DE2854750A1 - Solarzelle mit schottky-sperrschicht - Google Patents

Solarzelle mit schottky-sperrschicht

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DE2854750A1 DE19782854750 DE2854750A DE2854750A1 DE 2854750 A1 DE2854750 A1 DE 2854750A1 DE 19782854750 DE19782854750 DE 19782854750 DE 2854750 A DE2854750 A DE 2854750A DE 2854750 A1 DE2854750 A1 DE 2854750A1
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Description

Dr.-lng. Reimar König ■ Dkti.-lng. Klaus Bergen
Cecilienallee 76 4 Düsseldorf 3O Telefon -452OOS Patentan\2iWJö3 H 7 5
I»·
18. Dezember 1978 32 633 B
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza,
New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)
"Solarzelle mit Schottky-Sperrschicht"
Die Erfindimg betrifft eine Silizium-Solarzelle mit Schottky-Sperrschicht, mit einem Substrat und einem elektrischen Kontakt an der Schottky-Sperrschicht. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer amorphes Silizium mit einer Schottky-Sperrschicht enthaltenden Solarzelle mit vergrößerter Leerlaufspannung.
Mit Hilfe von aufgrund des Sperrschicht-Fotoeffekts arbeitenden Bauelementen, z.B. Solarzellen, kann Sonnenstrahlung in verwertbare elektrische Energie umgewandelt werden. Die Energieumwandlung erfolgt dabei in bekannter Weise in zwei Stufen: Zunächst erzeugt im Halbleiter absorbierte Sonnen- »trahlung Elektronen und Löcher, die dann durch ein "eingebautes" elektrisches Feld in der Halbleiter-Solarzelle voneinander getrennt werden. Durch diese Trennung von Elektronen und Löchern entsteht ein elektrischer Strom. Ein "eingebautes" elektrisches Feld kann in einer Solarzelle z.B. durch eine Schottky-Sperrschicht erzeugt sein. Die an dem Metall/Halbleiter-Übergang erzeugten Elektronen fließen in Richtung auf den Halbleiterkörper, wo sie gesammelt werden können.
Sogenannte PIN-Solarzellen mit amorphem Silizium haben
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■ - ε-
höhere Leerlaufspannungen als Solarzellen mit Schottky-Sperrschicht an amorphem Silizium; die durch PIN-Solarzellen erzeugten Kurzschlußströme sind jedoch infolge von Verlusten durch Rekombination von Löchern und Elektronen niedriger als diejenigen von Schottky-Sperrschicht-Solarzellen. Die Spannungen von Schottky-Sperrschicht-Solarzellen mit hydriertem, amorphem Silizium sind im wesentlichen deshalb niedriger, weil die Höhe des Potentialwalls der Metalle hoher Austrittsarbeit durch Oberflächenzustände bzw. durch diejOberflächenbeschaffenheit begrenzt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leerlaufspannung einer Schottky-Sperrschicht-Solarzelle mit hydriertem, amorphem Silizium zu erhöhen und dabei den hohen Wert der Kurzschlußstromdichte zu erhalten.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Solarzelle mit Schottky-Sperrschicht eingangs genannter Art erfindungsgemäß durch einen aus hydriertem, amorphem Silizium bestehenden Körper mit einer N^-leitenden, das Substrat kontaktierenden, ersten Zone, einer eigenleitenden, zweiten Zone sowie einer der Sonnenstrahlung zuzuwendenden, P-Ieitenden, dritten Zone und eine mit der dritten Zone eine Schottky-Sperrschicht bildenden Metallschicht eines Metalls hoher Austrittsarbeit, wobei die dritte Zone in Abhängigkeit von ihrer Dicke und Dotierstoffkonzentration durch die Schottky-Sperrschicht völlig ionisiert ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht ein Verfahren zum Herstellen einer amorphes Silizium mit einer Schottky-Sperrschicht enthaltenden Solarzelle mit vergrößerter Leerlaufspannung darin, daß auf eine eigenleitende Zone aus hydriertem, amorphem Silizium vor dem Aufbringen einer eine Schottky-Sperrschicht bildenden Metall-
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schicht eines Metalls hoher Austrittsarbeit eine P-leitende Zone aus hydriertem, amorphem Silizium solcher Dicke und Dotierstoffkonzentration aufgebracht wird, daß die P-leitende Zone durch das Schottky-Sperrschicht-Metall völlig ionisiert wird.
