DE2858777C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit einem Körper aus hydriertem, amorphem Silizium, die auf der zu bestrahlenden Fläche mit Hilfe einer eine Schottky-Sperr­ schicht bildenden Metallschicht kontaktiert ist und die auf der der zu bestrahlenden Fläche gegenüberliegenden Seite des Körpers ohmisch kontaktiert ist.
Derartige Solarzellen sind aus der US 40 64 521 und aus der DE-OS 26 32 987 bekannt.
Die aus der US-PS 40 64 521 bekannten Sperrschicht-Foto­ effekt-Bauelemente mit hydriertem, amorphem Silizium sind geeignet, Sonnenstrahlung in brauchbare elektrische Energie umzuwandeln. Solarzellen mit einem Körper aus hydriertem, amorphem Silizium und mit einer Schottky-Sperrschicht las­ sen sich durch Glimmentladung von Silan (SiH4) herstel­ len, indem zunächst ein Körper aus hydriertem, amorphem Silizium abgeschieden und dann darauf ein Film aus Platin oder einem anderen Metall mit hoher Austrittsarbeit so auf­ gebracht wird, daß eine Schottky-Sperrschicht auf dem nie­ dergeschlagenen Körper aus hydriertem, amorphem Silizium entsteht. Es ist festgestellt worden, daß sofort nach dem Aufdampfen der Metallfilme zum Bilden einer Schottky-Sperr­ schicht die entstehende Solarzelle schlechte Diodeneigen­ schaften hat. Eine gute Schottky-Sperrschicht entwickelt sich nur nach einer bestimmten vorgeschriebenen Wärmebe­ handlung; z. B. kann der entsprechende Körper in einem For­ miergas während einer Zeitdauer von etwa 15 Minuten bei etwa 200°C angelassen werden. Dieses Behandeln führt of­ fensichtlich zur Bildung einer dünnen Grenz- bzw. Zwischen­ schicht von bisher unbekannter Natur. So hergestellte Schottky-Sperrschichten neigen zu elektrischen Kurz- oder Nebenschlüssen. Letztere können das Herstellen großflächi­ ger Solarzellen ausschließen.
In der US-PS 40 71 426 werden sogenannte Cermets beschrie­ ben. Das sind aus feinen Dispersionen nicht miteinander mischbarer Metalle und Isolatoren bestehende Zusammensetzun­ gen, die auch als Metallkeramik, Keramikmetalle bzw. Grana­ lien oder körniges Metall bezeichnet werden. Solche Metall­ keramiken können eine Schottky-Sperrschicht bilden, wenn sie auf einkristallines N-leitendes Silizium und Gallium­ arsenid aufgebracht werden (vgl. z. B. J. Appl. Phys., Band 45, Nr. 1, Januar 1974, S. 295 ff). Wegen der Unterschiede zwischen kristallinem und amorphem Silizium (vgl. IEEE Transactions on Electronic Divices, Band ED-24, Nr. 4, April 1977, S. 449 ff) kann aus dem Bekannten nicht geschlossen werden, ob eine auf kristallinem Silizium eine Schottky-Sperrschicht bewirken­ de Metallkeramik die gleiche Wirkung auch auf amorphem Sili­ zium hat oder nicht.
Schließlich ist es bekannt (vgl. NL-Buch "Photovoltaic So­ lar Energy Conference", Proc. of the International Conf., held at Luxembourg, 17. - 30. Sept. 1977, Dordrecht, Hol­ land, Seiten 299-307), daß die Leerlaufspannung einer Solarzelle mit ein- oder polykristallinem Silizium-Halblei­ terkörper mit Schottky-Kontakt drastisch erhöht werden kann, wenn zwischen Halbleiter und Schottky-Metallschicht eine dünne Isolierschicht mit weniger als 2 nm Dicke ange­ ordnet wird. Das erfordert aber - wegen der zusätzlichen Isolierschicht - einen noch größeren Aufwand als das nach­ trägliche Formieren der einen Metallschicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material anzu­ geben, welches auf dem hydrierten, amorphen Siliziumkörper durch Zerstäuben oder Ko-Zerstäuben aufzubringen ist und eine Schottky-Sperrschicht erzeugt. Bei einer Solarzelle der eingangs genannten Art besteht die erfindungsgemäße Lösung in einer ein Metall hoher Austrittsarbeit enthalten­ den, transparenten Cermet-Schicht als Material der eine Schott­ ky-Sperrschicht bildenden Metallschicht.
