DE2245214A1 - STABILIZED CDS SOLAR CELLS - Google Patents
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Description
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Communications Satellite Corporation, WashingtonCommunications Satellite Corporation, Washington
D.C, / USAD.C, / USA
Stabilisierte CdS SolarzellenStabilized CdS solar cells
Die vorliegende Erfindung betrifft CdS-DUnnfilmsolarzellen. Bel Dünnfilmsolarzellen werden Halbleiterschichten angewandt, die normalerweise keine Einkristalle darstellen. Eine der .fortschrittlichsten Dünnfilmzellen ist die sogenannte "CdS" Zelle, welche in Wirklichkeit eine HeteroUbergangszone zwischen Cu S (in dem χ normalerweise in der Nähe von 2 liegt) des p-Typs und CdS des η-Typs darstellt. Anders als die weiterver-,The present invention relates to CdS thin film solar cells. In thin-film solar cells, semiconductor layers are used which normally do not represent single crystals. One of the The most advanced thin-film cell is the so-called "CdS" Cell, which in reality is a heterojunction zone between Cu S (in which χ is usually close to 2) of the p-type and represents η-type CdS. Unlike the
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breiteten Siliciumiolarzellen weisen die CdS-DUnnfilmsolarzellen eine Instabilität auf. Es ist beispielsweise bekannt, dass derartige Zellen einen ErmUdungseffekt mit der Zeit, d.h., eine Abnahme der photoelektrischen Wirksamkeit aufweisen. Wenngleich das Ausmass der Verschlechterung von der Zellenkonstruktion abhängig ist, so weisen selbst die besten Zellen doch eine deutliche Verschlechterung auf.The CdS thin-film solar cells have a wide range of silicon-violin cells instability. It is known, for example, that such cells develop a fatigue effect over time, i.e. exhibit a decrease in photoelectric efficiency. Albeit the extent of the deterioration from the cell construction is dependent, even the best cells show significant deterioration.
Der ErmUdungseffekt bei CdS-Dünnfilmsolarzellen kann durch Ausfilterung von Licht einer Wellenlänge oberhalb etwa 0.8 λχ verringert werden.The fatigue effect in CdS thin film solar cells can be reduced by filtering out light with a wavelength above about 0.8 λχ .
In der beiliegenden Zeichnung ist die Veränderung der zeitlichen photoelektrischen Wirksamkeit gegenüber der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung wiedergegeben.In the accompanying drawing is the change in photoelectric effectiveness with time versus wavelength of the incident radiation.
Einer der Vorteile der CdS-DUnnfilmsolarzellen gegenüber Siliziumsolarzellen besteht darin, dass erstere auf relativ einfache Weise erzeugt werden können, üblicherweise wird eine CdS-Schicht durch Aufdampfungsverfahren erzeugt. Im Vergleich zu der Grosse der Siliziumschichten, die in Siliziumsolarzellen verwendet werden, können sehr grosse Schichten gebildet werden. Die Cu S-CdS-Heteroübergangszone wird durch Eintauchen der CdS-Schicht in ein chemisches Bad in bekannter Weise gebildet. Trotz dieses Vorteils der leichten Erzeugung werden die CdS-Solarzellen nioht in einem so grossen Umfang wie die Siliziumsolarzellen aus einer Reihe von Gründen verwendet, wobei einer dieser Gründe die zeitliche Abnahme der Wirksamkeit bei Belichtung mit Sonnenenergie darstellt.One of the advantages over the CdS thin film solar cells Silicon solar cells consists in that the former is based on relatively simple way can be generated, usually will a CdS layer is produced by vapor deposition. In comparison In addition to the size of the silicon layers that are used in silicon solar cells, very large layers can be used are formed. The Cu S-CdS heterojunction zone is through Immersing the CdS layer in a chemical bath is formed in a known manner. Despite this advantage of easy production the CdS solar cells are not in such a large size Scope as the silicon solar cells are used for a number of reasons, one of which is the decrease over time the effectiveness when exposed to solar energy.