Im Kern betrifft die Erfindung demgemäß eine Schottky-Sperrschicht-Solarzelle mit einem Körper aus amorphem, insbesondere hydriertem Silizium, der mit einer dünnen dotierten Zone an das Schottky-Sperrschicht-Metall angrenzt. Die Höhe des Potentialwalls wird erfindungsgemäß durch eine dünne, hochdotierte, P-leitende Zone aus hydriertem, amorphem Silizium, welche zwischen das Schottky-Sperrschicht-Metall hoher Austrittsarbeit und einen Körper aus eigenleitendem, hydriertem, amorphem Silizium eingefügt ist, vergrößert. Mit der Höhe des Potentialwalls werden die Leerlaufspannung und der Kurzschlußstrom der Schottky-Grenzschicht-Solarzelle mit hydriertem, amorphem Silizium ebenfalls angehoben. Die Kurzschlußspannung steigt dabei deshalb, weil eine größere Höhe des Potentialwalls eine Verminderung des Sättigungs-Sperrstroms zur Folge hat. Der Kurzschlußstrom kann wegen eines Ansteigens des eingebauten Potentials eine kleine Vergrößerung erfahren. Erfindungsgemäß sollen die Dotierstoffkonzentration und die Dicke der P-leitenden Zone so ausgewählt bzw. eingestellt werden, daß die hochdotierte, P-leitende Zone durch das Metall hoher Austrittsarbeit vollkommen ionisiert werden kann.
Teilweise anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. In der Figur ist eine Schottky-Sperrschicht-Solarzelle mit einer dünnen, hochdotierten, P-leitenden, an die Schottky-Sperrschicht angrenzenden Zone dargestellt.
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Die erfindungsgemäßen Schottky-Sperrschicht-Solarzellen mit hydriertem, amorphem Silizium enthalten eine dünne semitransparente Metallschicht mit hoher Austrittsarbeit, welche eine Schottky-Sperrschicht mit dem Körper des hydrierten, amorphen Siliziums bildet. Die Kennwerte bzw. Eigenschaften des Übergangs zwischen dem Schottky-Sperr— schicht-Metall und dem hydrierten, amorphen Siliziumkörper sind kritisch bestimmende Parameter der Leistung der Solarzelle. Unter anderem bestimmt der Schottky-Sperrschicht-Ubergang die Leerlaufspannung (VqC) der Silizium-Solarzelle. Die Leerlaufspannung hängt ab von dem Kurzschlußstrom, dem Diodengütefaktor und der Säüigungsstromdichte. Bei der erfindungsgemäßen Schottky-Sperrschicht-Solarzelle sind der Dioden-Gütefaktor verbessert und die Höhe d«s Schottky-Potentialswalls vergrößert, um die Kurzschlußspannung (VqC) über diejenige herkömmlicher Schottky-Sperrschicht-Solarzellen mit hydriertem, amorphem Silizium anzuheben.
Die erfindungsgemäße Schottky-Sperrschicht-Solarzelle mit hydriertem, amorphem Silizium ist in der Zeichnung insgesamt mit 10 bezeichnet worden. Alle Schichten oder Zonen der Solarzelle 10 sind in bestimmter Weise in bezug auf die einfallende Sonnenstrahlung 10 ausgerichtet. Zu der Solarzelle 10 gehört ein Substrat 12 aus elektrisch gutleitendem und einen ohmschen Kontakt mit einem hydriertem, amorphem Siliziumkörper 14 bildenden Material. Als Substratmaterial sind beispielsweise geeignet: Aluminium, Chrom, rostfreier Stahl, Niob, Tantal, Eisen, Molybdän, Titan, Indium-Zinn-Oxid auf Glas mit Indium-Zinn-Oxid ale leitendes Material und ähnliches.
