DE2702860A1 - Solarzelle und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Solarzelle und verfahren zu ihrer herstellung

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DE2702860A1
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semiconductor
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Thomas Herman Distefano
Robert Rosenberg
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Description

kd/se
Anmelderin: International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin; YO 976 003
Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle aus einer Halbleiteranordnung , die mit metallischen Kontakten versehen ist und ein Verfahren zu ihrer Herstellung,
Bisher wurden Halbleitervorrichtungen in kristallinen Materialien hergestelltf die lineare und planare Defekter d.h. Versetzungen und Korngrenzen in dem halbleitenden Bereich aufwiesen, in dem die Trennung der Elektronenlochpaare durchgeführt wurde. Die Energieausbeute wurde durch den Rekombinationsprozeß an RekomblnationsZentren, die bevorzugt in linearen und planaren Defektstellen lokalisiert sind, erheblich herabgesetzt. Bisher konnte ' nicht festgestellt werden, was zur Ausschaltung dieses schädigenden Effekts getan werden konnte, mit Ausnahme des Wachsens des kristallinen Materials per se.
Die bisher bekannten Nachteile von Halbleiteranordnungen waren be-i sonders schwerwiegend bei deren Anwendung in Solarzellen. Bei solchen Solarzellen werden Strahlungsphotonen absorbiert, welche Elek-jjtronenlochpaare erzeugen. Es war bisher keine Technologie bekannt, |um die Ausbeute der stromleitenden Eigenschaften einer gegebenen Halbleiterzone zu erhöhen. Es ist deshalb erwünscht, Halbleitersolarzellen zu verbessern, wobei der schädigende Effekt, der von den dem Halbleitermaterial innewohnenden linearen und planaren !Defekten herrührt, beseitigt werden soll. Obwohl bekannt war, daß
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Rekombinationsstellen wirksam zerstört werden können, weil sie auf Atome in Kristalldefekten zurückzuführen sind, war nicht bekannt, wie eine Neutralisation der schädigenden Effekte der Rekombinationszentren, die ständig in den Anordnungen vorhanden sind, durchgeführt werden kann.
Aus einer Veröffentlichung im Technical Disclosure Bulletin, Vol. 17, Nr. 8, Januar 1975, Seite 2455 ist eine polykristalline Halbleitersolarzelle bekannt. Zur Herstellung dieser Solarzelle wird ein polykristalliner Film in der Weise hergestellt, daß sich jedes Korn durch die Dicke des Films in einer Säulenstruktur erstreckt. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Film auf eine erhitzte Unterlage niedergeschlagen wird, d.h. ein Säulenwachstum yon GaAs, ZnO oder CdS wird durchgeführt, indem dieses Material auf ein Substrat, das auf einer Temperatur von etwa 300 0C gehalten wird, gesputtert wird. Weiterhin können dünne Filme mit Säulenstruktur aus den meisten III-V-Verbindungen hergestellt werden. Die Kornoberflächen und Grenzflächen werden in der Weise dotiert, daß die Minoritätsträger von den Korngrenzen und dem Oberflächenbereich abgestoßen werden.
Eine Struktur dieser Art besteht aus einer Ansammlung verschiedener einkristalliner Solarzellen, die parallel miteinander verbunden sind. Die Lebenszeit der Minoritäteträger in jedem Korn 1st hoch durch den Charakter des elektrischen Feldes In der Nähe der Korngrenzen, welches Minoritäteträger von der großen Zahl an RekombinatIonsZentren, die sich normalerweise in dieser Grenzflächenregioi} befinden, fernhält. Im einzelnen wird bei einer Anordnung, welche einen polykristallinen Film enthält, ein Dotiermaterial In den polykristallinen Film bei einer so niederen Temperatur eindiffundiert, daß die Korngrenzendiffusion Ober den Verunreinigungsdiffusionsmechanismus dominiert. In einem zweiten, bei einer höheren Temperatur liegenden Schritt wird das Dotiermaterial von der Korngrenze ein kleines Stück In den Bereich des Materials, welcher die tatsächliche Korngrenze umgibt, diffundiert. Die spezielle Dotije rung in der Nähe der Korngrenze führt zu einem elektrischen FeId-