Zwar ist die Grundstruktur von Solarzellen mit amorphem Siliziumkörper an sich bekannt, durch die Erfindung wird jedoch eine Solarzelle mit einer transparenten, ein Metall hoher Austrittsarbeit enthaltenden und eine Schottky-Sperr­ schicht im amorphen Silizium bildenden Cermet-Schicht ge­ schaffen. Das verwendete Cermet sorgt außerdem für einen guten ohmschen Kontakt zu einem transparenten, leitenden Oxid. Das Cermet kann in Verbindung mit dem transparenten, leitenden Oxid und Antireflexionsbeschichtungen auch dazu verwendet werden, die Spannung bzw. Leistung einer Solar­ zelle mit amorphem Siliziumkörper auf ein Maximum anzuhe­ ben.
Anhand der schematischen Darstellung werden Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem eine Schottky-Sperrschicht aufweisenden amorphen Siliziumkörper; und
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine invertierte Solarzelle mit einem eine Schottky-Sperrschicht aufweisen­ den amorphen Siliziumkörper.
In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 wird eine Schottky-Sperrschicht von einem ein Metall hoher Austritts­ arbeit enthaltendes Cermet gebildet. Cermets haben die all­ gemeine Formel
MxJ1-x′
worin M ein Metall hoher Austrittsarbeit, z. B. Platin, Iri­ dium, Palladium, Rhodium, Rhenium oder ähnliches bedeutet; J ein Isolator, z. B. SiO2, Al2O3, Si3N4, BN, MgO, TiO2, ZrO2, SiwOyNz (Siliziumoxinitrid) und andere Isolatoren oder Keramiken mit größeren Bandabständen als etwa 4,0 eV, ist und wobei in der vorgenannten Formel schließlich x ei­ nen Volumenanteil des Metalls M von etwa 0,10 bis etwa 0,85 bedeutet. Vorzugsweise liegt x etwa zwischen 0,25 und etwa 0,40. Der spezifische Widerstand des Cermets kann zwischen 107 Ohm/cm und weniger als 10-3 Ohm/cm liegen. Die im vorlie­ genden Zusammenhang brauchbaren Cermets bilden Schottky- Sperrschichten in hydriertem, amorphem Silizium.
Bei konstanten Filmdicken nimmt die optische Transparenz von Cermets etwa exponentiell mit abnehmendem Metallgehalt zu. Cermets besitzen eine optische Durchlässigkeit, die derjeni­ gen ähnlich dicker Metallschichten weit überlegen ist.
In Fig. 1 wird eine Solarzelle 10 mit ei­ nem amorphen Siliziumkörper 16 dargestellt. Zu der Solarzelle 10 gehören ein Substrat 12, eine Metallschicht 14, z. B. aus Gold, Niob, Aluminium, Nickel, Molybdän, Wolfram, Chrom, Eisen und ähnlichem oder anderem, eine gute elektri­ sche Leitfähigkeit besitzendem Material mit der Eigenschaft, einen ohmschen Kontakt mit der hydrierten, amorphen Silizi­ umschicht 16 zu bilden. Wenn die Metallschicht eine ausreichende Stärke besitzt, z. B. aus rostfreiem Stahl von 1 mm Dicke besteht, ist das Substrat 12 unter Umständen überflüssig.
Die Schicht 16 aus hydriertem, amorphem Silizium besitzt eine N-leitende Zone 16a von etwa 20 bis etwa 50 nm Dicke. Diese Zone 16a bildet mit der Metallschicht 14 einen ohm­ schen Kontakt. Zu der Siliziumschicht 16 gehört außerdem eine eigenleitende oder isolierende Zone 16b aus amorphem Silizium von etwa 500 bis etwa 1000 nm Dicke. Die hydrier­ te, amorphe Siliziumschicht 16 kann durch Glimmentladung in Silan abgeschieden werden. Der Übergang von der N-leitenden Zone 16a zur eigenleitenden Zone 16b kann entweder allmäh­ lich oder abrupt ausgebildet werden. Die hydrierte amorphe Siliziumschicht 16 und die nachfolgend abgeschiedenen Schichten erfordern eine hochfrequente kapazitive Entladung bei einer Frequenz von wenigstens etwa 3 MHz. Diesen Schich­ ten gegenüber bildet eine transparente Cermet-Schicht 18 von etwa 5 bis 20 nm, vorzugsweise etwa 10 nm, Dicke, welche die Siliziumschicht 16 berührt, infolge des in ihr enthaltenen Metalls hoher Austrittsarbeit eine Schottky- Sperrschicht.
