontaktloch CH hinein eingebracht werden. Die Leit­ schichten CL1 und CL2 können wiederum mit Kontaktfingern nach außen hin kontaktiert und so zu größeren Solarzellenverbunden zusammengefaßt werden.
In Fig. 2 sind mehrere solcher Anordnungen zur Erhöhung der Photonenabsorption übereinander gestapelt. Durch die Abstimmung der Schichten untereinander wird ein hoher Grad an Mehrfachreflektionen zwischen den verschiedenen Schichten erzielt, der zu einer Absorption der meisten Photonen des Solarspektrums in der Halbleiterschicht führt sowie die Reflektion an der Eintrittsoberfläche gering hält. Durch die elektrische Verbindung der aneinander grenzenden Kontaktschichten (CL1, CL2) werden die gestapelten Solarzellen elektrisch in Reihe geschaltet.

Claims (2)

1. Anordnung für den Aufbau einer Solarzelle mit
  • a) einem Substrat (S) als Basismaterial;
  • b) einer auf dem Substrat angeordneten optisch transparenten ersten Leitschicht (CL1);
  • c) einer auf der ersten Leitschicht angeordneten ersten Isolatorschicht (IL1) mit Kontaktlöchern (CH), die eine feste, nicht umladbare elektrische Ladung enthält;
  • d) einer auf der Isolatorschicht angeordneten polykristallinen oder amorphen Halbleiterschicht (SL), die p- oder n-leitend ist;
  • e) einer auf der Halbleiterschicht angeordneten zweiten Isolatorschicht (IL2) mit Kontaktlöchern, die eine feste nicht umladbare elektrische Ladung enthält, die antipolar zu der Ladung der ersten Isolatorschicht (IL1) ist; und
  • f) einer auf der zweiten Isolatorschicht angeordneten optisch transparenten zweiten Leitschicht (CL2),
  • g) wobei die Kontaktlöcher von einem Halbleiter der gleichen Konfiguration wie die Halbleiterschicht oder dem Material der Leitschicht oder von einem Halbleiter der gleichen Konfiguration wie die Halbleiterschicht und dem Material der Leitschicht ausgefüllt sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Isolatorschicht (IL2) Anordnungen mit den Merkmalen b) bis g) n-fach übereinander gestapelt sind. (Fig. 2)
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