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muster, welches die Mlnoritätsträger aus der Umgebung der Korngrenze fernhält. Bei dieser Art der Korngrenzendotierung tragen nur Ladungsträger, die ungefähr innerhalb einer Diffusionslänge von der Verarmungszone erzeugt werden, zum Zellenstrom bei. Deshalb ist es wichtig, daß die Verarmungszone, die sich in Nachbarschaft der Korngrenzenbereiche befindet, sich auf alle Seiten, außer der rückseitigen Kontaktoberfläche eines jeden Korns in dem polykristallinen Film erstreckt, so daß beispielsweise bei n-Dotierung die η-dotierte Zone im wesentlichen alle Elektronen, die durch Licht innerhalb eines jeden Korns erzeugt werden, sammelt. Durch die Dotierung des Bereichs in der Umgebung der Korngrenzen mit einem n-Dotiermaterial wird die η-dotierte Zone ausgeweitet, so daß sie sich auf das Material in der Umgebung der Korngrenze erstreckt und überschüssige Elektronen, welche in dem Korn erzeugt werden, sammelt und gleichzeitig überschüssige Löcher abstößt, damit diese nicht an der Korngrenze rekombinieren. Es versteht sich, daß n-leitende Bereiche, η-Dotierung und Elektronen gegen p-leitende Bereiche, p-Dotierung und Löcher ausgetauscht werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Solarzelle anzugeben, bei der der Halbleiterkörper im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel des oben beschriebenen Standes der Technik aus einem monokristallinen Material besteht und die eine hohe Stromauebeute aufweist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Solar- : seile, die dadurch gekennzeichnet 1st, daß die Halbleiteranordnung! aus einem Halbleiterkörper mit einem Gehalt an linearen und planaren Fehlstellen mit RekombinatIonsZentren für Ladungsträger I und einem Dotiermaterial in relativ hoher Konzentration in der Umgebung dieser Fehlstellen aufgebaut ist und daß ein Halbleiterübergang zwischen dem Halbleiterkörper und der Zone mit hoher Dotiermaterialkonzentration, die die Fehlstellen umgibt, vorhanden ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt. Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zur Herstellung der oben genannten Solarzelle.
Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 3 und der speziellen Beschreibung näher erläutert.
Die Fig. 1A ist ein schematisches Diagramm, welches die
Natur einer bisher bekannten einkristallinen Silicium-Solarzelle unter Verwendung eines p-n-Halbleiterübergangs darstellt,
Fig. 1B ist ein schematisches Diagramm, welches die
hochleitenden Zonen einer einkristallinen Silicium-Solarzelle vom p- und η-Typ und die Verarmungszone zwischen den leitenden Zonen darstellt und auch die Diffusionslänge in der leitenden Zone vom p-Typ zeigt.
Fig. 1C ist eine Darstellung der Dotierungsniveaus vom
p-Typ und η-Typ als Funktion des Abstandes von der Oberfläche der einkristallinen Siliciumzelle von Fig. IB, zusammen mit dem gesamt wirksamen Dotierungsniveau.
Flg. 2 ist eine schematische und perspektivische Darstellung einer einkristallinen Silicium-Solarzelle als Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3A ist ein Schnittbild durch einen Teil einer Ausführungen
form der Erfindungr die aus einem Stück eines einkristallinen Siliciumhalbleiters hergestellt wurde, wobei der Abschnitt 118-1 ein Ausschnitt aus der gesamten Solarzelle von Fig. 2 1st.
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Fig. 3B ist eine Darstellung der leitenden Zonen vom n- und p-Typ in der Nähe der Oberfläche der einkristallinen Silicium-Solarzelle, wobei die Fig. 3B im Detail einen Teil des Schnittbildes von Fig. 3A darstellt und die leitenden Zonen vom n- und p-Typ, wie auch die Verarmungszone zwischen beiden zeigt, die alle verzerrt gezeigt sind, damit sie sich dem restlichen kristallinen Schaden auf der Oberfläche des Halbleiterstücks anpassen.
Fig. 3C zeigt die leitenden Zonen vom n- und p-Typ als eine Funktion des Abstandes X von der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter, d.h. dem Siliciumkörper von Fig. 3B und einem zusätzlichen dünnen Film aus stark η-dotiertem Silicum.
Fig. 3D zeigt die Reindotierungsdichte [N0-N-I als eine Funktion des Abstandes zwischen der Grenzfläche zwischen dem Siliciumkörper und dem dünnenr zusätzlich aufgetragenen Siliciumfilm, der oben im Zusammenhang mit Fig. 3C angegeben ist.
Flg. 3E ist eine schematische Darstellung der Elektronenenergie in der Nähe der Oberfläche des halbleitenden Sillciumkörpers von Fig. 3C, aufgetragen als eine Funktion des Abstandes X von der Grenz· fläche zwischen den Siliciumkörper und dem zusätzlich aufgetragenen dünnen Siliciumfilm.
Prinzipien der Erfindung: j
Zu einer genaueren Erklärung werden die einkristallinen und polykristallinen Zonen, die in diesem Abschnitt beschrieben werden pollen, in etwas idealisierter Form dargestellt. Die theoretische Erklärung, welche die Basis zur Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt, wird erläutert unter Bezugnahme auf beide einlcristallinen Anordnungen, welche Halbleiterzonen vom n- und p-Typ und darausfolgend einen pn-übergang dazwischen besitzen.
