DE2643590A1

DE2643590A1 - Photovoltaische zelle

Info

Publication number: DE2643590A1
Application number: DE19762643590
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl Phys Dr Selders
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1976-09-28
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1978-03-30
Also published as: CA1077605A

Description

Photovoltaische Zelle
Die Erfindung bezieht sich auf eine photovoltaische, insbesondere zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie vorgesehene Zelle, die im wesentlichen in Sandwich-Struktur aus zwei verschiedenen, polykristallinen Halbleiterschichten mit innigem gegenseitigen Kontakt besteht, welche auf einem metallischen oder metallbeschichteten Substrat aufgebracht sind und auf der anderen, nämlich der dem Licht zugewandten Seite mit einer lichtdurchlässigen oder gitterförmigen Elektrode versehen ist. Verfahren zur Herstellung solcher Zellen gehören ebenfalls zur vorliegenden Erfindung.
Bekannte Solarzellen enthalten entweder eine einkristalline Siliziumscheibe oder eine polykristalline Kadmiumsulfidschicht in engem Kontakt mit einer ebenfalls polykristallinen Kupfersulfidschicht. Die Solarzellen aus einkristallinen Siliziumscheiben können Sonnenenergie mit einem Wirkungsgrad bis zu 15 % in elektrische Energie umwandeln und werden heutzutage. für die Stromversorgung von Satelliten und für einige spezielle terrestrische Anwendungen eingesetzt. Für die Verwendung als Stromerzeuger in Konkurrenz mit herkömmlichen Energiequellen sind Solarzellen aus einkristallinen Halbleiterschichten erheblich zu teuer.
Die Solarzellen aus polykristallinen Kadmiumsulfid- und Kupfersulfid-Halbleiterschichten sind zwar in ihrer Herstellung wesentlich billiger als einkristalline Siliziumscheiben, doch besitzen sie nur einen Wirkungsgrad von 5 bis 8 %. Ihrem großtechnischen Einsatz steht neben diesem relativ geringen Wirkungsgrad der immer noch recht hohe IIerstellungspreis und vor allem die unzureichende Lebensdauer bzw. Stabilität ihrer elektrischen Eigenschaften entgegen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, photovoltaische Zellen zu entwickeln, die in der Herstellung so billig sind, daß sie mit wirtschaftlich vertretbarent Gesamtaufwand zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie eingesetztwerden können. Dies setzt u.a.
voraus, daß sie sich - im Gegensatz zu den Zellen mit einkristallinen Siliziumscheiben - großflächig herstellen lassen, daß sie des weiteren einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad besitzen und daß ihre elektrischen Eigenschaften bzw. ihr hoher Wirkungsgrad über viele Jahre erhalten bleiben.
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit der im beigefügten Anspruch 1 beschriebenen Zelle in überraschend einfacher und technisch fortschrittlicher Weise lösen läßt. Erfindungsgemäß besteht also bei einer photovoltaischen Zelle der eingangs genannten Art die eine Halbleiterschicht aus Kadmiumselenid (CdSe) und die andere aus Zinnselenid (SnSe).
Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung ist das Substratmetall Silber, Indium, Kadmium oder Zink, auf das als erste Schicht die Kadmiumselenidschicht aufgebracht ist; die auf der dem Licht zugewandten Zinnselenidschicht aufgebrachte Elektrode besitzt in diesem Fall eine Gitterstruktur und besteht aus Gold oder Indium. Andererseits kann jedoch das Substratmetall auch Gold oder Indium sein, das in diesem Beispiel die Zinnselenidschicht trägt, während sich auf der dem Licht zugewandten Kadmiumselenidschicht in dieser Ausführungsart als Elektrode ein Gitter aus Silber, Gold, Indium oder Zink befindet.
Zur Herstellung der photovoltaischen Zelle nach der Erfindung werden vorteilhafterweise auf das erhitzte Substrat im Hochvakuum bei einem Druck von etwa 10 5 torr in gewünschter Reihenfolge die beiden Schichten nacheinander aufgedampft, wobei die zuerst auf das Substrat aufgebrachte Schicht etwa 3 /um dick und die zweite Schicht 0F3 bis 1 /um dick abgeschieden werden. Die Elektrode auf der dem Licht zugewandten Seite wird danach ebenfalls noch aufgedampft.
In einer anderen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird auf das Substrat zunächst eine dünne Kadmiumselenidschicht aufgedampft und diese Schicht anschließend durch Eintauchen in eine zinnionenhaltige Lösung an ihrer freien Oberfläche in eine Zinnselenidschicht umgewandelt. Weiterhin können jedoch auch die Kadmiumselenid- und die Zinnselenidschicht der erfindungsgemäßen Zelle durch Aufsprühen und thermische Zersetzung von kadmium- und selenhaltigenbzw. zinn- und selenidhaltigen Lösungen auf ein auf iOObis 3000C erhitztes Substrat hergestellt werden.
