DE2639841B2 - Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Solarzelle und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle, in deren Halbleiterkörper Zonen entgegengesetzter Do- eo
tierung einen PN-Übergang bilden und jeweils mit einer Elektrode versehen sind. Die Erfindung betrifft ferner
ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle.
Eine Solarzelle der genannten Art ist aus der DE-OS 34 751 bekannt. b5
Solarzelle sind elektronische Halbleiterbauelemente, mit denen Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt
werden kann. Der Halbleiterkörper kann beispielsweise aus Silizium oder aus einer 111-V-Verbindung wie
Galliumarsenid bestehen und ist auf seiner der Strahlung zugewandten Vorderseite durch Diffusion mit
einem großflächigen PN-Übergang versehen. Als Elektroden zur Abnahme des an einem solchen
Halbleiterkörper erzeugten Stromes dienen flächenhafte Metallkontakte auf der Rückseite und dünne
metallische Kontaktstreifen auf der Vorderseite. Am PN-Übergang wird im thermischen Gleichgewicht eine
Diffusionsspannung erzeugt, deren Höhe durch die Störstellenkonzentration in den angrenzenden Zonen
bestimmt wird. Sie bildet das innere Feld über der Raumladungszone der Grenzschicht Treten nun Lichtquanten
mit genügend großer Energie in einen solchen Halbleiterkörper ein, so werden beiderseits des
PN-Überganges zusätzlich Ladungsträgerpaare im Überschuß über das thermische Gleichgewicht erzeugt
Durch Diffusion bewegen sich dann die erzeugten Ladungsträger auf den PN-Übergang zu und werden in
dessen elektrischem Feld getrennt Diese Separation bedeutet eine Reduzierung des inneren Potentials. Die
Differenz zum Potential des thermischen Gleichgewichts erscheint als eine Fotospannung, wobei in einem
an den Halbleiterkörper angelegten äußeren Laststromkreis dann ein Ladungsausgleich unter Abgabe von
elektrischer Energie erfolgt
Solarzellen werden bekanntlich unter dem Gesichtspunkt gestaltet, daß möglichst viele Photonen in den
Halbleiterkörper eindringen können und daß die Zahl der den PN-Übergang erreichenden Ladungsträger
sowie die abgebbare Leistung möglichst groß werden, die dem Licht zugewandte im allgemeinen N-leitende
Zone des Halbleiterkörpers, die weniger degradiert als eine P-leitende Zine, wird deshalb möglichst dünn
gewählt, damit ein hoher Prozentsatz des in der sehr
dünnen N-leitenden Zone absorbierten Lichtes zur Energieumwandlung beiträgt Die Konversionslänge ist
dann ungefähr gleich der Diffusionslänge. Ferner wird der Schichtwiderstand dieser N-Ieitenden Zone klein
gewählt, damit nicht durch einen zu großen Serien- bzw. Innenwkierstand der Wirkungsgrad der Solarzellen
herabgesetzt wird. Außerdem wird zweckmäßig für den Halbleiterkörper ein Ausgangsmaterial mit einem
spezifischen Widerstand zwischen 1 und 10 Ohmcm gewählt Die aus solchen Halbleitermaterialien hergestellten
Solarzellen degradieren unter Korpuskularstrahlung nur wenig. Ferner ist dann die Lebensdauer
der Minoritätsladungsträger und somit die Diffusionslänge ausreichend groß, so daß ein erheblicher Anteil
der erst weiter innen auf der der Lichteinstrahlrichtung abgewandten Seite des PN-Überganges absorbierten
Lichtquanten Ladungsträger erzeugt, die den PN-Übergang noch erreichen können.
Von dem auf eine Halbleiteroberfläche einer Solarzelle einfallenden Licht wird ein großer Anteil
reflektiert, der beispielsweise bei einer ebenen Siliziumoberfläche
bis zu 32% betragen kann. Die bekannten Solarzellen sind deshalb im allgemeinen mit Schichten
von entsprechender Dicke und aus einem Material mit einem angepaßten Brechungsindex versehen, um die
Reflexionsverluste auf einen vernachlässigbaren Betrag zu begrenzen (DE-OS 19 34 751).
