DE202010017656U1

DE202010017656U1 - Zweiseitige Solarzelle

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Publication number: DE202010017656U1
Application number: DE202010017656U
Authority: DE
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2020-08-19

Abstract

Zweiseitige Solarzelle, mindestens aufweisend ein transparentes Substrat, auf dem eine TCO-Schicht als erster Kontakt angeordnet ist, auf dem sich eine aktive Schicht befindet, die mit einer weiteren TCO-Schicht als zweiter Kontakt versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der aktiven Schicht (4) Metalloxid-Nanostäbe (3) mit in Richtung zweiten Kontakt (5) sich verjüngendem Querschnitt angeordnet sind, wobei die Grundfläche der Metalloxid-Nanostäbe (3) mit dem größeren Querschnitt direkt am ersten Kontakt (2) anliegt, und die aktive Schicht (4) wie eine Matrix die Metalloxid-Nanostäbe (3) vollständig in ihrer Höhe bedeckt, wobei die Spitzen der Metalloxid-Nanostäbe (3) Punktkontakte bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine zweiseitige Solarzelle, mindestens aufweisend ein transparentes Substrat, auf dem eine TCO-Schicht als erster Kontakt angeordnet ist, auf der sich eine aktive Schicht befindet, die mit einer weiteren TCO-Schicht als zweiter Kontakt versehen ist.
Eine derartige zweiseitige Solarzelle ist in GB 2 405 030 A beschrieben. Einem pn-Übergang benachbart ist auf der einen Seite eine TCO-Schicht als Frontkontakt angeordnet, der auf einem transparenten Substrat angeordnet ist. Auf der anderen Seite des pn-Übergangs ist eine weitere TCO-Schicht angeordnet, die den Rückkontakt bildet. Damit kann diese Solarzelle auch von der Rückseite mit Licht bestrahlt werden. Das beidseitige Einstrahlen von Licht verbessert den Wirkungsgrad der Solarzelle. Die Reflektivität an der Grenzfläche TCO-Schicht/Absorberschicht ist hierbei aber noch sehr hoch.
In Applied Physics Letters 93, 053113 (208) wird über die Untersuchung von ZnO-Nanostäbchen-Anordnungen mit einer gut definierten Morphologie als Substrat für Solarzellen mit extrem dünner Absorberschicht (eta-Solarzellen) berichtet. Dabei sind die ZnO-Nanostäbchen mit In₂S₃ als Absorbermaterial bedeckt, auf dem sich dann CuSCN als Löcherleiter befindet.
Eine verbesserte Lichteinkopplung in Silizium-Dünnschichtsolarzellen durch texturiertes ZnO wird in FVS Themen 2000, S. 97 ff. beschrieben. Durch die Texturierung wird der optische Lichtweg und die Absorption erhöht, was insbesondere bei einer Superstrat-Solarzelle neben der Transparenz und hohen Leitfähigkeit der TCO-Schicht notwendig ist. Die texturierte Oberfläche der mittels Sputterverfahren hergestellten ZnO-Schichten wird in einem nasschemischen Ätzschritt erzeugt.