Der hydrierte, amorphe Siliziumkörper 14 kann durch Glimmentladung hergestellt werden seinj geeignete Verfahren
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sind beschrieben in US-PS 4 064 521, US-Patentanmeldung Ser.No. 727 659 vom 29. September 1976 oder US-Patentanmeldung Ser.No. 710 186 vom 30. Juli 1976. Bei dem unter der Bezeichnung "Glimmentladung" bekannten Verfahren zum Abscheiden der jeweiligen Schichten, wird durch ein Gas relativ geringen Drucks, d.h. etwa 600 bis 700 Pa (etwa 5 Torr) oder weniger elektrisch entladen.
Amorph nennt man Stoffe, die keine gerichtete (kristalline) Anordnung ihrer kleinsten Bauelemente zeigen. Die Länge geordneter Ketten von durch Glimmentladung in Silan hergestelltem amorphem Silizium ist in der Regel kleiner als 2 nm. Die amorphe Struktur des durch Glimmentladung in Silan hergestellten, amorphen Siliziums kann durch Röntgenstrahlung oder durch Elektronenbeugung festgestellt werden.
Der Siliziumkörper 14 gemäß Zeichnung kann ganz und gar aus elgenleitendem, amorphem Silizium 14b bestehen, welches durch Glimmentladung in im wesentlichen reinen Silan hergestellt worden ist. Die N+-leitende, in engem Kontakt mit dem Substrat 12 stehende Zone 14c des Siliziumkörpers 14 verbessert jedoch den ohmschen Kontakt mit dem Substrat 12 gegenüber dem Fall des eigenleitenden, amorphen Siliziums 14b. Die N+-leitende Zone 14ckann aus Silan bei gemischtem Dotiergas bis zu einer Dicke von etwa 10 bis etwa 50 nm niedergeschlagen sein. Normalerweise wird als N+-Dotiergas z.B. Phosphin oder Ars Jn verwendet. Es eignen sich auch Stoffe wie Antimon, Wismut, Cäsiumnitrid und Natriumhydrid. Nach Fertigstellung der N+-leitenden Zone 14c wird das Dotiergas aus dem System abgepumpt, und das Abscheiden des Siliziums wird in Silan allein derart fortgesetzt, daß eine Zone 14b mit eigenleitendem
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hydriertem, amorphem Silizium entsteht. Diese Zone 14b soll etwa 200 "bis etwa 1000 nm dick werden. Dann wird eine dünne hochdotierte P-leitende Zone 14a auf die eigenleitende Zone 14b aufgebracht, bevor eine Schottky-Sperrschicht-Metallschicht 16 hoher Austrittsarbeit niedergeschlagen wird.
Die P-leitende Zone 14a unterscheidet die erfindungsgemäße Zelle von bekannten Schottky-Sperrschicht-Zellen mit hydriertem, amorphem Silizium. Die. dünne, hochdotierte, P-leitende Zone 14a hebt nämlich die Höhe des Schottkyschen Potentialwalls an und verbessert die Leistung der Solarzelle. 10. Die P-leitende Zone 14a soll vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 5 und etwa 10 nm haben. Zum P-Dotieren der Zone 14a eignen sich beispielsweise Stoffe wie Bor, Aluminium und ähnliche mit einer Konzentration zwischen etwa 0,001 und etwa 1,00 % an P-Dotierstoff in der P-dotierten Silanatmosphäre der Reaktionskammer. Vorzugsweise wird eine P-Dotierstoff konzentration von etwa 0,1096 der P-dotierten Silanatmosphäre benutzt. Eine solche P-Dotierstoffkonzentration führt zu einer P-leJtenden Zone mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 5 χ 10 bis etwa 5 χ
P-Dotierstoffteilchen pro cm . Durch die dünne, hoch-P-dotierte, an das Metall der Schottky-Sperrschicht angrenzende, aus hydriertem, amorphem Silizium bestehende Zone 14a wird ein Diodengütefaktor im Dunkeln und unter Beleuchtung erreicht, der größer als 1 ist. Diese Vergrößerung wird ohne Verminderung des Kurzschlußstroms erzielt.