Solarzellen enthalten im allgemeinen einen flachen Halbleiterkörper mit einer Dicke von einigen 100 μπι,
beispielsweise 350 μίτι, aus einkristallinem, P-leitendem
Silizium, in dessen Oberseite eine dünne N-leitende Zone mit geringer Dicke von beispielsweise 0,3 μπι
eindiffundiert ist Die Herstellung solcher Siliziumblätt-
chen ist jedoch sehr aufwendig und kostspielig, so daß
die Energiegewinnung mit entsprechenden Zellen wesentlich teurer als andere Energiegew;nnungsmethodenist
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Solarzelle
der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß sie kostengünstiger produziert werden kann und ihre
Wirkungsgrad gegenüber dem Wirkungsgrad der bekannten Solarzellen weiter erhöht ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halbleiterkörper aus einkristaliinen HaIbleiterwhiskern
besteht, die auf einer Oberfläche eines Substrates aufgewachsen sind.
Unter einem Whisker ist dabei ein Fadenkristall hoher Festigkeit von einigen μπι Durchmesser und
Längen bis zu einigen cm zu verstehen. Seine Struktur ist in der Regel einkristallin mit nahezu idealem
Gitteraufbau.
Unter einem Substrat ist mindestens ein das Whiskerwachstum bzw. die Whiskerkeimbildung begünstigendes
Material zu verstehen, auf dessen einer Oberfläche in einem Reaktionsraum die Whisker
gezüchtet werden können. Obwohl das Substrat in Teilchenform, beispielsweise als Staub, Whiskerfragmente,
oder einer anderen Form vorliegen kann, sind bevorzugte Substrate hitzebeständige Materialien wie
Aliminiumoxid oder -silikat, die üblicherweise in Blattoder Rohrform verwendet werden. Einzelheiten über
Whisker-Züchtungsverfahren sind beispielsweise dem Buch »Whisker Technology«, New York, 1970, Hrsg. A.
P. Levitt, Verlag Wiley-Interscience, zu entnehmen.
Die Vorteile der Solarzelle nach der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß die für den Halbleiterkörper
vorgesehenen Halbleiterwhisker einkristallin sind und somit einen hohen Wirkungsgrad der
Solarzelle ermöglichen. Das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Halbleiterwhisker, das zu
einem besonders großflächigen PN-Übergang führt, bewirkt eine hohe Steigerung der Quantenausbeute im
Vergleich zu einem ebenen Halbleiterblättchen. Darüber hinaus können solche Halbleiterwhisker nahezu
reflexionsfrei die Strahlung absorbieren. Eine Antireflexionsschicht wie bei den bekannten Solarzellen ist
deshalb nicht erforderlich. Da die Absorptionstiefe etwa gleich der Diffusionslänge der Ladungsträgerpaare in
dem Whiskermaterial gewählt werden kann, ist damit eine Materialeinsparung bei Erhöhung der Quantenausbeute
und des Wirkungsgrades verbunden. Ferner ist eine Fertigung der Solarzellen nach der Erfindung am
Band durch eine Hintereinanderschaltung aller dafür so vorzusehenden Prozesse möglich. Eine solche Fertigung
ist verhältnismäßig kostengünstig.