In den seit 1991 bekannten farbstoffsensitivierten Solarzellen, bei denen ein transparentes, leitfähiges Oxid, dessen Bandlücke zu groß ist, um sichtbares Licht zu absorbieren, durch einen im sichtbaren Wellenlängenbereich absorbierenden Farbstoff sensitiviert wird, werden zur Verbesserung des Ladungstransportes in der Photoelektrode Nanostrukturen verwendet, wie z. B. ZnO-Nanostäbchen und -Fäden sowie TiO₂-Nanoröhrchen. In Appl. Phys. Lett. 96, 073115 (2010) wird eine hybride Photoanode beschrieben, bei der ZnO-Nanofäden als direkter Pfad für einen schnellen Elektronentransport dienen und ZnO-Nanoteilchen die Leerräume zwischen den Fäden ausfüllen, wodurch eine größere Oberfläche für eine ausreichende Farbstoff-Adsorption gebildet wird. In The 2nd Joint international Conference an Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)" 21–23 November 2006, Bangkok, Thailand, B-024 (O) wird eine farbstoffsensitivierte Solarzelle basierend auf ZnO-Nanostäbchen-Arrays – ohne Nanopartikel – beschrieben. Dabei sind die ZnO-Nanostäbchen mit hexagonalem Querschnitt sehr dicht senkrecht auf ein fluordotiertes SnO₂-Substrat aufgewachsen. Mit größer werdender Länge der ZnO-Nanostäbchen vergrößert sich die Oberfläche, mehr Farbstoff wird adsorbiert und der Wirkungsgrad der Solarzelle wird erhöht. Die in International Journal of Photoenergy, Volume 2010, Article ID 497095 beschriebene Anordnung weist keine TCO-Schicht auf, auf der die ZnO-Nanostäbchen aufgewachsen sind. Vielmehr sind diese nun direkt auf einem ZnO-Film abgeschieden. Damit sollen die Nachteile verringert werden, die durch die Bildung der Grenzflächen zwischen Nanostäbchen und TCO-Schicht entstehen.
In Nano Lett., Vol. 8, No. 5, 2008, 1501–1505 sind ZnO-Nanostrukturen als effiziente Antireflexionsschichten beschrieben. Die ZnO-Nanostrukturen sind nadelförmig ausgebildet, d. h. sie weisen eine Spitze auf. Durch definierte Parameter beim Wachsen der Nanostäbchen wird ihre Länge und die Form ihrer Spitze beeinflusst, wodurch die Reflexion verringert werden soll. Die ZnO-Nanostäbchen sind beispielsweise auf Silizium aufgebracht, zwischen ihnen befindet sich Luft.
Bei der in WO 2009/116018 A2 beschriebenen photovoltaischen Zelle – sowohl in Substrat- als auch in Superstrat-Anordnung – weist eine erste transparente leitende Schicht aus dieser Schicht hervorstehende Strukturen aus dem Material der erstgenannten Schicht auf. Eine Si-Absorberschicht ist darauf strukturkonform abgeschieden.
In US 2009/0242029 A1 ist ein photovoltaisches Bauelement in Substratanordnung beschrieben, bei dem die Absorberschicht aus Halbleitermaterial der Gruppe II–VI und/oder die Grenzflächenschicht zwischen Absorber- und Fensterschicht Nanopartikel oder gesinterte Nanopartikel enthält. Die Nanopartikel können verschieden geformt sein, beispielsweise kugelförmig, als Nanofäden oder -stäbchen, und aus unterschiedlichen Materialien, wie z. B. Materialien der Gruppen II–VI oder III–V, bestehen.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine weitere zweiseitige Solarzelle anzugeben, die einen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten bzw. mindestens vergleichbaren Wirkungsgrad aufweist, aber weniger Absorbermaterial benötigt und weniger aufwändig in der Herstellung ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einer zweiseitigen Solarzelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass in der aktiven Schicht Metalloxid-Nanostäbe mit in Richtung zweiten Kontakt sich verjüngendem Querschnitt angeordnet sind, wobei die Grundfläche der Metalloxid-Nanostäbe mit dem größeren Querschnitt direkt am ersten Kontakt anliegt, und die aktive Schicht wie eine Matrix die Metalloxid-Nanostäbe in ihrer Höhe vollständig bedeckt.