Es ist bekannt, dass die CdS-Solarzellen ihre Abgabeenergie mit der Zelt verringern. Durch ausführliche Studien wurde festgestellt, dass zwei konkurrierende Wirkungen die Abnahme der Abgabekraft bzw. -energie hervorrufen. Zum Ersten ist ' It is known that the CdS solar cells reduce their output energy with the tent. Extensive studies have shown that two competing effects cause a decrease in the delivery force and energy, respectively. For the first is '
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festgestellt worden, dass bei Belichtung durch Strahlung aus einem schmalen Bereich relativ kurzer Wellenlänge die Leistung der GdS-ZeIIe tatsächlich anwächst und nach einem kurzen Zeitraum, z.B. 1 Stunde,, eine im wesentlichen konstante Leistung erreicht. Weiter wurde festgestellt, dass bei Belichtung mit Strahlung, aus einem schmalen Bereich relativ langen Wellen-'länge die Leistung der CdS-ZeIIe abnimmt und nach einem kurzen Zeltraum, z.B. 1 Stunde, eine im wesentlichen konstante Leistung erreicht.has been found to be off when exposed to radiation a narrow range of relatively short wavelengths the power of the GdS cell actually increases and after a short period of time, e.g. 1 hour, a substantially constant performance is achieved. It was also found that when exposed to Radiation, from a narrow range of relatively long wavelength the performance of the CdS cell decreases and after a short Tent space, e.g. 1 hour, a substantially constant performance is achieved.
Eine Auftragung der Veränderung der. Wirksamkeit gegenüber der ' Wellenlänge für zwei handelsübliche CdS-Solarzellen ist angegeben. Obwohl die Kurven für beide Proben nicht identisch sind, veranschaulichen beide das vorstehend beschrieben Phänomen. Der Unterschied zwischen beiden in dem Punkt der Abszissen-Überkreuzung und in dem Ausmass der Veränderung der Leistung ist, wie man glaubt, auf den Unterschied der Elektronenfallen in dem CdS in der Nähe der Cu S-CdS-Übergangszone zurückzuführen. Die Einfügungen in der Figur veranschaulichen qualitativ die Zeltabhängigkeit der Photoanregung. Die Einfügungen, auf die hier Bezug genommen wird, sind die drei Zeichnungen, in denen die Zeit t auf den entsprechenden Abszissen aufgetragen ist. Jede gibt die Anregung einer CdS-Solarzelie durch einen schmalen Bereich von Lichtstrahlung wieder. Die- am weitesten links stehende Zeichnung gibt die Anregung durch ein schmales Strahlungsband j η dem Berejch kurzer Wellenlänge - unter dem Kreuzungspunkt auf der Hauptzeichnung der Figur - wieder. Hier zeigt die Abgabe ein zeitliches Anwachsen über einen kurzen Zeitraum. Die am weitesten rechts eingefügte Zeichnung zeigt, dass ein entgegengesetzter zeitlicher Ab lauf bei einem schmalen Bereich von Lichtstrahlung einer rolativ langen Wellenlänge auftritt. In der nähe der Überkreuzungspunkte kann ein zeitlicher Ablauf festgestellt werden,A plot of the change in. Effectiveness against the ' The wavelength for two commercially available CdS solar cells is given. Although the curves for both samples are not identical, they both illustrate the phenomenon described above. The difference between the two in the point of crossing the abscissa and in the extent of the change in power is believed to be due to the difference in electron traps in the CdS near the Cu S-CdS transition zone. The inserts in the figure qualitatively illustrate the cell dependence of the photoexcitation. The insertions, on Reference is made here to the three drawings in which the time t is plotted on the corresponding abscissas is. Each gives the suggestion of a CdS solar cell a narrow range of light radiation again. The drawing furthest to the left gives the suggestion a narrow band of radiation j η the range of short wavelength - under the crossing point on the main drawing of the figure - again. Here the release shows a temporal increase over a short period of time. The rightmost one inserted The drawing shows that an opposite time sequence with a narrow range of light radiation has a rolative long wavelength occurs. Near the crossing points a time sequence can be determined,
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BADBATH
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der zuerst abfällt und dann ansteigt, oder umgekehrt.which first falls and then rises, or vice versa.