Bine einkristalline Anordnung mit einer n-dotlerten Zone SO und einer p-dotierten Zone 52 ist in den Fign. 1A und 1B dargestellt. YO 576 ÖOT
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Der Kontakt 54 ist über eine Leitung 56 an den Scheinwiderstand 58, der wenigstens teilweise ohmisch ist, angeschlossen. An der p-dotierten Zone 52 befindet sich ein Kontakt 60, der über eine Leitung 62 an den Lastwiderstand 58 angeschlossen ist.
Als Folge der dem Halbleiterkörper, der in den Fign. 1A und 1B dargestellt ist, innewohnenden elektrischen Eigenschaften wird eine leitende Zone 70 vom η-Typ und eine leitende Zone 72 vom p-Typ gebildet, die durch eine Verarmungszone 74 voneinander getrennt sind. Die Verarmungszone 74 entsteht durch natürliche physikalische Prozesse innerhalb des Halbleiterkörpers, die aus dem Vorhandensein von unterscheidbaren Zonen vom n- und p-Typ resultieren. Die tatsächliche Herstellung von Zonen vom n- und p-Typ kann in einem von Haus aus p-dotierten Material mit einer nahezu einheitlichen p-Dotlernt«terlalkonzentratlon, wie in Fig« 1C links der vertikalen Linie dargestellt ist, erfolgen. Dieses wird dann teilweise in eine Zone vom η-Typ umgewandelt als Ergebnis einer η-dotierenden Diffusion von der Oberfläche oder den internen Grenzflächen aus. Ein elektrisches Feld ε entsteht nach einem natürlichen physikalischen Mechanismus in der Verarmungezone 74 zwischen der η-leitenden Zone 70 und der p-leitenden Zone 72, Elektronenlochpaare, welche in der Verarmungszone , 74 und in einer Schicht 73 der p-leitenden Zone 72, die praktisch j die gleiche Dicke oder etwas weniger als die darüberliegende Diffusionslänge LQ für Elektronen aufweist, erzeugt werden, j haben die Fähigkeit, Träger des äußeren Stroms zu sein.
Als Folge der inhärenten RekombinationsZentren an Korngrenzen, linearen und planeren Defektstellen und Oberflächen werden sowohl Elektronen wie Löcher an diesen Stellen eingefangen, die dort durch Diffusion ankoamn. Das bewirkt tatsächlich deren Rekombination und zeratOrt sie, ohne daß sie zum äußeren Strom beitragen. Aus der Rekombination resultiert emittierte Strahlung oder Auger Energie als Ergebnis der Weiterleitung eines Teils der Rekosiblnationeenergle an das Gitter. Ein Beispiel für ein p-Dotierungsaaterial 1st Bor (B) und Beispiele für n-Doterungs-
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materialien sind Arsen (As) und Phosphor (P) für Siliciummaterial.
Die Konzentrationen betragen für das p-Dotierungsmaterial ungefähr
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10 Atome/cm und für das n-Dotierungsmaterial 3 χ 10 Atome/cm ,
Ausführungsbeispiel der Erfindung:
Anhand der Fign. 3A und 3B und der erklärenden Figuren 3C, 3D und 3E wird die Natur und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung dargestellt. Es wird korreliert mit der detaillierten Struktur der Ausführungsform, die in Fig. 2 dargestellt ist. Der Halbleiterkörper 156 in Fig. 2 ist im wesentlichen ein Stück aus einkristallinem Siliclummaterial. Das Stück aus einkristallinem Siliciummaterial 156 ist auf einer metallischen Rückseitenkontaktplatte 124 befestigt. Die positive Elektrode 126 der Solarzelle wird durch den elektrisch leitenden Draht 128 kontaktiert. Der elektrische Kontakt zu der Vorderseite der Solarzelle wird durch leitende Kontaktfinger 120 hergestellt. Der elektrische Kontakt zu der negativen Elektrode der Solarzelle wird durch den elektrisch leitenden Draht 122 hergestellt.
Der einkristalline Siliciumkörper ist eine 0,0178 cm (0,007 Inch)
dicke Scheibe aus Material, welche von einem einkristallinen !
Siliciurastab geschnitten wurde. Die Orientierung der Scheibe 156 '
ist derart, daß die Oberfläche der Scheibe parallel zu der 100 i
Kristallebene des einkristallinen Siliciums ist. Das Silicium- j
material wird während des Wachsens auf ein Niveau von 2 χ 10 !
3 '
Boratome/cm dotiert. Aus der 0,0178 cm dicken Siliciumscheibe
wird ein ein cm großes Stück ausgeschnitten, welches den Halbleiterkörper 156 dieses Ausführungebeispiels bildet.