Gegenüber Solarzellen aus einkristallinen Halbleiterscheiben, wie Siliziumscheiben, besitzt die erfindungsgemäße photovoltaische Zelle u.a. den Vorteil, daß sie aus vergleichsweise sehr dünnen, zusammen etwa 3 bis 5 /um dicken polykristallinen Doppelschichten bestehen, die billig und großflächig hergestellt werden können. Im Vergleich zu den bereits erläuterten bekannten Solarzellen aus polykristallinen Schichten, wie Kadmiumsulfid/Kupfersulfid, ist vor allem von Vorteil, daß die erfindungsgemäßen Zellen - aus noch dünneren Halbleiterschichten hergestellt werden können, da die optischen Absorptionseigenschaften und die kristallographischen Parameter der vorgesehenen Materialien eine erhebliche Reduzierung der Schichtdicken erlauben, daß - zu ihrer Herstellung noch billigere Verfahren (chemische Gasphasen-Abscheidung oder Sprühtechniken) benutzt werden können, die die Herstellung von Halbleiterschichten mit 3 bis 5 /um Dicke mit für Solarzellen hinreichender Qualität ermöglichen, daß - ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann, da zwischen den erfindungsgemäß verwendeten Materialien aufgrund ihrer kristallographischen Eigenschaften eine qualitativ bessere Grenzschicht hergestellt werden kann, was für den Wirkungsgrad einer Solarzelle eine entscheidende Bedingung ist, und daß - eine Mindestlebensdauer von 10 Jahren bei Beibehaltung der elektrischen Eigenschaften und damit eine höhere Stabilität der Solarzelle erreicht wird, weil instabile Komponenten bei ihrer Herstellung vermieden werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden detallierten Beschreibung von Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zellen sowie aus der beigefügten Abbildung hervor, die schematisch vereinfacht in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsart der erfindungsgemäßen Zelle wiedergibt.
Nach dieser Abbildung besteht die photovoltaische Zelle im wesentlichen aus den beiden polykristallinen Halbleiterschichten 1,2, die in Sandwich-Struktur auf einem metallischen oder metallbeschichteten Substrat 3 aufgebracht sind. In diesem Beispiel handelt es sich bei der direkt auf dem Substrat liegenden Halbleiterschicht 1 um eine n-dotierte Kadmiumselenidschicht, auf der sich eine p-dotierte Zinnselenidschicht 2 befindet. Auf der dem einfallenden Licht, das hier durch die Pfeile 4 und die Energie hll charakterisiert ist, zugewandten Fläche, sitzt als Elektrode 5 ein Gitter aus Gold oder Indium.
Die Drähte zum Anschluß der beiden Elektroden 6 - das Substrat dient hier gleichzeitig als eine Ableitelektrode -sind ebenfalls in der Äbbildung angedeutet.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zelle sind verschiedene Verfahren geeignet: Herstellungsbeispiel 1: Auf einem als Substrat dienenden Glaskörner oder einer Kunststoffolie mit einer ca. 1 /um dicken Silberschicht wurde im Hochvakuum bei einem Druck von p t 10 5 torr eine ca. 3 /um dicke Kadmiumselenidschicht aufgedampft.
Zur Erzielung einer möglichst perfekten Kristallstruktur der Schicht und den daraus resultierenden guten photoelektrischen Eigenschaften (hohe Beweglichkeit und Lebensdauer der vom Sonnenlicht erzeugten elektrischen Ladungsträger) wurde die Substratstemperatur während des Aufdampfens auf etwa 2000C eingestellt. Auf diese Kadmiumselenidschicht wurde dann bei Substratstemperatur von ca. 3000C ebenfalls im Hochvakuum von ungefähr 10 5 torr eine etwa 0,5 bis 0,8 /um dicke Zinnselenidschicht aufgedampft.
Hierauf wurde als Firontelektrode 5 (sh. beigefügte Abbildung) im Hochvakuum Gold in Form eines Gitters mit schmalen Stegen aufgedampft, damit bei Beleuchtung der Zelle das Sonnenlicht möglichst ungehindert die darunter liegenden Halbleiterschichten erreichen konnte; es mußte jedoch darauf geachtet werden, daß wegen des geringen Bedeckungsgrades durch die Elektroden der elektrische Widerstand in dem Material unter dem Gitter klein genug ist, so daß kein wesentlicher Spannungsabfall in der Zelle erfolgt und somit der Wirkungsgrad vermindert würde.
Statt eines aufgedampften Metallgitters kann auch ein fertiges Netz aus z.B. vergoldetem Kupfer durch Aufpressen auf die dem Licht ausgesetzte Zinnselenidschicht aufgebracht werden.
Herstellungsbeispiel 2: Wiederum wurde die erfindungsgemäße Zelle durch Aufdampfen hergestellt. Allerdings wurde in diesem Beispiel auf das Substrat zuerst eine ca. 3 /um dicke Zinnselenidschicht bei einer Substratstemperatur von ca. 3000C aufgedampft und danach in gleicher Weise bei etwa 2000C eine 0,5 /um dicke Kadmiumselenidschicht darübergedampft. Schließlich wurde in der zuvor beschriebenen Art die Frontelektrode, d.h.
die dem Lichteinfall ausgesetzte Elektrode, aufgesetzt, Herstellungsbeispiel 3: Auf das erhitzte Substrat wurde zunächst eine etwa 4 /um dicke Kadmiumselenidschicht aufgedampft und diese anschließend durch Eintauchen in ein chemisches Zinnionen-haltiges Bad an ihrer Oberfläche in Zinnselenid umgewandelt. Als letztes wurde dann in der erläuterten Weise die Frontelektrode aufge#racht.
Herstellungsbeispiel 4: In diesem Beispiel wurde die Kadmiumselenidschicht auf dem Substrat durch eine chemische Transportreaktion von kadmiumhaltigen Lösungen (Kadmiumorganika oder Kadmiumchlorid oder kadmiumflitrathaltigen Lösungen) sowie selenhaltigen Lösungen (Selenoharnstoff) hergestellt. Hierbei wurden die kadmiumhaltige und die selenhaltige Lösung zusammen auf ein erhitztes Substrat aufgesprüht und dann durch thermische Zersetzung während eines Zeitraums von ca. 5 - 20 min die Bildung der gewünschten polykristallinen Kadmiumselenidschicht herbeigeführt. Das Substrat war dabei auf ca. 3000C vorerhitzt.
Anschließend wurde die Bildung der Zinnselenidschicht durch Eintauchen der Kadmiumselenidschicht in ein Zinnionen enthaltendes chemisches Bad, vergleichbar dem Herstellungsvorgang im Beispiel 3, oder ebenfalls durch thermische Zersetzung von auf die Kadmiumselenidschicht aufgesprühten zinn- und selenhaltigen Lösungen herbeigeführt.
Die Reihenfolge der durch solche Transport reaktionen aufgebrachten Halbleiterschichten läßt sich in Anpassung an die gewünschte Struktur der herzustellenden Zelle auch umkehren.

