DE2854750C2 - Silizium-Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Silizium-Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Silizium-Solarzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen der Solarzelle.
Eine Silizium-Solarzelle eingangs genannter Art mit einem Halbleiterkörper mit PIN-Zonenfolge ist aus der DE-OS 26 32 987 bekannt. Im Bekannten wird eine an eine ein Metall hoher Austrittsarbeit enthaltende Metallschicht angrenzende Zone eines aus hydriertem, amorphem Silizium bestehenden Halbleiterkörper P⁺-dotiert. Diese bekannte P⁺-Zone besitzt eine Dicke von einigen zehn Manometer. Zum Herstellen einer Schottky-Sperrschicht im Halbleiterkörper ist es nach der US-PS 40 64 521 erforderlich, eine P-leitende Halbleiterzone mit einem Metall niedriger Austrittsarbeit zu kontaktieren. Ein Metall hoher Austrittsarbeit wird dagegen auf einem eigenleitenden oder einem N-leitenden Halbleiterkörper vorgesehen, wenn eine Schottky-Sperrschicht herzustellen ist. Wegen des ohnehin im PIN- Halbleiterkörper vorhandenen PN-Übergangs ist an sich eine Schottky-Sperrschicht am Kontakt auch gar nicht erwünscht.
Die PIN-Solarzellen mit amorphem Silizium besitzen höhere Leerlaufspannungen als Solarzellen mit Schottky-Sperrschicht aus amorphem Silizium; die durch PIN-Solarzellen erzeugten Kurzschlußströme sind aber 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 die Oberflächenbeschaffenheit 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. Andererseits liegt der Erfindung ebenfalls die Aufgabe zugrunde, die durch PIN-Solarzellen erzeugten Kurzschlußströme in den Bereich derjenigen von Schottky-Sperrschicht-Solarzellen anzuheben. Das heißt also, daß eine Solarzelle geschaffen werden soll, deren Leerlaufspannungen denjenigen von PIN-Solarzellen und deren Kurzschlußströme denjenigen von Schottky-Sperrschicht-Solarzellen entsprechen.
Die erfindungsgemäße Lösung wird für die eingangs genannte Silizium-Solarzelle im Patentanspruch 1 angegeben. Für das Verfahren wird die Erfindung im Anspruch 4 beschrieben. Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
Im Kern betrifft die Erfindung demgemäß eine Schottky-Sperrschicht-Solarzelle mit einem Körper aus amorphem, 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 vollständig verarmt ist.
Anhand der schematischen Darstellung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. In der Figur ist eine Schottky-Sperrschicht-Solarzelle mit einer dünnen, hochdotierten, P-leitenden, an die Schottky-Sperrschicht angrenzenden Zone dargestellt.
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-Sperrschicht-Metall und dem hydrierten, amorphen Siliziumkörper sind kritisch bestimmende Parameter der Leistung der Solarzelle. Unter anderem bestimmt der Schottky-Sperrschicht- Übergang die Leerlaufspannung (VOC) der Silizium-Solarzelle. Die Leerlaufspannung hängt ab von dem Kurzschlußstrom, dem Diodengütefaktor und der Sättigungsstromdichte. Bei der erfindungsgemäßen Schottky-Sperrschicht-Solarzelle sind der Dioden-Gütefaktor verbessert und die Höhe des Schottky-Potentialwalls vergrößert, um die Kurzschlußspannung (VOC) 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 100 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 geeignet: Aluminium, Chrom, rostfreier Stahl, Niob, Tantal, Eisen, Molybdän, Titan, Indium-Zinn-Oxid auf Glas mit Indium-Zinn-Oxid als leitendes Material und ähnliches.
Der hydrierte, amorphe Siliziumkörper 14 kann durch Glimmentladung hergestellt worden sein; geeignete Verfahren sind beschrieben in US-PS 4 064 521.
Der Siliziumkörper 14 gemäß Zeichnung könnte prinzipiell ganz und gar aus eigenleitendem, amorphem Silizium 14b bestehen, welches durch Glimmentladung in im wesentlichen reinen Silan hergestellt worden ist. Eine 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 14c kann aus Silan bei gemischtem Dotiergas bis zu einer Dicke von etwa 10 bis etwa 50 nm niedergeschlagen sein. Normalerweise wird als N⁺-Dotiergas Phosphin oder Arsin 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 die Zone 14b mit eigenleitendem 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 hat eine Dicke zwischen etwa 5 und etwa 10 nm. Zum P-Dotieren der Zone 14a eignen sich Stoffe wie Bor, Aluminium und ähnliche mit einer Konzentration zwischen etwa 0,001 und etwa 1,00% an P-Dotierstoff in der Silanatmosphäre der Reaktionskammer. Vorzugsweise wird eine P-Dotierstoffkonzentration von etwa 0,10% der Silanatmosphäre benutzt. Eine solche P-Dotierstoffkonzentration führt zu einer P-leitenden Zone mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 5×10¹⁸ bis etwa 5×10²⁰ P-Dotierstoffteilchen pro cm³. 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 so eingestellt, daß diese P-leitende Zone durch das an sie angrenzende Schottky-Sperrschicht- Metall vollkommen verarmt wird. Wenn die Zone 14a zu dick ist, wird sie nicht vollständig durch das Schottky- Sperrschicht-Metall 16 verarmt 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 ist wenigstens semitransparent für Sonnenstrahlung und enthält ein elektrisch gut leitendes Metall mit einer hohen Austrittsarbeit, d. h. 4,5 eV oder mehr. In diesem Sinne sind 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 nm 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 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 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 in einer etwa 50% Argon und etwa 50% Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 300°C während einer Zeitdauer von etwa 4 Minuten sprühgereinigt.
