DE3033203A1 - Photoelement - Google Patents

Photoelement

Info

Publication number
DE3033203A1
DE3033203A1 DE19803033203 DE3033203A DE3033203A1 DE 3033203 A1 DE3033203 A1 DE 3033203A1 DE 19803033203 DE19803033203 DE 19803033203 DE 3033203 A DE3033203 A DE 3033203A DE 3033203 A1 DE3033203 A1 DE 3033203A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
semiconductor material
conductive semiconductor
photo element
ing
element according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19803033203
Other languages
English (en)
Inventor
Paolo Roma Alessandrini
Lucio de Palombara Sabina Roma Angelis
Fabrizio Galluzzi
Francesco Losciale
Ernesto Roma Scafe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eni SpA
Original Assignee
Eni SpA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eni SpA filed Critical Eni SpA
Publication of DE3033203A1 publication Critical patent/DE3033203A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/074—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a heterojunction with an element of Group IV of the Periodic Table, e.g. ITO/Si, GaAs/Si or CdTe/Si solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1828—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, CdTe
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/543—Solar cells from Group II-VI materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/006—Apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/064—Gp II-VI compounds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/072—Heterojunctions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/169—Vacuum deposition, e.g. including molecular beam epitaxy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

PATENTANWÄLTE
WUESTHOFF - ν. PECHMANN - BEHRENS - GOETZ
professional representatives bepore the european patent office agrees pres l'office europeen des brevets
DR. ING. FFAN": TrESTHOFF FlR. PHIL. FRjElAA "»UESTHOFF (1927-1956) DIPL.-ING. GERHARD PULS (19J2-I971) DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DIPL.-TTIRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ
1A-53 921
D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2 telefon: (089) 6620 ji
TELEGRAMM: PROTECTPATENT
Telex: j24070
Patentanmeldung
Anmelder: E.N.I. ENTE NAZIONALE IDROCARBURI
Piazzale E.Mattel 1, Rom, Italien
Titel:
Photoelement
130012/0850
DR.. ING. FT W TrESTHOFF
PATENTANWÄLTE , Λ
DR. PHIL. FR<£L/A ■» UESTHOFF (ΐ$ζγ-1;><6)
WUESTHOFF-v. PECHMANN-BEHRENS-GOET2
DIP1..ING.CEil„ARD PULS (W
DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE DR.-ING. DIETER BEHRENS
MANDATAIRES AGREES PRES l'oFFICE EUROPEEN DES BREVETS DIPL.-ING.; DIPL1-HTIRTSCh1-JNG. RUPERT GOETZ
-f» D-8000 MÜNCHEN 90
SCHWEIGERSTRASSE 2
telefon: (089) 66 20 ji telegramm: protectpatent telex: 524070
53 921
B e s chreibung
Photoelement
Die Erfindung betrifft Photoelemente bzw. Sperrschichtphotozellen. Eines der den größten Erfolg versprechenden Verfahren zum Aufbau von Sonnenzellen für Benutzung auf der Erde besteht darin, zwei Halbleiter unterschiedlicher chemischer Struktur in innige Berührung miteinander zu bringen. Im allgemeinen wird davon ausgegangen, daß die beiden eine solche verschiedenartige Übergangszone bildenden Materialien, um gute elektrische und photovoltaische Leistung zu zeigen, insgesamt einen Kristallaufbau haben sollten, dessen Gitterparameter sehr nahe beieinander liegen, um die Defektstellendichte an der Grenzfläche auf ein Minimum zu reduzieren.
Hierfür sind bereits Vorrichtungen konstruiert worden, beispielsweise mit n-CdS/p-InP (S. Wagner, J.L. Shay, K.T. Bachmann, E. Buchler, Appl.Phys. Lett. 26,229 (1975) und n-CdS/p-CuInSe2 (S. Wagner, J.L. Shay, P. Migliorato und H.M. Kasper, Appl. Phys. Lett. 25,4-34 (1971O, bei denen die Gitterparameter der verwendeten Materialien sich um weniger als 1 % voneinander unterscheiden und deren Wirkungsgrad bei der Sonnenenergieumwandlung 12 % oder mehr beträgt (bei Bedingungen AMl oder AM2 der Sonnenbestrahlung). Im Gegensatz
130012/0850
53 921
-T-
dazu werden bei Bauelementen aus heterogenen Halbleitermaterialien, deren Gitterparameter sich beträchtlich voneinander unterscheiden, im allgemeinen Wirkungsgrade der Sonnenenergieumwandlung von weniger als 9-10 % erhalten.
Bei einem Bauelement aus heterogenen Materialien, welches aus n-CdS auf p-Si besteht, deren Gitterparameter einen Unterschied ' von 7 % ausmachen, liegen die besten bekannt gewordenen Wirkungsgrade der Sonnenenergieumwandlung zwischen 5)5 %{E. Okimura
und B. Kondo, Jap. J. Appl. Phys. 9, 274 (197O)) und 7 %
(F.M. Livingstone, W.M. Tsang, A.J. Barlow, R.M. De La Rue und W. Duncan, J. Phys. D, 10, 1959 (1977)). In beiden Fällen beziehen sich die Ergebnisse auf Vorrichtungen mit außerordentlieh kleiner Fläche von 1 mm oder weniger.