Die Ergebnisse veranschaulichen, dass die elektronische Stabilität der Cu S-CdS-ZeIIe von der Spektralverteilung der Belichtungsquelle abhängt. Die aus Zellen entnehmbare elektrische Kraft wird zeitlich abnehmen, sofern die Lichtquelle einen hohen Infrarotanteil aufweist j in umgekehrter Welse wird sie anwachsen, wenn die Lichtquelle hauptsächlich sichtbare Anteile enthält. Die Stabilität einer Solarzelle des Cu S-CdS-Typus kann somit durch Anordnung eines Filters, der Licht oberhalb einer gewissen Wellenlänge entweder absorbiert oder reflektiert, verbessert werden. Die optimale Abschnittswellenlänge hängt von der spezifischen Solarzelle ab, und kann exakt nur durch Messungen der Leistungsveränderung des In der Zeichnung gezeigten Typs festgestellt werden. Die optimale Abschnitts frequenz liegt jedoch in dem Bereich von 0.7 biß 0.9 /U. Nachdem optische Filter für Dünnfilme in ausreichendem Mass entwickelt wurden, sind verschiedene bekannte Verfahren zur Aufbringung einer Pilterschicht auf der belichteten Oberfläche der Solarzelle verwendbar, um eine Prequenzabschneidung bei der optimalen Abschnittsfrequenz zu erreichen.The results illustrate that the electronic stability of the Cu S-CdS cell depends on the spectral distribution of the Exposure source depends. The electrical force that can be drawn from cells will decrease over time, provided the light source has a high infrared component j in the opposite direction it will increase if the light source contains mainly visible parts. The stability of a solar cell des Cu S-CdS-Typus can thus by arranging a filter, the Light above a certain wavelength, either absorbed or reflected, can be improved. The optimal section wavelength depends on the specific solar cell and can can only be determined exactly by measuring the change in performance of the type shown in the drawing. The optimal section however, the frequency is in the range of 0.7 to 0.9 / U. After optical filters for thin films have been sufficiently developed, various methods are known can be used to apply a filter layer to the exposed surface of the solar cell in order to cut off the sequence to achieve at the optimal section frequency.
Es wird hiermit festgestellt, dass die vorstehend beschriebene Filterung sich von bekannten Techniken wesentlich unterscheidet, bei denen Strahlung langer Wellenlänge, die nicht aktiv ist, herausgefilteit wird. Im letzteren Fall liegt der Sinn des Filterns darin, das Licht das ausreichende Energie zur Bildung von Loch-Elektronenpaaren, d.h., photoelektrischen Strom besitzt, zu entfernen. Bei Cu S-CdS sind Wellenlängen oberhalb etwa 0.1 /u nicht wirksam. Erfindungsgemäss werden Wellenlängen, die in dem wirksamen Bereich liegen, auch herausgefiltert-,. Dies ruft einen aTfänßl ionen Verlust an Kraftabgabe hervor, erhöht jedoch die Gesamtstabilität und Wirlcsam-It is hereby established that the filtering described above differs significantly from known techniques, where long wavelength radiation that is not active is filtered out. In the latter case the The sense of filtering is that the light has sufficient energy to form hole electron pairs, i.e., photoelectric Electricity owns to remove. With Cu S-CdS, wavelengths above about 0.1 / u are not effective. According to the invention Wavelengths that are in the effective range are also filtered out. This causes a loss of power output but increases the overall stability and efficiency
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keit während der Lebensdauer der Zelle.Hier liegt die Abschnittsfrequenz in der Nähe der niedrigsten Frequenz, welche in indi- · vidueller Weise die gleichförmige Leistungsabnahme der Cu S-CdS-ZeIIe bewirkt.speed during the life of the cell; this is where the section frequency lies near the lowest frequency, which in indi- Most likely the uniform decrease in performance of the Cu S-CdS cell causes.
