DE2318895A1

DE2318895A1 - Sonnenbatterie

Info

Publication number: DE2318895A1
Application number: DE2318895A
Authority: DE
Inventors: Jean Georges Besson; Thuoc Nguyen Duy; Wolfgang Palz
Original assignee: Societe Anonyme de Telecommunications SAT
Current assignee: Societe Anonyme de Telecommunications SAT
Priority date: 1972-04-19
Filing date: 1973-04-14
Publication date: 1973-10-31
Also published as: JPS5120273B2; NL159238B; NL7305193A; JPS4921089A; GB1387244A; FR2182652A2; FR2182652B2

Description

Societe Anonyme de Telecommunications Paris / ffrankreioh

S onnenbatt er i e

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonnenbatterie, die verglichen mit bekannten Sonnenbatterien gleicher Art eine höhere Energieausbeute bzw. einen höheren energetischen Wirkungsgrad hat, die bzw. der dadurch erhalten wird, daß der Bereich der von der Batterie ausgenutzten Wellenlängen des von der Sonne ausgesandten Spektrums erweitert wird.

Die erfindungsgemäße Sonnenbatterie fällt in den Bereich von bekannten Sonnenbatterien, die aus einem Silizium-Halbleitkörper mit einer p-dotierten Zone bestehen, an deren Oberseite sich eine dem einfallenden licht ausgesetzte η-dotierte Zone geringer Dicke befindet. Derartige Batterien bzw. Elemente sind im allgemeinen mit aus Metall bestehenden Elektroden versehen, wobei eine erste Elektrode die Unterseite des p-dotierten Halbleiterkörpers abdeckt, während eine zweite Elektrode

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in Form eines Stromsammeigitters auf der Oberseite der Batterie bzw. des Elementes angeordnet ist, und zwar in dem Bereich, in dem der Halbleiterkörper η-dotiert ist. Diese obere Schicht bzw. Oberseite ist weiterhin mit verschiedenen Materialschichten überdeckt, die die Energieausbeute bzw. den energetischen Wirkungsgrad verbessern sollen und/oder zum Schutz der Batterie bzw. des Elementes dienen, um das zuverlässige Arbeiten und die Qualität der bzw. desselben zu gewährleisten.

Es hat sich gezeigt, daß trotz aller Vorsichtsmaßnahme, die bei der Herstellung der Batterie bzw. des Elementes getroffen werden, die η-dotierte Zone Unregelmäßigkeiten oder andere Fehler aufweist, die mit dem Zustand der Oberfläche zusammenhängen. Aus diesem Grund rekombinieren sich die beim Aufprallen der auf treffenden Photonen im Bereich der Batterie- bzw. Elementoberfläche gebildeten Iräger zum größten Teil an den ionisierten Oberflächenzentren der gleichen Zone. Sie nehmen daher nicht an der Energieumwandlung teil, die von der Batterie bzw. dem Element durchgeführt werden soll. Dieser Effekt findet weiterhin selektiv in Abhängigkeit^lvon der Wellenlänge der auf treffenden Photonen statt und ist insbesondere bei den Bestandteilen der Sonnenstrahlung nachteilig, deren Wellenlänge unter 5000 S. liegt, wodurch die Ausbeute bzw. der Wirkungsgrad einer derartigen Sonnenbatterie außerordentlich nachteilig beeinflußt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die nachteilige Wirkung der Oberflächenzentren für kleinere Wellenlängen durch genau gesteuerte Kompensation der elektrischen Ladung, welche diese Oberflächenzentren tragen, zu beseitigen. Die Oberflächenionen sollen dadurch im Zustand von neutralen Atomen, ohne Einfluß auf die Größe der Energieausbeute bzw» des energetischen Wirkungsgrades diese Strahlungen geringerer Wellenlängen passieren, und zwar im Gegensatz zu dem, was bei bekannten Sonnenbatterien stattfindet.

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Um das zu erreichen, soll erfindungsgemäß eine sich von bekannten Sonnenbatterien unterscheidende Sonnenbatterie geschaffen werden, die organisch so dotiert ist, daß die genaue bzw. gesteuerte Kompensation der elektrischen ladungen gewährleistet ist, die von den Oberflächen-Rekombinationszentren der η-dotierten Zone des Halbleiterkörpers getragen werden.