Beim Herstellen erfindungsgemäßer Solarzellen werden die Dotierstoffkonzentration und die Dicke der P-leitenden Zone 14a vorzugsweise so eingestellt, daß diese P-leitende Zone durch das an sie angrenzende Schottky-Sperrschicht-Metall vollkommen ionisiert wird. Wenn die Zone 14a zu dick ist, wird sie nicht vollständig durch das Schottky-
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■Λ0-
Sperrschicht-Metall 16 ionisiert und die Solarzelle 10 wirkt wie eine normale PIN-Zelle mit einem infolge von Rekombination in der dicken P-leitenden Zone kleinen Strom. Ist dagegen die hoch-P-leitende Zone 14a zu dünn, so reicht sie nicht aus, die Höhe des Potentialwalls der Sperrschicht anzuheben.
Die Metallschicht 16 soll wenigstens semitransparent für Sonnenstrahlung sein und ein elektrisch gut leitendes Metall mit einer hohen Austrittsarbeit, d.h. 4,5 eV oder mehr, enthalten. In diesem Sinne sind z.B. Gold, Platin, Palladium, Chrom, Iridium, Rhodium und ähnliche Metalle geeignet. Die Metallschicht 16 kann eine Einzelschicht eines Metalls sein oder aus mehreren Teilschichten bestehen. Im letzteren Fall soll die erste auf dem Siliziumkörper 14 liegende Schicht Platin sein, um einen hohen Schottky-Potentialwall sicherzustellen, während als zweite, auf der ersten Platinschicht liegende Schicht, z.B. Gold oder Silber, wegen der guten elektrischen Leitfähigkeit sehr geeignet sind. Die Metallschicht 16 soll nur etwa 5,0 m dick sein, um zu erreichen, daß die Metallschicht 16 zumindest semitransparent gegenüber Sonnenstrahlung ist.
Im Ausführungsbeispiel ist die Schottky-Sperrschicht-Metallschicht 16 mit einer aus einem elektrisch gut leitenden Metall bestehenden Gitterelektrode 18 kontaktiert. Die Gitterelektrode 18 soll nur einen Teil der Oberfläche der Metallschicht 16, z.B. nur etwa 5 bis 10% einnehmen, da auf die Gitterelektrode 18 auffallende Sonnenstrahlung von dem Körper 14 wegreflektiert werden könnte. Die Gitterelektrode 18 hat die Aufgabe, den an der Metallschicht 16 gesammelten Strom gleichmäßig abzuführen. Außerdem stellt
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die Gitterelektrode 18 einen niedrigen Reihenwiderstand der Solarzelle 10 sicher.
Mit abnehmender Größe der zu bestrahlenden Fläche der Solarzelle nimmt das Erfordernis nach der Gitterelektrode 18 ab. Bei einer kleinen Solarzelle kann eine transparente, leitende Oxidschicht 20 mit einem spezifischen Flächenwiderstand von weniger als 10 Ohm/Quadrat zum Abführen des in der Solarzelle bei Betrieb erzeugten Stromes ausreichen. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel ist eine transparente, leitende Oxidschicht 20 dargestellt worden, die gleichzeitig als Antireflexionsbeschichtung und als Zusatzelektrode zu dem Metallgitter 18 wirkt. Die Oxidschicht 20 liegt dabei auf dem Metallgitter 18 und auf der Metallschicht 16. Das verwendete transparente, leitende Oxid kann z.B. Zinnoxid, Indium-Zinnoxid, Kadmiumstannat oder ähnliches sein.
Durch die folgenden Beispiele wird die Erfindung noch näher erläutert.