Durch die Anordnung der Nanostäbe in der aktiven Schicht wird diese texturiert, wodurch eine fein einstellbare Änderung des Brechungsindex der aktiven Schicht über ihre Dicke ermöglicht, die unerwünschte Reflexion an der Grenzfläche TCO-Schicht/aktive Schicht verringert und der Wirkungsgrad verbessert wird. Es entsteht eine so genannte Subwellenlängen-Struktur. Mit dieser Anordnung wird – im Vergleich zum Stand der Technik – Absorbermaterial eingespart. Die bisher übliche Pufferschicht zwischen der leitenden transparenten Schicht und der aktiven Schicht, die in einer Superstrat-Anordnung die Reflexion zwischen der TCO-Schicht und der aktiven Schicht verringern soll, ist damit nicht mehr notwendig. Die Spitzen der sich in der aktiven Schicht befindlichen Metalloxid-Nanostäbe bilden Punktkontakte. Diese sind eng benachbart zu dem Bereich der Anordnung, in dem die Ladungsträger generiert werden, wodurch der Ladungstransport verbessert wird. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht ebenfalls die beidseitige Einstrahlung von Licht in die Solarzelle.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, die Metalloxid-Nanostäbe aus ZnO oder TiO₂ oder MgO oder ZnMgO auszubilden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die leitende transparente Schicht und die weitere transparente Schicht aus einem der folgenden Materialien zu bilden: Indiumzinnoxid (ITO) oder mit Aluminium dotiertes Zink(IV)oxid (AZO) oder mit Fluor dotiertes Zinn(IV)oxid (FTO). Beide Kontaktmaterialien sollten einen Widerstand von etwa 10 Ω bis einige 10 Ω aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform ist die aktive Schicht aus Si oder einem Chalkogenidhalbleitermaterial (wie z. B. CdTe, CIGS) oder einem organischen Material gebildet. Dabei kann es sich um eine p-Si-Schicht oder einen pn-Übergang bildende p- und n-Si-Schicht handeln.
Je nach Anwendung kann sich der in Richtung Metallkontakt verjüngende Querschnitt der Nanostäbe kontinuierlich oder stufenförmig verändern. Die Nanostäbe weisen eine Länge von einigen Hundert nm bis einige μm, einen Durchmesser von einigen Zehn nm bis einige Hundert nm und einen Abstand zueinander von 50 bis 2.000 nm auf.
Weiterhin ist bei der Anordnung von Metalloxid-Nanostäben vorgesehen, dass sich auf der leitenden transparenten Schicht eine zusätzliche Keimschicht für das Aufbringen der Metalloxid-Nanostäbe befindet, durch die das Wachstum der Metalloxid-Nanostäbe unterstützt wird.
Auf der TCO-Schicht für den ersten Kontakt kann sich eine zusätzliche Schicht als Template für das Aufbringen der Metalloxoid-Nanostäbe befinden. Diese kann beispielsweise aus anodischem Aluminiumoxid (AAO) oder einem strukturierten Photolack gebildet sein und beeinflusst einerseits die Dichte der aufzubringenden Metalloxid-Nanostäbe und andererseits ihre senkrechte Ausrichtung während des Aufwachsens.
Die nächsten Ausführungsformen betreffen weitere optionale Schichten, die durch ihre spezielle Funktion eine weitere Verbesserung der Wirkung der erfindungsgemäß Metalloxid-Nanostäbe aufweisenden aktiven Schicht bewirken sollen.
So ist eine Isolationsschicht zwischen Metalloxid-Nanostäben und aktiver Schicht angeordnet, die beispielsweise aus anodischem Aluminiumoxid (AAO) oder Al₂O₃ oder einem strukturierten Photolack oder MgO gebildet ist, wobei die Spitze der Metalloxid-Nanostäbe freigelegt ist. Diese Schicht soll einen Kurzschluss zwischen erstem Kontakt und der aktiven Schicht vermeiden.
Durch eine zwischen Metalloxid-Nanostäben und aktiver Schicht angeordnete Passivierungsschicht, beispielsweise Al₂O₃, sollen die Oberflächenzustände der Metalloxid-Nanostäbe passiviert werden. Das gleiche Ergebnis kann mit einer Plasmabehandlung der aufgewachsenen Metalloxid-Nanostäbe erreicht werden.