Bei den bekannten Solarzellen dienen als Elektrode auf der Lichtseite des Halbleiterkörpers Fingerkontakte,
die eine möglichst große Oberfläche für den Lichtdurchtritt freilassen (DE-OS 20 48 451). Solche
fingerförmigen Kontakte werden bei der Solarzelle nach der Erfindung zweckmäßigerweise nicht angewandt,
da mit diesen Kontakten die gesamte Oberfläche aller Halbleiterwhisker nicht erfaßt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Solarzelle nach der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß die Oberflächen
der Halbleiterwhisker mit einer Schicht aus einem transparenten, elektrisch gut leitenden Material versehen
sind. Geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise mit Antimon dotiertes Zinnoxid SnO^Sb) oder
mit Zinn dotiertes Indiumoxid I^O^Sn). Ihre Durchlässigkeit
im sichtbaren Bereich des Spektrums beträgt mehr als 80%. Da bei den Halbleiterwhiskern keine
Antireflexschichten erforderlich sind, ist eine Anwendung
solcher transparenter Elektrodenschichten möglich. Die Halbleiterwhisker können zumindest großenteils
mit diesen Schichten überzogen werden, so daß ein entsprechend hoher Prozentsatz der an die Oberfläche
gelangenden Ladungsträger erfaßt wird.
Diese lichtdurchlässigen, elektrisch gut leitenden Schichten, die als eine der beiden Elektroden der
Solarzelle dienen, können vorteilhaft durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), Bedampfen oder Ionenplattieren
auf die Oberflächen der Halbleiterwhisker aufgebracht werden. Mit diesen Verfahren läßt sich eine
verhältnismäßig gleichmäßige Schichtdicke auf der gesamten Whiskeroberfläche, so insbesondere an den
Spitzen der Halbleiterwhisker, erreichen.
Gemäß einer Weiterbildung der Solarzelle nach der Erfindung kann vorteilhaft das Substrat oder ein Träger,
auf dem das Substrat aufgebracht ist, aus einem elektrisch gut leitenden Material bestehen. Das Substrat
bzw. der Träger kann dann zugleich als Elektrode auf der der Strahlung abgewandten Seite der Solarzelle
dienen.
Ferner kann vorteilhaft für Solarzellen mit Silizium-Halbleiterwhiskem
als Substrat polykistaliines Silizium vorgesehen sein. Auf diesem verhältnismäßig kostengünstigen
Material lassen sich besonders defektfreie, einkristalline Silizium-Halbleiterwhisker züchten.
Zum Züchten der Halbleiterwhisker einer Solarzelle nach der Erfindung kann vorteilhaft das sogenannte
Vapor-Liquid-Solid-Verfahren (»VLS-Mechanismus«) vorgesehen werden, das aus der Zeitschrift »Transactions
of the Metallurgical Society of AIME«, Band 233, Juni 1965, Seiten 1053 bis 1064 bekannt ist Gemäß
diesem Kristallzüchtungsverfahren wird das zu kristallisierende Halbleitermaterial aus der Gasphase in einer
vorbestimmten Menge eines auf dem Substrat aufgebrachten Metalls, in welchem das zu kristallisierende
Material löslich ist und das als Agens bezeichnet wird, aufgenommen. Während der Abscheidung wird bei
einer entsprechenden vorgegebenen Temperatur mit dem zu kristallisierenden Halbleitermaterial eine
Legierung gebildet, die sich bei weiterer Abscheidung dieses Halbleitermaterial sättigt. Es kommt so zu einer
Übersättigung und Ausscheidung des Halbleitermaterials auf dem Substrat und schließlich zum Wachstum
der Halbleiterwhisker mit dem flüssigen Agens auf deren Spitzen.
Das Kristallwachstum ist dabei stark anisotrop, d. h. es erfolgt nahezu in einer Richtung senkrecht zur
Substratoberfläche, weil die Aufnahme des kristallisierenden
Halbleitermaterials bzw. seiner Bestandteile aus der Gasphase bevorzugt an der freien Oberfläche der
flüssigen Metallphase stattfindet, während die Abscheidung aus der flüssigen Metallphase nur an der
Grenzfläche zwischen Tropfen und Substrat erfolgt
Mit dem genannten Verfahren kann vorteilhaft eine große Fläche des Substrats mit Halbleiterwhiskern
versehen werden. Die Herstellung der Solarzellen nach der Erfindung ist dementsprechend kostengünstig.