Beispiel 1
Ein aus Molybdän bestehendes Substrat von etwa 1 mm Dicke wurde in einer Gleichstromentladung bei einem Druck von etwa 80 Pa (0,6 Torr) in einer etwa 50% Argon und etwa 50% Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 3000C während einer Zeitdauer von etwa 4 Minuten sprühgereinigt.
Auf das gereinigte Substrat wurde eine N+-leitende Zone βμβ einer etwa 98,0% Silan etwa 2,0% PH3 enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 3300C niedergeschlagen. Zum Niederschlagen wurde eine Gleichstromentladung benutzt. Dabei betrug die Stromdichte am Kathoden-
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. /fa-
schirm etwa 0,45 Milliampere (mA)/cm bei einem Druck von etwa 86,5 Pa (0,65 Torr). Der Abstand zwischen dem Kathodenschirm und dem Substrat betrug etwa 5 mm. Innerhalb von etwa 15 Sekunden wurde eine Schichtdicke von etwa 15 mn niedergeschlagen.
Die Reaktionskammer wurde dann leergepumpt. Nach dem Einlassen von reinem Silan wurde das Abscheiden für ungefähr 8 Minuten fortgesetzt, so daß eigenleitendes, hydriertes, amorphes Silizium in einer Dicke von etwa 500 nm niedergeschlagen wurde.
Zu dem Silan wurde dann Diboran (B2Hg) in solcher Menge hinzugefügt, daß das Diboran etwa 1% der Silan-Diboran-Atmosphäre betrug. Das Abscheiden wurde dann für etwa Sekunden fortgesetzt, derart, daß hochdotiertes, P-Ieitendes, hydriertes, amorphes Silizium in einer Schichtdicke von etwa 10 nm (bei einer Temperatur von 300 C) entstand.
Auf die P-dotierte Zone wurde dann ein Platinfilm von etwa 5 nm Dicke aufgedampft, um die Schottky-Sperrschicht zu bilden. Schließlich wurden nochmals 40 nm Platin und dann etwa 1000 nm Aluminium in dem Muster einer Gitterelektrode aufgedampft.
Beispiele 2 bis 4
Bei den Beispielen 2 bis 4 wurde ebenso wie in Beispiel 1 verfahren, jedoch wurde die Diboran-Konzentration der Silan-Diboran-Atmosphäre sutfenweise auf 0,1%, 0,01% und 0,001% verändert.
Kontrollbeispiel
Eine herkömmliche Schottky-Grenzschicht-Solarzelle mit
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•/13·
amorphem Silizium wurde ebenso wie im Beispiel 1 jedoch ohne eine dünne hochdotierte, P-leitende Zone Tiergestellt.
Tabelle I zeigt Vergleichswerte der Leerlaufspannung (VqC), des Kurzschlußstroms (JgC) und des Umwandlungswirkungsgrades (N) für eine herkömmliche Schottky-Sperrschicht-Solarzelle (Kontrolle) und für die Beispiele 1 bis 4 der erfindungsgemäßen Schottky-Sperrschicht-Solarzelle mit hydriertem, amorphem Silizium und einer dünnen, an das Schottky-Metall angrenzenden, hoch P-dotierten Zone.
B2H6W) Tabelle I ρ
JgC(mA/cm )		 N (96)
Beispiel 0 Voc (mV) 5,50 1,41
Kontrolle 1,00 493 4,75 1,24
1 0,10 543 6,00 1,93
2 0,01 644 5,50 1,54
3 0,001 561 5,75 1,63
4 546
Die Meßergebnisse der Tabelle I sind in Abhängigkeit von der effektiven Dotierstoffkonzentration im Verhältnis zur Silankonzentration der Vakuumkammer angegeben. Ausgehend von 0,10% Diboran nimmt die Kurzschlußspannung V c für größere und kleinere Diboran-Konzentrationen ab. Bei der Diboran-Konzentration von 0,1096 hat außerdem der Umwandlungs-Wirkungsgrad N ein Maximum - nämlich gegenüber dem Kontrollwert eine Verbesserung von 37%. Im ganzen ergibt sich also, daß bei der 0,1096-Diboran-Konzentration sowohl die Leerlaufspannung als auch der Kurzschlußstrom und der Wirkungsgrad der Zelle den höchsten Wert erreichen.