Auf das gereinigte Substrat wurde eine N⁺-leitende Zone aus einer etwa 98,0% Silan und etwa 2,0% PH₃ enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 330°C niedergeschlagen. Zum Niederschlagen wurde eine Gleichstromentladung benutzt. Dabei betrug die Stromdichte am Kathodenschirm etwa 0,45 mA/cm² bei einem Druck von etwa 86,5 Pa. Der Abstand zwischen dem Kathodenschirm und dem Substrat betrug etwa 5 mm. Innerhalb von etwa 15 Sekunden wurde eine Schichtdicke von etwa 15 nm 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 (B₂H₆) in solcher Menge hinzugefügt, daß das Diboran etwa 1% der Silan-Diboran- Atmosphäre betrug. Das Abscheiden wurde dann für etwa 10 Sekunden fortgesetzt, derart daß hochdotiertes, P-leitendes, 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 stufenweise auf 0,1%, 0,01% und 0,001% verändert.
Kontrollbeispiel
Eine herkömmliche Schottky-Grenzschicht-Solarzelle mit amorphem Silizium wurde ebenso wie im Beispiel 1, jedoch ohne eine dünne hochdotierte, P-leitende Zone hergestellt.
Tabelle I zeigt Vergleichswerte der Leerlaufspannung (VOC), des Kurzschlußstroms (JSC) 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.
Tabelle I
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 Leerlaufspannung VOC für größere und kleinere Diboran-Konzentrationen ab. Bei der Diboran-Konzentration von 0,10% hat außerdem der Umwandlungs-Wirkungsgrad N ein Maximum - nämlich gegenüber dem Kontrollwert eine Verbesserung von 37%. Im ganzen ergibt sich also, daß bei der 0,10%-Diboran-Konzentration sowohl die Leerlaufspannung als auch der Kurzschlußstrom und der Wirkungsgrad der Zelle den höchsten Wert erreichen.
Die effektive Dotierstoffkonzentration von 0,10% Diboran in der Silan/Diboran-Atmosphäre stellt also beim Abscheiden der erfindungsgemäß wesentlichen P⁺-leitenden hydrierten, amorphen Siliziumschicht ein Optimum dar.

Claims (9)

1. Silizium-Solarzelle (10) mit einem an ein Substrat (12) angrenzenden, aus hydriertem, amorphem Silizium bestehenden Halbleiterkörper (14) und mit einer ein Metall hoher Austrittsarbeit enthaltenden Metallschicht (16) auf der dem Substrat (12) gegenüberliegenden Fläche des Halbleiterkörpers (14), wobei der Halbleiterkörper (14) aus einer N⁺-leitenden, das Substrat (12) kontaktierenden, ersten Zone (14c), einer darauf folgenden, eigenleitenden, zweiten Zone (14b) sowie einer zwischen der zweiten Zone (14b) und der Metallschicht (16) liegenden, P-leitenden, der Sonnenstrahlung (100) auszusetzenden, dritten Zone (14a) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte, P-leitende Zone (14a) eine Dicke zwischen etwa 5 und 10 nm aufweist und daß die Dotierstoffkonzentration der dritten Zone (14a) so bemessen ist, daß sie vollständig verarmt ist.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die P-Dotierstoffkonzentration zwischen etwa 5 ×10¹⁸ und 10²⁰ Atomen/cm³ liegt.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die P-leitende dritte Zone (14a) eine Dicke von etwa 10 nm hat.
4. Verfahren zum Herstellen einer Silizium-Solarzelle (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die eigenleitende Zone (14b) aus hydriertem, amorphem Silizium vor dem Aufbringen der eine Schottky-Sperrschicht bildenden Metallschicht (16) eines Metalls hoher Austrittsarbeit die P-leitende Zone (14a) aus hydriertem, amorphem Silizium bis zu der Dicke von etwa 5 bis 10 nm aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die P-leitende Zone (14a) in einer Silan-Dotierstoff- Atmosphäre mit einer P-Dotierstoffkonzentration zwischen etwa 0,001% und etwa 1% hergestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine P-Dotierstoff-Konzentration in der Silan-Dotierstoff-Atmosphäre von etwa 0,10% eingestellt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als P-Dotierstoff Diboran verwendet wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus hydriertem, amorphem Silizium bestehenden Zonen des Halbleiterkörpers (14) durch Glimmentladung in einer Silizium enthaltenden Verbindung hergestellt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Silizium enthaltende Verbindung Silan eingesetzt wird.
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