Damit der während der Bestrahlung der Solarzelle 10 durch Licht 100 erzeugte Strom abgezogen werden kann, wird auf die Schicht 18 eine transparente, leitende Oxidschicht 20 mit ohmschem Kontakt aufgebracht; die Oxidschicht 20 kann aus Zinnoxid, Indiumoxid, Indiumzinnoxid und ähnlichem be­ stehen, eine Dicke von etwa 10,0 nm und einen spezifischen Flächenwiderstand von wenigstens etwa 10 Ohm/Quadrat haben. Bei großflächigen Solarzellen mit hydriertem, amorphem Sili­ zium, z. B. mit Flächen von mehr als 3 cm2, kann die trans­ parente, leitende Oxidschicht 20 durch eine bekannte, den bei Betrieb der Zelle erzeugten Strom abführende Gitter­ struktur ergänzt werden. Der durch die Zelle erzeugte Strom läßt sich vergrößern, wenn eine Antireflexionsschicht 22 auf die transparente, leitende Oxidschicht 20 aufgebracht wird. Die Antireflexionsschicht 22 bewirkt auch, daß Sonnenstrahlung von der Rückseite in die Zelle zurückreflektiert wird, so daß sie in der amorphen Siliziumschicht 16 absorbiert wird.
Fig. 2 zeigt eine invertierte Solarzelle 21 mit amorphem Siliziumkörper und einer durch ein wie ein Metall hoher Austrittsarbeit wirkendes Cermet gebildeten Schottky-Sperr­ schicht. Die Solarzelle 21 weist ein gegenüber Sonnenstrah­ lung 100 transparentes Substrat 30 auf, welches z. B. aus Kalknatronglas, Quarzgut, Bor-Silikat-Glas und ähnlichem bestehen kann. Auf dem Substrat 30 befindet sich eine trans­ parente, leitende Oxidschicht 32, auf der die transparente Cermet-Schicht 34 mit einem Metall hoher Austrittsarbeit liegt. Auf diese wird dann eine hydrierte, amorphe Siliziumschicht 36 so niedergeschlagen, daß sie mit der Cermet-Schicht 34 eine Schottky-Sperrschicht bildet. In der hydrierten, amorphen Siliziumschicht 36 folgen aufeinander eine eigen­ leitende bzw. isolierende, hydrierte, amorphe Siliziumzone 36b und eine N-leitende, hydrierte, amorphe Siliziumzone 36a. Auf der Rückseite der Siliziumschicht 36 bzw. auf de­ ren N-leitenden Zone 36a liegt eine einen ohmschen Kontakt bildende Schicht 38.
Die invertierte Struktur der Solarzelle 21 führt dazu, daß dieses Bauelement unempfindlicher gegenüber Umgebungsein­ flüssen von Temperatur und Wetter ist, weil sie durch das transparente Substrat 20 geschützt wird.
Auf Bauelemente aus hydriertem, amorphem Silizium können die transparenten Cermets hoher Austrittsarbeit auf bekann­ te Weise aufgebracht werden (vgl. Appl. Phys. Solid States Science, Band 6, Academic Press, Inc., 1976, S. 407 ff). Solarzellen mit bzw. aus amorphem Silizium können ebenfalls auf bekann­ te Weise hergestellt werden (vgl. die bereits genannte US-PS 40 64 521).
Beispiel
Ein Floatglas-Substrat wird in einer Reinigungsmittel-Lö­ sung und in einem Ultraschall-Bad gewaschen, dann unter Wasser abgespült und bei etwa 100°C in staubfreier heißer Luft getrocknet. Auf das Glas-Substrat wird eine transpa­ rente, leitende Oxidschicht, z. B. Indium-Zinn-Oxid, durch Hochfrequenz- oder Magnetron-Zerstäuben bis zu einem Wider­ stand von nicht weniger als 10 Ohm/Quadrat abgeschieden. Der Hochfrequenz-Generator kann mit einer Frequenz von etwa 15,6 MHz betrieben werden. Die zu besprühenden Scheiben (Targets) sind Platten von etwa 14,6 cm Durchmesser. An­ schließend wird eine Glimmer-Maske hergestellt und mit die­ ser der schmale Rand um das Substrat herum abgedeckt, um dort das Abscheiden der nachfolgend aufzubringenden Filme auf dem Indium-Zinn-Oxid zu verhindern und um Platz zum Anbringen eines Drahts oder eines anderen Mittels zum Ab­ leiten des Stroms freizuhalten. Auf dem Indium-Zinn-Oxid wird durch Hochfrequenz-Zerstäuben eine dünne Schicht von etwa 10 nm aus PtSiO2-Cermet mit einem Platinanteil von etwa 25 bis etwa 45 Vol.-% der gesamten Cermet-Menge abge­ schieden. Das System wird auf etwa 5 bis 6 × 10-5 Pa evakuiert, das Substrat wird auf etwa 230°C er­ wärmt, und Argon-Gas wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 sccm in das System eingegeben. Der Argon-Gasstrom wird aufrechterhalten, so daß sich im Zerstäubungsraum ein Argon-Druck von etwa 600 bis 700 Pa einstellt.