Zur Herstellung von Solarzellen nach der Erfindung mil Halbleiterwhiskern aus einer HI-V-Verbindung oder
aus einer ternären Legierung mit den Partnern einer solchen Verbindung kann vorteilhaft als Agens der erste
Partner dieser Verbinung bzw. Legierung verwendet werden. Solche Verbindungen können insbesondere die
Gallium-Verbindungen Galliumarsenid (GaAsI Galliumphosphid (GaP) oder die ternäre Verbindung
Galliumarsenidphosphid (GaAsi.xP,) sowie die Verbindungen
Indiumphosphid (InP), Cadmiumtellurid (CdTe), Aluminiumantimonid (AlSb) und Cadmiumsulfid (CdS)
sein. Mit Halbleiterkörpern aus diesen Materialien lassen sich Solarzellen herstellen, deren Wirkungsgrade >
höher als vergleichsweise der Wirkungsgrad der Solarzellen mit Siliziumhiilbleiterwhiskern ist, da die
Bandlücke dieser Halbleitermaterialien näher bei der für Solarzellen optimalen Bandlücke von etwa 1,5 eV
liegt als die Bandlücke von Silizium. Da der erste ι ο Partner dieser Verbindungen zugleich als Agens dienen
kann, ist die Gefahr gering, daß in die Halbleiterwhisker Fremssubstanzen, die zu einer Verringerung des
Wirkungsgrades der Solarzellen führen, eingebaut weruCn.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen
wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur schematisch eine »Whiskersolarzelle« veranschaulicht
ist
Die als Querschnitt nur teilweise in der Figur gezeigte
Solarzelle enthält ein Substrat 2, auf dem eine Vielzahl von einkristallinen Halbleiterwhiskern steht In der
Figur sind nur acht parallel nebeneinander angeordnete, gleichgroße Halbleiterwhisker 4 dargestellt Ihre Höhen
und ihre Durchmesser, die beispielsweise in der Größenordnung von 100 μίτι bzw. einigen μΐη liegen,
können jedoch unterschiedlich sein. Darüber hinaus können die Halbleiterwhisker auch einen, über ihre
Höhe gesehen, veränderlichen Querschnitt aufweisen.
Die Solarzelle ist bezüglich einer durch einzelne Pfeile 5 dargestellten einfallenden Sonnenlichtstrahlung
so ausgerichtet, daß ihre Halbleiterwhisker 4 im wesentlichen entgegen der Einfallsrichtung dieser
Strahlung gerichtet sind. Es wird so erreicht, daß die Strahlung praktisch vollständig von den Halbleiterwhiskern
absorbiert werden kann.
Aufgrund der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichts müßte die optimale Bandlücke des für die
Solarzelle verwendeten Whisker-Materials, in Elektronenvoit (eV) gemessen, bei ungefähr 1,5 eV liegen. Die
Bandlücke des Siliziums ist ungefähr 1,1 eV, so daß die von einer Silizium-Solarzelle hervorgerufene Ausgangsspannung
entsprechend klein ist und der Wirkungsgrad der Energieumwandlung einer solchen Zelle in der
Größenordnung von etwa 11% liegt Man ist deshalb bekanntlich bestrebt, für Solarzellen Halbleitermaterialien
mit größeren Bandlücken zu verwenden. Solche Halbleitermaterialien sind beispielsweise bestimmte
halbleitende IH-V-Verbindungen oder auch ternäre
Legierungen aus solchen Verbindungen. So hat z.B. Gallium-Arsenid eine Bandlücke von ungefähr 1,4 eV.