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Die effektive Dotierstoff konzentration von 0,10% Diboran in der Silan/Diboran-Atmosphäre stellt also beim Abscheiden der erfindungsgemäß wesentlichen P+-leitenden hydrierten, amorphen Siliziumschicht ein Optimum dar.
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Claims (11)

  1. RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)
    Patentansprüche;
    Silizium-Solarzelle mit Schottky-Sperrschicht, mit einem Substrat und mit einem elektrischen Kontakt an der Schottky-Sperrschicht, gekenn zeichnet durch einen aus hydriertem, amorphem Silizium bestehenden Körper (14) mit einer N+-leitenden, das Substrat kontaktierenden ersten Zone (14c), einer eigenleitenden, zweiten Zone (14b) sowie einer der Sonnenstrahlung zuzuwendenden, P-leitenden, dritten Zone (14a) und eine mit der dritten Zone (i4a) eine Schottky-Sperrschicht bildende Metallschicht (16) eines Metalls hoher Austrittsarbeit, wobei die dritte Zone (14a) in Abhängigkeit von ihrer Dicke und Dotierstoffkonzentration durch die Schottky-Sperrschicht völlig ionisiert ist.
  2. 2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dritte, P-leitende Zone (14a) eine Dicke zwischen etwa 5 und etwa 10 mn aufweist.
  3. 3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die P-Dotierstoff-Konzentration zwischen etwa 5 χ 10 und etwa 5 χ 10 Atomen/cnr liegt.
  4. 4. Solarzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3s dadurch gekennzeichnet ,
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    •a·
    daß die P-Dotierstoff-Konzentration der zum Herstellen der P-leitenden, dritten Zone (14a) verwendeten Silan-Dotierstoff-Atmosphäre zwischen etwa 0,001% und etwa 1% liegt.
  5. 5. Solarzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die P-Dotierstoffkonzentration in der Silan-Dotierstoff-Atmosphäre etwa 0,10% beträgt.
  6. 6. Solarzelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß der P-Dotierstoff als Diboran vorliegt.
  7. 7. Solarzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die P-leitende dritte Zone (i4a) eine Dicke von etwa 10 nm hat.
  8. 8. Solarzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aus hydriertem, amorphem Silizium bestehende Körper (14) durch Glimmentladung in einer Silizium enthaltenden Verbindung hergestellt ist.
  9. 9. Solarzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Silizium enthaltende Verbindung Silan ist.
  10. 10. Solarzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der aus amorphem Silizium bestehende Körper (14) durch eine Glimmentladung in einer Silizium-, Wasserstoff- und Halogenatome enthaltenden Gasatmosphäre
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    hergestellt ist, wobei als Halogen Chlor-, Brom- oder Jodgas vorgesehen und in dem Körper (14) in einem Betrag von Ms zu 7 Atomprozent enthalten sind.
  11. 11. Verfahren zum Herstellen einer amorphes Silizium mit einer Schottky-Sperrschicht enthaltenden Solarzelle mit vergrößerter Leerlaufspannung, dadurch g e ke η η ζ e i c h η e t , daß auf eine eigenleitende Zone (14t)) aus hydriertem, amorphem Silizium - vor dem Aufbringen einer eine Schottky-Sperrschicht bildenden Metallschicht (16) eines Metalls hoher Austrittsarbeit eine P-leitende Zone (I4a) aus hydriertem, amorphem Silizium solcher Dicke und Dotierstoffkonzentration aufgebracht wird, daß die P-leitende Zone durch das Metall der Schottky-Sperrschicht völlig ionisiert wird.
    9 fu
    90&845/06 3D
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