Eine andere zusätzliche zwischen Metalloxid-Nanostäben und aktiver Schicht angeordnete Schicht, eine Pufferschicht, dient der besseren Bandanpassung dieser beiden Schichten, insbesondere wenn die aktive Schicht aus einem Chalkogenidhalbleitermaterial gebildet ist. Diese Schicht kann in Abhängigkeit der Materialien für die Metalloxid-Nanostäbe und die aktive Schicht beispielsweise Al₂O₃ oder ZnMgO oder CdS sein.
In Abhängigkeit des Materials der aktiven Schicht kann diese mit den Metalloxid-Nanostäben einen Schottky-Kontakt bilden. Zur Bildung eines ohmschen Kontakts zwischen Metalloxid-Nanostäben und aktiver Schicht ist eine funktionelle Schicht vorgesehen, beispielsweise sind die in einem CIGS-Absorber angeordneten Metalloxid-Nanostäbe mit einer Mo-NaF-Schicht bedeckt.
Selbstverständlich kann eine dieser optional vorgesehenen zusätzlichen Schichten mehrere Funktionen erfüllen.
Die Nanostäbe können mit den dem Stand der Technik nach bekannten Verfahren aufgebracht werden. Beispielhaft seien hierfür folgende Veröffentlichungen erwähnt: Appl. Phys. Lett. 92, 161906 (2008) und WO 2009/103286 A2 betreffend die elektrochemische Deposition sowie Chem. Mater. 2005, 17, 1001–1006, wo weitere Möglichkeiten für das Aufwachsen von Nanostäben genannt sind.
Die Erfindung soll in folgendem Ausführungsbeispiel anhand von Figuren näher beschrieben werden.
Dabei zeigen
1: eine SEM-Aufnahme einer ZnO-Nanstäbchen-Anordnung auf einer ZnO-Al-Oberfläche im Querschnitt;
2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls im Querschnitt.
Die ZnO-Nanostäbchen in der in 1 gezeigten Aufnahme wurden mittels eines Elektrodepositionsverfahrens – wie bereits in der erwähnten WO 2009/103286 A2 beschrieben – erzeugt, wobei die Herstellung von nanostrukturiertem ZnO mit einer hohen inneren Quanteneffizienz (IQE) ohne zusätzlichen Temperschritt erfolgt. Bei diesem Elektrodepositionsverfahren wird eine wässrige Lösung aus einem Zn-Salz, beispielsweise Zn(NO₃)₂, und einem Dotiermittel, beispielsweise HNO₃ oder NH₄NO₃, verwendet.
Eine in 1 gezeigte Anordnung von ZnO-Nanostäben im Querschnitt dient als Basis für die Herstellung der erfindungsgemäßen Superstrat-Solarzellen-Anordnung im Querschnitt, wie sie in 2 gezeigt ist.
Dabei ist auf einem Glassubstrat 1 eine leitende transparente Schicht als erster Kontakt 2, hier ZnO:Al mit einer Dicke von 800 nm, angeordnet. Auf dieser Schicht 2 befinden sich ZnO-Nanostäbe 3 mit einer Länge von 400 nm, die – wie oben beschrieben – erzeugt wurden. Diese ZnO-Nanostäbe 3 weisen einen sich in Richtung zweiten Kontakt 5 verjüngenden (von 300 nm auf 40 nm) Querschnitt auf. Die ZnO-Nanostäbe 3 sind vollständig wie eine Matrix mit einer Si-Schicht 4 bedeckt, die eine Dicke von 500 nm aufweist. Der Rückkontakt 5 ist aus AZO mit einer Dicke von 800 nm gebildet.
Der Reflexionsindex der texturierten Si-Absorberschicht 4 ändert sich in dieser Superstrat-Anordnung von etwa 2 an der Grenzfläche ZnO:Al-Schicht 2 und Si-Absorberschicht 4 auf ca. 3,2 an der Grenzfläche Si-Absorberschicht 4 und zweiten Kontakt 5.