Zur lösung dieser Aufgabe ist eine Sonnenbatterie, bestehend aus einem Silizium-Halbleiterkörper mit einer p-dotierten Zone, an deren Oberseite sich eine dem einfallenden licht ausgesetzte η-dotierte Zone geringer Dicke befindet, wobei die Unterseite der Batterie von einer metallenen Elektrode und die Oberseite von einem aus Metall bestehenden Sammelgitter abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die η-dotierte Zone zwischen den Stäben des Sammelgitters von einer für die auf treffende Strahlung transparenten bzw. durchlässigen Isolierschicht überdeckt ist, die ihrerseits von einer eine dritte Elektrode bildenden leitenden Schicht überdeckt ist, die gegenüber dem Sammelgitter isoliert und ebenfalls für die auftreffende Strahlung transparent bzw. durchlässig ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Isolierschicht aus Siliziumoxyd, das hauptsächlich durch Oxydation des Siliziums gebildet ist, während die leitende Schicht durch einen filmartigen Überzug aus Zinnoxyd, SnO«» gebildet ist.

Gemäß weiterer Erfindung ist vorgesehen, daß die Isolierschicht durch Verdampfen von Siliziumoxyd gebildet worden ist, Die Batterie bzw. das Element ist weiterhin vorzugsweise mit einer selbständigen Versorgungs- bzw. Speisequelle für die dritte Elektrode versehen, wobaL die selbständige Yersorgungsquelle für die dritte Elektrode durch Einsetzen bzw. Ineinanderschachteln von elementaren Sperrschicht-Fotodioden gebildet ist.

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Gemäß weiterer Erfindung ist vorgesehen, daß die elementaren Sperrschicht-Fotodioden auf einem kleinen von der n-dotierten Zone freigelegten O"berflächenbereich durch aufeinanderfolgende Diffusion von abwechselnd unterschiedlich dotierten Zonen in die p-dotierte Basiszone eingelassen und durch Metallauftrag zwischen unterschiedlich dotierten Zonen von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Dioden in Reihe geschaltet sind, und daß die dritte Elektrode direkt an den Ausgang der Diode angeschlossen ist, die, in absoluten Werten, relativ zu der an die p-dotierte Basiszone angeschlossene Elektrode ein höheres Ftential hat.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1: einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Sonnenbatterie;

Pig. 2: einen Längsschnitt einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonnenbatterie, und

Fig. 5.und 4: im vergrößertem Maßstab einen Teil der Sonnenbatterie gemäß Pig. 2, und zwar in Verbindung mit zwei abgewandelten Ausführungsformen.

Im folgenden wird zuerst auf die Darstellung von Fig. 1 Bezug genommen. Die Batterie bzw. das Element weist eine p-dotierte Zone 1 eines Siliziumhalblelterkörpers auf. Diese Zone hat beispielsweise eine Höhe von 300 Mikron. Diese Zone 1 wird mittels bekannter Verfahren von einer η-dotierten Zone 2 überlagert, deren Höhe in der Größenordnung von 0,5 Mikron liegt. Auf der Oberseite dieser Zone 2 befindet sich mit einer Dicke in der Größenordnung von hundertstel Mikron eine Zone 3 mit Rekottbinationszeutren_s die beispielsweise negativ ionisiert sind. Die Batterie bzw. das Element umfaßt weiterhin ein Sammelgitter, welohes die Elektrode für die Zone 2-5 bildet und aus Stäben 4 besteht; es ist weiterhin ebene Elektrode 5 für die Zone 1 vorhanden. Diese Elemente werden aif die gleiche Weise

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erhalten una sind völlig analog in Elementen, einer an sich bekannten n-p-Siliziumsonnenbatterie.