Die Züchtung der Halbleiterwhisker 4_ auf dem Substrat 2 erfolgt vorteilhaft nach dem bekannten
VLS-Verfahren. Dieses Verfahren ist beispielsweise für
Si und insbesondere auch für GaAs, GaAsi-χΡχ
anwendbar. Während im Falle des Siliziums als Agens Au, Pt, Pd, Ni, Cu oder Ag verwendet werden kann,
dient bei den genannten Gallium-Verbindungen vorteilhaft das Ga selbst als Agens. Weitere Halbleiterverbin- βο
düngen mit großen Bandlücken sind InP, AlSb, CdTe und CdS, auf die ebenfalls das VLS-Verfahren
anwendbar ist Auch bei diesen Halbleiterverbindungen ist ein Fremdmaterial-Agens nicht erforderlich, so daß
als Agens der erste Verbinduiigspartner, d. h. In, Cd, Al
bzw. Cd dienen kann. Ferner lassen sich mit dem bekannten Verfahren auch Ge-Halbleiterwhisker züchten, wobei ebenfalls Au als Agens verwendet wird.
Bei dem bekannten VLS-Verfahren sind die Wachs tumsbedingungen der Halbleiterwhisker in einem dazi
vorgesehenen Reaktionsraum stark von der Substrat temperatur abhängig. Ebenso starken Einfluß hat auch
die Aufdampfrate oder der Grad der Übersättigung de; Dampfes in dem Reaktionsraum. Der Whiskerdurchmesser
hängt im wesentlichen von der Teilchengröße des Agensmaterials und der Temperatur ab. So führer
steigende Temperaturen aufgrund besserer Benetzung der Substratfläche zu größeren Whiskerdurchmessern
Das Agensmaterial kann beispielsweise durch Masker an spezielle Punkte auf der Substratoberfläche aufgebracht
oder auch in einfacher Weise auf das Substrat aufgedampft werden. Während des Aufdampfens oder
des Aufheizens des Substrates bilden sich dann kleine Tropfen auf der Substratoberfläche. Die Tropfengröße
ist z. B. abhängig von der Schichtdicke des aufgedampften Agensmaterials.
Mit dem bekannten VLS-Verfahren lassen sich Whiskerdichten von beispielsweise 104Cm-2 bis
10*cm-2 erreichen. Dies entspricht einer mittleren Whiskerdistanz zwischen 100 μπι und 10 μπι bei einer
rechtwinkligen Anordnung.
Als Material für das Substrat 2 sind alle das Whiskerwachstum bzw. die Whiskerkeimbildung begünstigenden
Stoffe geeignet So können beispielsweise zur Züchtung von Silizium-Whiskern ein- oder auch
polykristalline Silizium-Substrate vorgesehen werden. Wie in der Figur dargestellt ist sind solche elektrisch
nicht gut leitenden Substrate vorteilhaft auf einem elektrisch gut leitenden Träger 6 aufgebracht, der
zugleich als Elektrode dienen kann. Vorteilhaft können auch elektrisch leitende Metallbänder als Substrat und
zugleich als Elektrode vorgesehen werden. Im Falle einer Siliziumwhiskerzüchtung kann ein solches Metallband
beispielsweise aus einem kohlenstofffreien Stahl bestehen.
Eine Dotierung der nach dem VLS-Verfahren gezüchteten Halbleiterwhisker läßt sich gemäß bekannter
Verfahren ausführen. So kann beispielsweise eine P-Dotierung von Silizium-Halbleiterwhiskern nach
deren Züchtung oder gegebenenfalls auch während ihrer Züchtung mit Bor oder Aluminium erfolgen. Daran
anschließend wird zur Ausbildung einer N-leitenden Oberflächenzone 8 dieser nunmehr P-Ieitenden Silizium-Halbleiterwhisker
eine Dotierung entgegengesetzten Typs vorgenommen, beispielsweise durch Eindiffusion
von Phosphor aus der Gasphase in die Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa der Diffusionslänge. Die
verbleibenden P-leitenden Zonen der Silizium-Halbleiterwhisker
sind in der Figur mit 9 bezeichnet Der zwischen den N- und P-leitenden Zonen 8 und 9
ausgebildete PN-Übergang ist in der Figur durch eine gestrichelte Linie 10 angedeutet Die Tiefenlage dieses
PN-Übergangs 10 läßt sich in bekannter Weise durch die Diffusionsbedingungen, beispielsweise durch die
Diffusionszeit, die Diffusionstemperatur oder den Gasstrom einstellen.