Eine erfindungsgemäße zweiseitige Solarzelle kann in einer Tandem-Anordnung und in einer Stapelstruktur für Solarzellen Anwendung finden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2405030 A [0002]
WO 2009/116018 A2 [0007]
US 2009/0242029 A1 [0008]
WO 2009/103286 A2 [0024, 0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Applied Physics Letters 93, 053113 (208) [0003]
FVS Themen 2000, S. 97 ff. [0004]
Appl. Phys. Lett. 96, 073115 (2010) [0005]
The 2nd Joint international Conference an Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)” 21–23 November 2006, Bangkok, Thailand, B-024 (O) [0005]
International Journal of Photoenergy, Volume 2010, Article ID 497095 [0005]
Nano Lett., Vol. 8, No. 5, 2008, 1501–1505 [0006]
Appl. Phys. Lett. 92, 161906 (2008) [0024]
Chem. Mater. 2005, 17, 1001–1006 [0024]

Claims

Zweiseitige Solarzelle, mindestens aufweisend ein transparentes Substrat, auf dem eine TCO-Schicht als erster Kontakt angeordnet ist, auf dem sich eine aktive Schicht befindet, die mit einer weiteren TCO-Schicht als zweiter Kontakt versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der aktiven Schicht (4) Metalloxid-Nanostäbe (3) mit in Richtung zweiten Kontakt (5) sich verjüngendem Querschnitt angeordnet sind, wobei die Grundfläche der Metalloxid-Nanostäbe (3) mit dem größeren Querschnitt direkt am ersten Kontakt (2) anliegt, und die aktive Schicht (4) wie eine Matrix die Metalloxid-Nanostäbe (3) vollständig in ihrer Höhe bedeckt, wobei die Spitzen der Metalloxid-Nanostäbe (3) Punktkontakte bilden.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxid-Nanostäbe (3) aus ZnO oder TiO₂ oder MgO oder ZnMgO gebildet sind.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die TCO-Schicht für den ersten Kontakt (2) oder den zweiten Kontakt (5) gebildet ist aus einem der folgenden Materialien FTO oder ITO oder AZO.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (4) gebildet ist aus Si oder einem Chalkogenidhalbleitermaterial oder einem organischen Material.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in Richtung zweiten Kontakt (5) verjüngende Querschnitt der Metalloxid-Nanostäbe (3) kontinuierlich verändert.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in Richtung zweiten Kontakt (5) verjüngende Querschnitt der Metalloxid-Nanostäbe (3) stufenförmig verändert.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxid-Nanostäbe (3) eine Länge von einigen Hundert nm bis einige μm, einen Durchmesser von einigen Zehn nm bis einige Hundert nm und einen Abstand zueinander von 50 bis 2.000 nm aufweisen.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der TCO-Schicht für den ersten Kontakt (2) eine Keimschicht für das Aufbringen der Metalloxid-Nanostäbe (3) befindet.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der TCO-Schicht für den ersten Kontakt (2) eine zusätzliche Schicht als Template für das Aufbringen der Metalloxid-Nanostäbe (3) befindet.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Metalloxid-Nanostäben (3) und aktiver Schicht (4) eine Isolationsschicht angeordnet ist, wobei die Spitze der Metalloxid-Nanostäbe (3) freigelegt ist.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Metalloxid-Nanostäben (3) und aktiver Schicht (4) eine Passivierungsschicht angeordnet ist.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Metalloxid-Nanostäben (3) und aktiver Schicht (4) eine Pufferschicht zur Verbesserung der Bandanpassung dieser beiden Schichten angeordnet ist.
Zweiseitige Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Metalloxid-Nanostäben (3) und aktiver Schicht (4) eine Schicht zur Ausbildung eines ohmschen Kontaktes angeordnet ist.