Erfindungsgemäß ist die Oberflächenzone 3 von einer Isolierschicht 6 aus Siliziumoxyd überlagert und einer Schicht 7 aus SnO₂ oder irgendeinem anderen Stoff wie beispielsweise Indiumoxyd, In₂O-, d.h. einem Stoff, der dafür bekannt ist, daß er gleichzeitig elektrisch leitend und für die auf das Element bzw. die Batterie auf treffende Strählung transparent bzw. durchlässig ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß durch eine geeignete Anordnung der Schichten 6 und 7 die Schicht 7 durch die Schicht 6 gegenüber dem benachbarten Stabelement.4 des Sammelgitters isoliert ist. Die gesamterAnordnung kann vorzugsweise von mindestens einer üblichen und bekannten Schicht 9 mit antireflektorischen Eigenschaften und/oder zu Sehutzzwekken überzogen sein.

Aufgrund ihrer geringen Dicke und unter Berücksichtigung dessen, daß sie ausreichend leitend ist, kann die Zone 3 zu einer Art Kondensatorbelag assimiliert werden, der auf einem negativen Potential gehalten wird, und zwar wegen der Ionenladung, die von den Rekombinationszentren überlagert ist, welche sie bilden. Die leitende Schicht 7 und die Isolierschicht 6 können weiterhin zusammen mit der Zone 3 wirksam einen Kondensator bilden, von dem die Elemente 3 und 7 die Beläge bzw. Platten und das Element 6 das Dielektrikum sind. Wenn man den Belag 7 auf ein negatives Potential bringt, lädt sich die . . dem Belag 7 benachbarte Seite des Dielektrikums 6 negativ auf, wodurch sich die entgegengesetzte Seite des Dielektrikums 6 positiv auflädt. Die aus dieser Seite und der Zone 3 gebildete Einheit kann, wenn das Potential des Belags 7 in geeigneter Weise ausgewählt ist, eine Quasi-Oberfläeheneinheit mit der resultierenden ladung Null bilden. All dieses läuft bei der erfindungsgemäßen Sonnenbatterie so ab, als ob die Zone 3 nicht mehr am Wirkungsgrad bzw. an der Leitung der Batterie beteiligt ist. Es läßt sich praktisch keine Leistung zwischen der Elek-

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trode 7 und den. anderen Elektroden 4 und 5 der Sonnenbatterie feststellen.

Bei einer Sonnenbatterie , die mit anderen Sonnenbatterien zur Bildung einer Batteriegruppe zusammengefaßt ist, kann das Potential, auf welches dig&Lektrode 7 gebracht wird, von der gesamtspannung der den Sonnengenerator bildenden Gruppe erhalten werden.

In Fig. 2 ist ein Anordnungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batterie dargestellt, die mit einer selbständigen Versorgungsquelle für die dritte Elektrode versehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Zone 2 zwischen zwei Gitterstäben der Semmelelektrode 4 in einem bestimmten, im Schnitt dargestellten Yolumenbereich 7 derart ausgespart, so daß wiederum ein Teil der Basiszone 1 an der Oberfläche erscheint. Man erzeugt durch die Schicht 7 in der Zone 1 vier aufeinanderfolgende Diffusionen, die man so anbringt, daß man die Zonen 7.1t 7.2, 7.3 und 7.4 erhält. Diese Zonen sind jeweils ine inandere ingebettet bzw. ineinander eingelassen und bilden vier aufeinanderfolgende p-n-Übergänge: Die Zonen 7.1 und 7.3 sind η-dotiert und die Zonen 7.2 und 7.4 sind p-dotiert. Die Verwirklichung derartiger Übergänge ist leichter in der Basiszone 1 als in der n-dotierten Zone 2, da die Zone 1 weniger dotiert ist als die Zone 2. Die Yierfach-Metallbeläge 8 bleiben nicht mehr als aktive Übergänge bestehen wie die n-p-Übergänge zwischen den Zonenpaaren (7.1j 7.2) und (7.3; 7.4).

Die Zonen 7.1 und 7,3 sind weniger dotiert als die Zone 2 und das Volumen 7 ist sehr gering. Aus diesem Grund haben die elementaren Sperrschicht-Fotozellen einen höheren Sperrschicht.» Fotoeffekt, woraus es sich ergibt, daß das Relativpotential" der Zone 7.4 im Vergleich zur Elektrode 3 der Basiszone 1 um 0,8 bis 1 Volt höher ist als das der Elektrode 3.