Das Target wird zunächst während etwa 15 Minuten vorge­ sprüht, während das Substrat mit einer Blende abgedeckt ist. Anschließend wird nach Öffnen der Blende das Sprühen während etwa 1,2 Minuten fortgesetzt, so daß sich eine Pla­ tin-Keramik-Schicht von etwa 8 nm Dicke abscheidet. Bei dem Systemdruck von etwa 6 bis 7 × 10-5 Pa wird das Sub­ strat dann weiter auf etwa 330°C erhitzt und die in ge­ wünschter Weise dotierten Schichten aus amorphem Silizium gemäß US-PS 40 64 521 aufgebracht; anstelle einer Gleich­ strom-Glimmentladung wird jedoch eine kapazitive Hochfre­ quenz-Entladung angewendet. Dann wird eine eigenleitende Schicht aus hydriertem, amorphem Silizium während einer Zeitdauer von etwa 11 Minuten mit einer Dicke von etwa 500 nm niedergeschlagen. Das N-leitende, hydrierte, amorphe Silizium wird auf dem eigenleitenden, amorphen Silizium bis zu einer Dicke von etwa 90 nm in etwa 2 Minuten nieder­ geschlagen. Nach dem Bilden des N-leitenden, hydrierten, amorphen Siliziums wird die Glimmer-Maske abgenommen und eine kleinere Maske auf das hydrierte, amorphe Silizium gesetzt. Schließlich wird Aluminium während einer Zeitdau­ er von etwa 30 Minuten bis zu einer Schichtdicke von etwa 500 nm aufgebracht; an der Aluminiumschicht wird ein Draht befestigt.
Zum Abscheiden der Schichten aus amorphem Silizium wurde ein SiH4-Strom von 20 sccm verwendet. Zum N-Dotieren der N-leitenden Silizium-Zone wurde dem Silan 0,1% PH3 hinzu­ gefügt. Der Gesamtdruck der Gase während des Abscheidens der Schichten aus amorphem Silizium betrug etwa 2,5 bis 3 Pa.

Claims (9)

1. Solarzelle mit einem Körper aus hydriertem, amorphem Silizium, die auf der zu bestrahlenden Fläche mit Hil­ fe einer eine Schottky-Sperrschicht bildenden Metall­ schicht kontaktiert ist, die auf der der zu bestrahlenden Fläche gegenüberliegenden Seite des Körpers ohmisch kontaktiert ist, gekennzeichnet durch eine ein Metall hoher Austrittsarbeit enthaltende transparente Cermet-Schicht (18, 34) als Material der eine Schottky-Sperrschicht bildenden Metallschicht.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Cermet (18, 34) der allgemeinen Formel MxJ1-x′in der M ein Metall hoher Austrittsarbeit, J ein Isola­ tor und x ein Wert zwischen etwa 0,10 und etwa 0,85 ist.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Metall hoher Austrittsarbeit Platin, Iri­ dium, Palladium, Rhenium oder Rhodium ist.
4. Solarzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolator SiO2, Al2O3, Si3N4, BN, MgO, TiO2, ZrO2, Siliziumoxinitrid oder Keramiken mit einem Bandabstand von mehr als etwa 4,0 eV vorgesehen sind.
5. Solarzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Cermet (18, 34) mit einer Schichtdicke von etwa 2 bis 20 nm vor­ liegt.
6. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von x zwischen etwa 0,25 und etwa 0,40 liegt.
7. Solarzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Cermet (18, 34) etwa 10 nm dick ist.
8. Solarzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus hy­ driertem, amorphem Silizium durch Glimmentladung einer Silizium enthaltenden Verbindung hergestellt ist.
9. Solarzelle nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Silan als Silizium enthaltende Verbindung.
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