Die verschiedenen Oberflächendefekte 154 in Fig. 3A werden während des Schneidens der Siliciumscheibe eingeführt. Diese Defekte umfassen verschiedene lineare und planere kristalline Defekte, wie Schichtfehler, Risse, Versetzungen und Versetzungereihen, die alle die Oberfläche des Siliciumstücks 156 schneiden. Diese verschiedenen Oberflächendefekte enthalten eine hohe Dichte an Re-
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kombinationsZentren, die der Wirkung irgend welcher Solarzellen, die auf dieser Oberfläche hergestellt werden, schädlich sind. Der schädigende Effekt der RekombinationsZentren in den Oberflächendefekten wird dadurch ausgeschaltet, daß eine n-dotierte Zone auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 156 in der Weise gebildet wird, daß diese denjenigen Bereich des Siliciummaterials einhüllt, der jede der linearen und planaren Fehlstellen, welche die Oberfläche des Siliciumstücks schneiden, umgibt.
Der vergrößerte Ausschnitt 118-1 von Fig. 3A zeigt Details des Aufbaus der kristallinen Halbleiter-Solarzelle gemäß der Erfindung, Das Siliciummaterial, welches die Oberflächendefektsteilen 154 umgibt, wird vorzugsweise weggeätzt unter Anwendung eines an sich bekannten, selektiv wirkenden Ätzmittels, Dann wird eine dünne Schicht eines η-dotierten Siliciummaterials 152 auf der Oberfläche des Siliciumstücks 156 und in dem Hohlraum hinter den bevorzugt abgeätzten Oberflächendefekten niedergeschlagen. Die Siliciumschicht 152 ist stark mit Phosphor dotiert,
19 3 wodurch eine Elektronendichte von ungefähr 3 χ 10 /cm erhalten wird. Während der Hochtemperatur-Abscheidung des Films 152 diffundiert ein Teil des Phosphordotiermaterials dieses Films ein kurzes Stück in den mit Bor dotierten Halbleiterkörper 156 vom p-Typ ein. Die resultierende Struktur, die in Fig. 3B dargestellt ist, enthält eine dünne Haut eines stark η-dotierten Materials, welches sich den verschiedenen Oberflächenunregelmäßigkeiten 150, die die oben angegebenen linearen und planaren Defektstellen einschließen, anpaßt. Wegen der Diffusion der Phosphor-Dotiermaterials aus der dünnen Schicht 152 in den p-dotierten Körper 156 erstreckt sich die η-dotierte Zone 158 etwas über die Grenzfläche ; 168 zwischen dem niedergeschlagenen Film 152 und dem Halbleiterkörper 156 hinaus. Dadurch hüllt die η-dotierte Zone 158 die RekombinationsZentren 162, welche in den verschiedenen Oberflächendefekten 154 und in der Grenzfläche 168 zwischen dem Siliciumkörper 156 und dem niedergeschlagenen Film 152 lokalisiert Bind, ein.
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Der dünne Film aus n-leitendem Material 152, welcher die Oberfläche des Halbleiterkörpers 156 bedeckt und die selektiv geätzten Oberflächendefekte 154 ausfüllt, führt zu einer Struktur von leitenden Zonen, die in Fig. 3B gezeigt ist. Die n-leitende Zone hüllt die Defektstellen 154 und die Grenzfläche 168 in der Weise ein, daß die ihnen zugeordneten RekombinationsZentren 162 innerhalb dieser n-leitenden Zone liegen. Eine Verarmungszone 16O liegt zwischen der Kante 166 der n-leitenden Zone 158 und der Kante 164 der p-leitenden Zone. Da die η-leitende Zone 158 verhältnismäßig dünn, d.h. etwa 1 pm dick ist, liegen die Elektronenlochpaare, die durch Sonnenbestrahlung erzeugt werden, nahezu vollständig innerhalb der p-leitenden Zone. Die Elektronen der Elektronen-Lochpaare, welche durch Sonnenbestrahlung in der pleitende Zone erzeugt werdenf diffundieren innerhalb dieser Zone bis sie an der Kante 164 die Verarmungszone 160 erreichen. Das elektrische Feld innerhalb der Verarmungszone treibt die Elektronen durch die Verarmungszone zu der n-leitenden Zone 158f wo sie in Form eines brauchbaren Stromes gesammelt werden. Die Löcher der Elektronen-Lochpaare, die durch Strahlung in der p-leitenden Zone erzeugt werden, diffundieren innerhalb dieser Zone, bis sie an der Elektrode 124 gesammelt werden. Diejenigen Löcher, welche die Kante 164 der Verarmungszone 160 erreichen, werden von