Claims

Patentansprüche ¼)i. Photovoltaische Zelle, insbesondere Solarzelle, bestehend im wesentlichen aus einer Sandwich-Struktur von zwei verschiedenen polykristallinen Halbleiter-Schichten mit innigem gegenseitigen Kontakt, die auf einem metallischen oder metallbeschichteten Substrat aufgebracht sind und auf der anderen, der dem Licht zugewandten Seite mit einer lichtdurchlässigen oder gitterförmigen Elektrode versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Halbleiter-Schicht (1 oder 2) aus Kadmiumselenid (CdSe) und die andere Schicht (2 oder 1) aus Zinnselenid (SnSe) besteht.
2. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substratmetall (3) Silber, Indium, Kadmium oder Zink vorgesehen und auf diesem die Kadmiumselenidschicht aufgebracht ist, wobei die Elektrode (5) auf der dem Licht zugewandten Zinnselenidschicht Gitterstruktur aufweist und aus Gold oder Indium besteht.
3. Photovoltaische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substratmetall (3) Gold oder Indium vorgesehen und auf diesem die Zinnselenidschicht aufgebracht ist, wobei die Elektrode (5) auf der dem Licht zugewandten Kadmiumselenidschicht Gitterstruktur aufweist und aus Silber, Gold, Indium oder Zink besteht.
4. Verfahren zur Herstellung der photovoltaischen Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf das erhitzte Substrat im Hochvakuum bei einem Druck von etwa ~10-5 torr nacheinander die beiden Halbleiterschichten aufgedampft werden, wobei die zuerst auf das Substrat aufgebrachte Schicht eine Dicke von ungefähr 3 /um und die zweite Schicht eine Dicke von 0,3 - 1 /um erhält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige oder gitterförmige Elektrode (5) ebenfalls aufgedampft wird.
6. Verfahren zur Herstellung der photovoltaischen Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat zunächst eine dünne Kadmiumselenidschicht aufgedampft und anschließend durch Eintauchen in eine zinnionenhaltige Lösung diese Schicht an ihrer freien Oberfläche in eine Zinnselenidschicht umgewandelt wird.
7. Verfahren zur Herstellung der photovoltaischen Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiterschichten (1, 2) durch Aufsprühen und thermische Zersetzung von kadmium- und selenhaltigen Lösungen bzw. zinn- und selenhaltigen Lösungen auf das auf 100 bis 30000 erhitzte Substrat (3) aufgebracht werden.