Obwohl von einer N-Dotierung der Oberflächenzone 8 und einer P-Dotierung der darunterliegenden Zone 9
ausgegangen ist, kann in bekannter Weise der Dotierungstyp der beiden Zonen auch umgekehrt
gewählt werden.
Zur Ausbildung einer dem einfallenden licht zugewandten Elektrode der Solarzelle ist die Oberfläche der Halbleiterwhisker A mit einer Schicht 12 aus
einem lichtdurchlässigem Material überzogen, das zugleich elektrisch gut leitend ist Vorteilhaft werden
solche Materialien vorgesehen, die nur einen geringen Bruchteil der Energie der eingefallenen Strahlung
absorbieren. Solche Materialien sind beipielsweise mit Antimon dotiertes Zinnoxid SnO^Sb) oaer auch mit
Zinn dotiertes Indiumoxid I^O^Sn). Ein geeignetes
Verfahren zum Aufbringen dieser Elektrodenschichten ist z. B. das sogenannte Kathodenzerstäuben (Sputtern),
das in der Zeitschrift »Vakuumtechnik«, 24. Jg, 1975,
Heft 1, Seiten 1 bis 11 beschrieben ist. Die Elektrodenschichten können auch aufgedampft oder
mittels Ionenplattieren aufgebracht werden, wobei die
Elektrodenmaterialien verdampft werden, der Dampf durch eine Plasmaentladung teilweise ionisiert und der
ionisierte Anteil des Dampfes auf elektrostatischem Wege zusammen mit dem neutralen Dampf abgeschieden
wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Solarzelle, in deren Halbleiterkörper Zonen entgegengesetzter Dotierung einen PN-Übergang
bilden und jeweils mit einer Elektrode versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper
aus einkristallinen Halbleiterwhiskern (4) besteht, die auf einer Oberfläche eines Substrates
(2) aufgewachsen sind. ι ο
2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode eine auf den Oberflächen
der Halbleiterwhisker (J) gebildete Schicht (12) aus einem transparenten, elektrisch gut leitenden
Materialist is
3. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß Elektrodenschicht (12) aus mit Antimon dotiertem Zinnoxid oder aus mit Zinn dotiertem Indiumoxid besteht
4. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Silizium-Halbleiterwhiskern, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (2) eine auf einem Träger (6) aufgebrachte Siliziumschicht ist
5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Silizium-Halbleiterwhiskern, dadurch gekennzeichnet,
daß als Substrat (2) polykristallines Silizium vorgesehen ist
6. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) oder
der Träger (6), auf dem das Substrat (2) aufgebracht ist, aus einem elektrisch gut leitenden Material
besteht.
7. Verfahren zur Herstellung von Solarzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterwhisker nach dem Vapor-Liquid-Solid-Verfahren gezüchtet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7 mit Halbleiterwhiskern aus einer HI-V-Verbindung oder einer ternären
Legierung mit den Partnern einer III-V-Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß als Agens der erste
Partner dieser Verbindung bzw. Legierung verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gezüchteten, noch undotierten
Halbleiterwhisker zunächst P- oder N-dotiert und daran anschließend in einer Oberflächenzone bis
zu einer Tiefe von der Diffusionslänge N- bzw. P-dotiert werden.
10. Verfahren na^h einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß als eine Elektrode auf den Oberflächen der Halbleiterwhisker eine elektrisch
gut leitende Schicht durch Kathodenzerstäubung, Bedampfen oder Ionenplattieren aufgebracht
wird.
55
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