der Verarmungszone zurück in die p-leitende Zone gestoßen. So werden die Löcher davon abgehalten, die RekombinatIonsZentren 162, welche in den Oberflächendefektstellen 154 oder auf der Grenzfläche liegen, zu erreichen und werden dadurch von dem Verlust durch Rekombination gerettet. Aus diesem Beispiel ist also ersichtlich, daß eine Verarmungszone 160, die um Oberflächendefektstellen und RekombinationeZentren gebildet wird, in der Weise wirkt, daß die Sammlung von Elektronen und Löchern, welche durch Sonnenstrahlung (erzeugt werden, verstärkt wird, wodurch die Ausbeute einer SlIiiciumsolarzelle, die erfindungsgemäß hergestellt wird, erhöht
pie räumliche Konfiguration der n-leltenden Zone 158, der Ver l&rmungszone 160 und der p-leitenden Zone 156 werden in den
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Fign. 3C, 3D und 3E gezeigt. Fig. 3C zeigt einen Querschnitt durch eine Oberflächendefektsteile, die vorzugsweise durch ein n-leitendes Material 152 ausgefüllt wird, das durch die Grenzlinie begrenzt wird. Während der Bildung der stark η-dotierten Zone diffundiert das Phosphordotiermaterial der η-leitenden Zone um einen Bruchteil eines Mikrons in den Siliciumeinkristall und dehnt dadurch die n-leitende Zone 158 etwa 0,3 Mikron über die Grenzfläche 168 hinaus in den Halbleiterkörper 156 aus. Dies führt dazu, daß die Verarmungszone 160 und die Kante 164 der p-leitenden Zone in einem Teil des Materials gebildet werden, welches wenigstens einige zehntel eines Mikrons von den RekombinationsZentren 162 auf der Grenzfläche 168 entfernt ist. Eine ungefähre Darstellung der Reindotierungsdichte Nn-Nj. wird in Fig. 3D gezeigt. Die Grenzfläche zwischen der rein η-dotierten Zone und der rein p-dotierten Zone liegt bei einem Abstand X von etwa 0,3 Mikron von der Wachstumsgrenzfläche 168 entfernt. Die Elektronenenergiebänder, welche durch die η-leitende Haut erzeugt werden, sind als eine Funktion des Abstandes X von der Wachstumsgrenzfläche 168 in Fig. 3E dargestellt. Das η-dotierende Phosphor-Dotiermaterial, welches von der Wachstumsgrenzfläche 168 in das Halbleitermaterial diffundiert, führt zu einer Verarmungszone zwischen der Kante der n-leitenden Zone und der Kante 164 der p-leitenden Zone. Die Felder innerhalb der Verarmungszone zwischen 164 und 166 sind so ausgebildet, daß überschüssige Löcher innerhalb der p-Zone aus der Nachbarschaft der Grenzfläche 168, an der sie rekombinieren könnten, zurückgestoßen werden.
Der Halbleiterkörper 156 dieses Ausführungsbeispiels wird aus einem einkristallinen Stück Silicium gebildet. Das Silicium ist eine etwa 0,0178 cm dicke Scheibe, welche von einem einkristallinen SiIieiumstab mit einem Durchmesser von 3,175 cm (1,25 Inch), der in der 100 Richtung orientiert ist, abgeschnitten wurde. Der Siliciumkristall ist von Haus aus bordotiert zu einer Dichte von 2 χ 10 Atomen/cm unter Erhalt eines p-dotierten Kristalls. Ein
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Stück mit einem Querschnitt von 1 cm wird aus der Silicium-
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scheibe herausgeschnitten. Das Siliciumstück wird weder geläppt noch poliert, so daß die Beschädigung, die von dem Zersägen herrührt, auf beiden Oberflächen erhalten bleibt. Das Siliciummaterial wird In einer 1 %lgen Fluorwasserstoffsäurelösung etwa 5 Minuten lang geätzt und dann mit deionisiertem Wasser einige Minuten lang gespült.
In einer anderen Ausfuhrungsform gemäß der Erfindung wird der Halbleiterkörper 156 durch eine polykristalline Scheibe aus Silicium ersetzt, bei der die Oberflächentopographie so behandelt wird, daß tiefe Korngrenzenfurchen durch bevorzugtes Ätzen in den Korngrenzbereichen erzeugt werden. Diese Furchen führen zu den gleichen Strukturen, die in den Fign. 3A und 3B dargestellt sind, in denen Oberflächenschäden, die beim Zersägen entstehen, durch Korngrenzenfurchen ersetzt sind. Die Oberflächen der Furchen werden als Grenzfläche 168 in Übereinstimmung mit Fig. 3B dargestellt.