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Diese Zone 7.4 ist elektrisch an die dritte Elektrode 6 der Sonnenbatterie angeschlossen, wobei die Isolierschicht 5 die Sperrschicht-Fotozelle (7.1; 7.2) überdeckt.

Bei der in Fig. 2 in beispielhafter'.Weise dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann man bei der dritten Elektrode. der Batterie ein höheres Potential zugrunde legen.

Mann kann erfindungsgemäß auch in der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Weise im Bereich des Volumens 7 die Anordnung von mehreren elementaren ineinandergefügten Sperrschicht-Fotozellen •vorsehen. Durch geeignete Metallbeläge 8 wird dadurch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 folgendes erreicht: Die Reihenschaltung von drei p-n-Zellen, wodurch die Elektrode 6 relativ zur Elektrode 3 eine Polarisation erhält, die dreimal 0,5 Volt niedriger ^"t: man erhält bei der Ausführuugsform gemäß Fig. 4 die Reihenschaltung von drei n-p-Zellen, wodurch die Elektrode 6 relativ zur Elektroden eine Polarisation erhält, die dreimal 0,5 Volt höher ist.

Die erfindungsgemäße Sonnenbatterie ist überall da benutzbar, wo bekannte Sonnenbatterien einsetzbar sind. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Sonnenbatterie führt su einer besseren Energieausbeute. Indem die Batterie mit selbständigen Versorgungs-bzw. Speisequellen für die dritte Elektrode versorgt wird, ist es möglich, Batteriegruppen zu bilden, die einen Sonnengenerator bilden, dessen außerhalb der Batterien bzw. Elemente liegende Verdrahtung ebenso einfach und zuverlässig ist wie bei bekannten Generatoren, wobei jedoch bei der erfindungsgemäßen Anordnung die »aergieausbeute b*w. der energetische Wirkungsgrad wesentlioh verbessert 1st.

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Claims

Patentansprüche

Sonnenbatterie, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit einer p-dotierten Zone, an deren Oberseite sich eine dem einfallenden licht ausgesetzte η-dotierte Zone geringer Dicke befindet, wobei, die Unterseite der Batterie von einer metallenen Elektrode und die Oberseite von einem aus Metall'bestehenden Sammelgitter abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die η-dotierte Zone (2) zwischen den Stäben (4) des Sammelgitters von einer für die auftreffende Strahlung transparenten bzw. durchlässigen Isolierschicht überdeckt ist, die ihrerseits von einer eine dritte Elektrode bildenden leitenden Schicht überdeckt ist, die gegenüber dem Sammelgitter isoliert und ebenfalls für die auftreffende Strahlung transparent bzw. durchlässig ist.
2. Sonnenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silizium besteht.
3. Sonnenbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus Siliziumoxyd besteht.
4. Sonnenbatterie nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht eine filmartige Schicht aus Zinnoxyd, SnO₂, ist.
5. Sonnenbatterie nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus Oxydation von Silizium gebildet ist.
6. Sonnenbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht durch Verdampfen von Siliziumoxyd gebildet ist.
7. Sonnenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6," dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer selbständigen Versorgungsbzw, Speisequelle für die dritte Elektrode versehen ist.

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8. Sonnenbatterie nach Anspruch 7» dadurch.gekennzeichnet, daß die selbständige Tersorgungsquelle für die dritte Elektrode durch Einsetzen bzw. Ineinanderschachteln von elementaren Sperrschicht-JOtodioden gebildet ist.
9. Sonnenbatterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elementaren Sperrschicht-Fotodioden auf einem kleinen von der η-dotierten Zone (2) freigelegten Oberflächenbereich durch aufeinanderfolgende Diffusion von abwechselnd unterschiedlich dotierten Zonen in die p-dotierte Basiszone (1) eingelassen und durch Metallauftrag (8) zwischen unterschiedlich dotierten Zonen von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Dioden in Reihe geschaltet sind, und daß die dritte Elektrode direkt an den Ausgang der Diode angeschlossen ist, die, in absoluten Werten, relativ au der an die p-dotierte Basiszone (3) angeschlossene Elektrode ein höheres Potential hat.

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