Man nimmt an, dass das festgestellte Phänomen auf Fallen bzw. "traps" in der CdS-Struktur in der Nähe der Heteroüber^angszone und auf die Wirkung zurückzuführen ist, die eine Verän—ierung des Einfangens bzw. "trapping" auf die Randschichtsübergangszone ausübt. Das CdS bildet keine perfekte oder selbst nahezu perfekte kristalline Schicht aus, sondern weist Fehlstellen auf, die als Fallen, bzw. "traps" bezeichnet werden. Das Oberflächenpotential von CdS ergibt sich aus der unterschiedlichen Funktionsweise von Cu S gegenüber CdS wie auch der Partialbelegung der Grenzflächenzustände und traps. D±e Dichte der traps wird zudem während des Herstellungsverfahrens, wenn die Zelle bei einer Temperatur von etwa 25O0C vergütet wird, erhöht. Durch den Vergütungsschritt wird eine Diffusion von Kupfer in CdS bewirkt. Die grosse Varianz bei Cu-S Verbindungen und die Eindiffusion von Kupfer und die Herausdiffusion von Schwefel in CdS führt zu einem Strukturgradienten. Hierdurch wird eine grosse Dichte an Punktfehlstellen in der Nähe der Übergangszone bewirkt. Diese Fehlstellen können auch mit den Kornbegrenzungen in dem Polykristallinen CdS in Wechselwirkung treten und erhöhen, so wird angenommen, die Dichte der Fallen bzw. traps.It is believed that the phenomenon observed is due to traps in the CdS structure near the hetero transition zone and the effect that a change in trapping has on the boundary layer transition zone . The CdS does not form a perfect or even almost perfect crystalline layer, but rather has imperfections, which are referred to as traps. The surface potential of CdS results from the different functionality of Cu S compared to CdS as well as the partial occupancy of the interface states and traps. D ± e density of traps is further increased during the production process, when the cell is annealed at a temperature of about 25O 0 C. The tempering step causes a diffusion of copper in CdS. The great variance in Cu-S compounds and the inward diffusion of copper and the outward diffusion of sulfur in CdS lead to a structure gradient. This causes a large density of point defects in the vicinity of the transition zone. These flaws can also interact with the grain boundaries in the polycrystalline CdS and, it is assumed, increase the density of the traps.
Es wird angenommen, dass die Potentialschwellenhöhe einer Cu„S-CdS HeteroUbergangszone hauptsächlich durch die Belegungsstatistik der Fallen in der Nähe der Grenzfläche bestimmt ist. Bei Belichtung mit Licht langer Wellenlänge treten Elektronen in dem CdS-Bereich ein, wodurch ein erhöhtes trapping hervorgerufen wird. Dies bedeutet wiederum eine hohe trap-Belegung,It is assumed that the potential threshold level of a Cu "S-CdS heterojunction zone is mainly due to the occupancy statistics the trap is determined near the interface. When exposed to long wavelength light, electrons occur in the CdS area, causing increased trapping. This in turn means a high trap occupancy,
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wodurch die Potentialschwelle mit der Zeit angehoben wird. Wie die Messungen zeigen, weisen kurze Wellenlängen die umgekehrte Wirkung auf. Die verbundene Abnahme der Potentialhöhe kann entweder durch Abgabe gefangener Elektronen oder durch Lochtrapping erklärt werden. Sofern die Abgabe durch direkte Anregung durch Photonen erfolgen würde, würden die Abgabewirkungen bei Belichtung der Zelle von der Seite des CdS stärker hervortreten. Es wurde jedoch festrastellt, dass das Gegenteil der Fall ist. Deshalb ist die Annahme vernünftig, dass die Abgabe nicht durch Photoanregung aus den Fallenorten erfolgt.whereby the potential threshold is raised over time. As the measurements show, short wavelengths have the opposite Effect on. The associated decrease in the potential level can either be caused by the release of trapped electrons or by hole trapping be explained. If the delivery were to take place through direct excitation by photons, the delivery effects would occur become more prominent when the cell is exposed from the side of the CdS. However, it has been found that the opposite of Case is. It is therefore reasonable to assume that the release does not take place by photoexcitation from the trap locations.
Eine alternative Erklärung liegt darin, dass - da Cu S im allgemeinen als entartet angesehen wird - leere Zustände in dem Valenzband vorliegen. Hierdurch ist es möglich, einige der Photonen dadurch zu absorbieren, dass Elektronen in diese Zustände gehoben werden. Hierdurch besteht die Möglichkeit einer, durch Photonen einer über etwa 1.7 Elektronenvolt liegenden Energie hervorgerufenen geringen Lochinjektion mit nachfolgendem trapping in dem CdS. Dieses Loch-Einfangen hebt wirksam die Wirkung des Einfangens der Elektronen auf.An alternative explanation is that - since Cu S im is generally considered to be degenerate - there are empty states in the valence band. This enables some to absorb the photons by lifting electrons into these states. This gives you the opportunity a small hole injection caused by photons with an energy above about 1.7 electron volts with subsequent trapping in the CdS. That hole-trapping effectively cancels the electron trapping effect.
— 7 _ 30 98 13/0836 - 7 _ 30 98 13/0836
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| OHA | Expiration of time for request for examination |