Das Siliciumstück wird nach der Ätzbehandlung getrocknet und dann in die Quarzröhre eines mit Radiofrequenz beheizten Ofens gegeben. Nach dem Verschließen des Ofens wird eine Mischung aus 10 % Wasserstoff in Argon durch den Ofen geleitet mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 0,1 Liter pro Sekunde. Das Siliciumstück und seine Halterung aus pyrolithischein Graphit werden in die aktive Zone des Ofens, die innerhalb der Heizspirale liegt, bewegt. Radiofrequenzenergie wird angewendet, um die Probe etwa 5 Minuten lang auf 1010 0C zu erhitzen. Der Gasdurchfluß wird während der Heizstufe aufrechterhalten. Nachdem sich die Temperatur bei 1010 0C stabilisiert hat, werden für eine Zeitdauer von 5 Minuten im wesentlichen 6 Vol.% Chlorwasserstoffgas zu dem Gasstrom gegeben. Durch die Zugabe des Chlorwasserstoffgases wird Im Mittel ein Abätzen von etwa 2 Mikron Material von der durch das Sägen beschädigten Siliciumoberflache bewirkt. Die Ätzgeschwindigkeit ist jedoch in der Nachbarschaft der Defektstellen, die die Oberfläche unterbrechen, größer, so daß diese Defektstellen bevorzugt
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weggeätzt werden. Die Anwendung eines Gasphasenätzverfahrens zur selektiven Entfernung von Siliciununaterial in der Umgebung von Oberflächenfehlstellen 1st bekannt und beispielsweise In W.R. Runyan, Silicon Semiconductor Technology, McGraw-Hill Book Company, New York, 1965, Seiten 72 und 73 beschrieben. Nach dem Ätzschritt wird die Zufuhr von 6 % Chlorwasserstoffgas abgeschaltet und eine Mischung von Gasen mit einem Gehalt an Siliciumchlorid und Phosphin etwa 30 Sekunden lang zugeschaltet. Diese Gasmischung, welche etwa 6 Vol.% des Gesamtgasflusses ausmacht, ist per se eine Mischung aus 98 % Siliciumchloridgas und 2 % einer Gasmischung mit einem Gehalt an 1 % Phosphin in Wasserstoff. Mit diesem zweiten Schritt wird beabsichtigt, eine etwa 1 bis 3 Mikron dicke, stark mit Phosphor dotierte Siliciumschicht auf der Oberfläche des SiIiciumkörpers und in den Oberflächendefektstellen r welche bevorzugt geätzt wurden, abzuscheiden. Anschließend läßt man die Probe innerhalb einiger Minuten in einem Wasserstoffgasstrom abkühlen. Der Siliciumkörper 156 wird dann aus dem Ofen entfernt und die Elektroden 124 und 120 werden, wie nachfolgend beschrieben, angebracht. Die oberen Fingerelektroden 120 werden auf der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers gebildet durch Vakuumverdampfen einer Metallegierung durch eine Maske r die die Form der Fingerelektrode 120 definiert. Vor der Verdampfung wird die Oberfläche des Halbleiterkörpers 156 durch etwa eine Minute dauerndes Ätzen in verdünnter 1 %iger Fluorwasserstoffsäure gereinigt. Die Fingerelektroden, die ungefähr 8 Mikron breit und etwa 100 Mikron voneinander entfernt sind, werden mittels Vakuumverdampfung aus 2 Metallschichten gebildet. Eine erste Schicht, welche eine Goldlegierung mit einem Gehalt an etwa 1 % Antimon ist, wird durch Verdampfen in einer Schichtdicke von etwa 200 8 aufgetragen, anschließend wird Nickel direkt über die erste Metallschicht aufgedampft. Beide Schichten zusammen ergeben die leitende j
Fingerelektrode 120. j
Der Halbleiterkörper 156 wird dann auf einer mit Gold plattierten Edelstahlelektrode 124 befestigt mittels eines eutektischen GoId-
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Silicium-Lötmittels. Eine 1 %ige Galliumdotierung In dem eutektischen Lötmittel erzeugt einen ohitiisehen Kontakt zwischen dem Rückseitenkontakt 124 und der p-leitenden Zone innerhalb des Halbleiterkörpers. Um das Löten des Halbleiterkörpers 156 auf die Rückseitenkontaktplatte 124 mittels einer eutektischen GoId-Siliciumlötschicht dazwischen durchzuführen, werden die Komponenten mehrere Minuten lang auf eine Temperatur von etwa 480 0C erhitzt und dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Die fertiggestellte Anordnung der einkristallinen Siliciumsolarzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel, besitzt eine höhere Ausbeute als eine Solarzelle, die nach bisher bekannten Methoden aus polykristallinem Silicium hergestellt wurde. Der Kontaktdraht 122 wird unter Druck auf der oberen Fingerelektrode 120 befestigt. Wenn die obere Oberfläche der Zelle 110 Sonnenstrahlung ausgesetzt wird und wenn die Drähte 122 und 128 mit einem Lastwiderstand verbunden sind, dann fließen Elektronen aus dem Draht 122 zu dem Lastwiderstand und kehren durch den Draht 128 zurück unter Erzeugung einer elektrischen Leistung an dem Lastwiderstand.
Betrachtungen zur Erfindung:
Durch die Ausführung der Erfindung wird eine einkristalline strahlungsempfindliche Anordnung oder Solarzelle bereitgestellt, in der eine erhöhte Ausbeute durch eine spezielle, selektive Behandlung der Defektstellen erreicht wird. Es wird vorausgesetzt, daß der kristalline Halbleiterkörper zur Ausführung der Erfindung aus einem unvollkommenen Einkristall besteht. Die Ausbeute der Anordnung wird auch dadurch erhöht, daß die Kontaktfläche, die der Strahlung ausgesetzt wird, ausgedehnt wird.
Im allgemeinen wird gemäß der Erfindung ein Verfahren angegeben, durch welches aus unvollkommenen kristallinen Halbleitern Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad hergestellt werden können. Die Ilauptschwierigkeit bei Halbleitern, welche polykristallin sind
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oder welche lineare und planare Defektstellen enthalten, sind, daß die Defektstellen als Rekombinat ions Zentren für die durch Strahlung erzeugen Ladungsträger dienen. Ziel der Erfindung 1st deshalb, eine Technik anzugeben, durch die der schädigende Effekt der Oberflächenfehlstellen reduziert werden kann und durch die die Ausbeute der Anordnung besser als diejenige einer herkömmlichen Einkristallzelle wird.
Ein Weg, auf dem eine erhöhte Wirksamkeit erreicht werden kann, besteht darin, ein n-Dotiermaterial in die Zone um die Defektstellen auf eine solche Art und Weise einzuführen, daß das Elektronenpotential in der Zone in der Umgebung der Defektstellen abnimmt (oder für das entgegengesetzte Dotiermittel zunimmt)f d.h., in der Umgebung der Defektstelle werden Elektronen gesammelt und Löcher abgestoßen (oder umgekehrt für das entgegengesetzte Dotiermaterial). Es ist wesentlich, daß sich das gelöste Dotiermaterial in die Gitterzone, die die Defektstellen umgibt, ausdehnt.
Es ist auch wesentlich, daß sich das Feld in der Umgebung der Fehlstellen über Entfernungen größer als 100 R ausdehnt. Der Grund hierfür ist, daß ein Elektron (oder ein Loch), das sich in der stark dotierten Zone bewegt, durch die Verarmungszone tunnelieren und den übergang kurzschließen kann, wenn der zugelassene Tunnelierungsabetand in der Größenordnung der Breite der Verarmungszone ist.
In der Praxis der vorliegenden Erfindung ist es erforderlich, daß ; sich das gelöste Dotiermaterial von der Fehlstelle oder den Fehlzonen aus eine endliche Entfernung in das Kristallgitter hineinbewegt, in der Weise, daß die gelösten Atome das umgebende Materia dotieren und eine hochleitende Schicht um jede Fehlstelle bilden. Auch das elektrische Feld, das auf die hohe Dotierung zurückzuführen ist, erstreckt sich weit genug in das Kristallgitter
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hinein, damit die Elektronen daran gehindert werden, durch den Obergang zu tunnelieren.
Gemäß den Prinzipien der Erfindung, werden die Träger eines Typs daran gehindert, die Defektstellen zu erreichen und daran zu rekombinieren. Sogar einkristalline Halbleitermaterialien werden bei der Anwendung der Erfindung auf hinreichend strahlungsempfindliche Anordnungen, welche keine wesentlichen Fehlstellen aufweisen, verbessert.
Bei Anwendung einer Anordnung gemäß der Erfindung, sind die Elektronen-Lochpaare, die während der Bestrahlung erzeugt werden, in der Lage, sich derart zu trennen, daß ein Träger zu einer Oberfläche und der andere Träger zu der entgegengesetzten Oberfläche wandert. Die beiden Oberflächen sind die beiden Seiten einer Übergangszone in dem System, entweder in einem p-n-Obergang oder einem Schottky-ubergang, Bei einer Schottky-Sperrschicht auf der Rückseite werden beispielsweise die Löcher in die Schottky-Sperrschicht auf der Rückseite beschleunigt hineingezogen, und die | Elektronen werden von der Schottky-Sperrschicht abgestoßen, so daß eine natürliche Aufspaltung von Elektronen-Lochpaaren durch das Feld erzeugt wird. Die Elektronen werden dann an der Oberfläche und die Löcher an der unteren Fläche gesamt. Der erzeugte Strom
ist eine Funktion der Anzahl an Elektronen und Löcher, die ge- j sammelt werden. Die Auswirkung von Kristalldefekten auf die j Wirksamkeit der Zelle ist auf die Träger zurückzufahren, die, ehe j sie an einer geeigneten Elektrode gesammelt werden, rekombinieren. Eine Dotierung der Kristalldefekte in der Art und Weise, wie sie in der Erfindung beschrieben wird, erhöht in erhebliche« Maße die Ausbeute und verhütet eine vorzeitige Trägerrekombination vor jderen Sammlung.
Es soll hervorgehoben werden, daß die strahlungseapfindlichen
joder Solarzellen auch hergestellt werden können durch Austausch der Trägertypen, d.h., daß der Leitfähigkeitstyp des Grundmaterial!
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und der Leitfähigkeitstyp des Dotiermaterials des Halbleiters selbst ausgetauscht werden können, was die Wirkungsweise und Ausbeute der Zelle nicht beeinträchtigt. Es gibt viele Typen von Halbleitermaterialien, die in Solarzellen oder strahlungsempfindlichen Anordnungen angewendet werden können. Sie reichen von elementarem Silicium und Germanium bis zu III-V-Verbindungen und II-VI-Verbindungen, wobei verschiedene Wirksamkeiten als Funktion der Energielücke erhalten werden können.
Zur Ausführung der Erfindung soll das aktive Material, in dem die Elektronenlochpaare erzeugt werden, ein Halbleiter sein. Es ist außerdem erwünscht, die Dichte wenigstens eines freien Ladungsträgertyps (Elektronen oder Löcher) innerhalb des Materials durch Einführung von Verunreinigungs-Dotiermaterial wesentlich zu erhöhen.
Gemäß der Erfindung kann auch zur Herstellung von Solarzellen polykristallines Material verwendet werden. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß eine erhöhte Anzahl von Trägern, die tief in dem halbleitenden Medium erzeugt werdenf gesammelt werden kann. Die dotierte Zone um die Fehlstellen bildet ein leitendes Netzwerk und dehnt sich tief in das Material hinein aus und i
zieht Träger an die sammelnde Elektrode. Auf diese Weise werden Träger, die tief in dem halbleitenden Material innerhalb einer Diffusionslänge von der Verarmungszone, die die Kollektorzonen umgibt, entfernt erzeugt werden, mit hinreichendem Wirkungsgrad | gesammelt, so daß sie an den Fehlstellen nicht rekombinieren. Da \ Idas leitende sammelnde Medium sich tief in das Material mit den
!aktiven Zonen erstreckt, können die Träger, die tief in dem halbleitenden Solarzellenmaterial erzeugt werden, mit hinreichender Ausbeute gesammelt werden. So kann gesagt werden, daß trotz der Fehlstellen mehr Träger für eine gegebene einfallende Strahlung gesammelt werden können als bei einem Einkristall, bei dem die Elek tronen-Lochpaare, die in einem großen Abstand von der Oberfläche erzeugt werden, nicht in ausreichendem Maße vor der Rekombination gesammelt werden können. Ein Verfahren zur Herstellung der
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gewünschten Feldlinienverteilung ist in Fig. 3 angegeben, wo eine einkristalline Zone verändert wird, um eine höhere Ausbeute durch Anwendung sammelnder leitender Zonen vom n- oder p-Typ zu erhalten« In einer praktischen Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird in die internen Defektstellen, wie Versetzungen oder Mikrorisse, eine leitende Schicht, beispielsweise η-leitendes Silicium oder pleitendes Silicium abgelagert. Wiederum wird eine hohe Wirksamkeit erhalten.
Wesentlichstes Merkmal der Erfindung ist, daß Sammelfinger oder Zonen in Solarzellen, sowohl in einkristallinen wie polykristallinen, hergestellt werden können, welche die Ausbeute an Ladungsträgern erhöhen und die Wahrscheinlichkeit zur Rekombination an Kristallgitter- oder Oberflächenfehlstellen reduzieren.
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Solarzelle aus einer Halbleiteranordnung, die mit metallischen Kontakten versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung aus einem Halbleiterkörper mit einem Gehalt an linearen und planaren Fehlstellen mit Rekombinationszentren für Ladungsträger und einem Dotiermaterial in relativ hoher Konzentration in der Umgebung dieser Fehlstellen aufgebaut ist und daß ein Halbleiterübergang zwischen dem Halbleiterkörper und der Zone mit hoher Dotiermaterialkonzentration, die die Fehlstellen umgibt, vorhanden ist.
    Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem Material aus der Gruppe von Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, GaAs, GaP, ZnO, ZnS und InP besteht.
    Solarzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einkristallin ist.
    Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silicium und das Dotiermaterial Arsen oder Phosphor ist.
    Solarzelle nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterübergang ein p-n-übergang oder ein Schottky-Ubergang ist.
    Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläch« eines p-dotierten Siliciumhalbleiterkörpers in an sich bekannter Weise geätzt und eine dünne Schicht stark n-dotierten Siliciums auf derselben abgeschieden wird und daß während der Hochtemperaturabscheidung der Schicht das n-Dotier-
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    material von der Wachstumsgrenze aus in den Siliciumhalbleiterkörper eindiffundiert und die Fehlstellen umgibt.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Siliciumhalbleiterkörpers mittels eines Gasphasenätzverfahrens geätzt wird und daß durch überleiten eines Gemisches von Siliciumchlorid, Phosphin und Wasserstoff eine etwa 1 Mikron dicke, stark mit Phosphor dotierte Siliciumschicht erzeugt wird und der Phosphor bei der Hochtemperaturabscheidung von der Wachstumsgrenze aus etwa 0,3 Mikron in den Siliciumhalbleiterkörper eindiffundiert.
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