Überraschend ist nun festgestellt worden, und darauf ist die
vorliegende Erfindung gerichtet, daß es möglich ist, n-CdS/p-Si-Heteroübergangszonen von hohem Wirkungsgrad der Sonnenenergieumwandlung (^, 10 %) an Einrichtungen mit großer Fläche
(größer als 1,5 cm ) trotz eines beträchtlichen Unterschiedes von mehr als 5 % t>ei den Gitterkonstanten der beiden Materialien zu schaffen.
Für Lösungen der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe
wird auf die Ansprüche hingewiesen.
Die Erfindung schafft Photoelemente von neuartiger Auslegung, bei denen die beiden Halbleiter Gitterparameter haben, welche sich um mehr als 5 % unterscheiden. Das n- leitfähige Halbleitermaterial besteht aus Cadmiumsulfid von hoher Leitfähigkeit, welches zu einem Prozentsatz von mehr als 1 % mit
Indium dotiert ist, während das p-leitfähige Halbleitermaterial aus Silicium besteht. Die aktive Oberfläche derartiger Sperr-
schichtphotozellen bzw. Photoelemente beträgt 1,5 cm oder
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen auch in
130012/0850
53 921
ihrem Herstellungsverfahren näher erläutert. Es zeigt:
zum Aufdampfen/ Fig. 1 eine Ansicht einer VorrichtungYfür
CdS-Schichten eines Photoelements gemäß der Erfindung;
Fig. 2 Draufsichten auf die Vorrichtung gemäß Fig. Ij
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Aufdampfvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 4 Draufsichten ähnlich Fig. 2 auf die Vorrichtung gemäß Fig. 3»
Fig. 5 verschiedene Detailansichten der Vorrichtung gemäß Fig. 3»
Fig. 6 eine graphische Darstellung der photovoltaischen Merkmale von zwei erfindungsgemäßen Photoelementen;
Fig. 7 eine graphische Darstellung typischer Strom-Spannung-Kurveni
Fig. 8 eine graphische Darstellung der photovolta.ischen Spektralempfindlichkeit, derselben Photoelemente, für die die Kurven gemäß Fig. 6 gelten.
In Photoelementen gemäß der Erfindung besteht das n-leitfähige Halbleitermaterial aus Cadmiumsulfid mit einer Leitfähigkeit von 1OJL~ cm" oder m<
Anteil von mehr als 1 % enthält.
fähigkeit von 1OJL~ cm" oder mehr, welches Indium in einem
Das p-leitfähige Halbleitermaterial besteht aus Silicium, dessen spezifischer Widerstand zwischen 100 und 0,OlXlcm schwankt, und zwar entweder für das monokristalline oder für das polykristalline Material. Die besten Ergebnisse werden bei Verwendung von Silicium mit einem spezifischen Widerstand zwischen 10 und 0,lJlcm erhalten.
Auf der Siliciumoberflache, auf der das Cadmiumsulfid niedergeschlagen ist, kann eine Isolierschicht, z.B. aus SiOx in einer Dicke von höchstens 2 nm (20Angström) vorgesehen sein. Insbesondere hat sich gezeigt, daß n-CdS/p-Si-Heteroüber-
130012/0850
53 921
gangszonen, die durch Aufdämpfung von mit Indium dotiertem CdS auf Silicium in Einkristallform hergestellt sind, eine gleichmäßige Quantenausbeute von ca. 75-80 % bei Wellenlängen zwischen 0,6 und 1 /üm, eine Kurzschlußstromdichte von 25-30 mA/cm unter AMl-Bedingungen der Sonnenbestrahlung und Leerlaufspannungen zwischen 480 und 570 mV sowie Füllfaktoren von 0,60 - 0,70 haben. Wirkungsgrade der Sonnenenergieumwandlung von 10 % sind mit Prototypen erzielt worden, deren Nutzfläche 1,5 cm (Nettofläche des Frontkontaktes) betrug, während Wirkungsgrade von 13 % und mehr mit optimierten Photoelementen erzielbar sind.
Die obengenannten Merkmale gelten für Photoelemente ohne nichtreflektierenden Überzug. Die CdS-Schichten selbst haben nämlich nichtreflektierende Eigenschaften, wobei das durchschnittliche Reflexionsvermögen von Silicium im Fall von dicken CdS-Schichten von 30 % - 35 % auf ca. 15 % und im Fall sehr dünner Schichten (Dicke von weniger als lOOnm (1000 Angström)) auf ca. 15 % absinkt. Wie anhand wiederholter Wärmezyklen zwischen 400 und 100 K, die an experimentellen Prototypen durchgeführt wurden, nachgewiesen werden konnte, haben die hier beschriebenen Photoelemente beträchtliches Adhäsionsvermögen und WärmeStabilität.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird die CdS-Schicht auf polykristallinen Substraten aus p-leitfähigem Silicium aufgewachsen. An Laborprototypen sind Wirkungsgrade von ca. 6 % erzielt worden, während mit optimierten Photoelementen Wirkungsgrade von mehr als 10 % erreichbar sind.
An experimentellen Prototypen, die in der oben beschriebenen Weise aufgebaut waren, wurden die elektrischen und photovoltaischen Eigenschaften des Photoelements gemessen. Übergänge
mit einer Fläche von 2 cm haben im Dunkeln und bei Umgebungstemperatur gleichrichtende elektrische Eigenschaften mit einem Diodenqualitätsfaktor zwischen 1,1 und 1,4, einem Durchlaßwiderstand zwischen 0,5 und 5-TL sowie einen Sperrwiderstand zwischen 10^ und 10 XI.
130012/0850
53 921
In Fig. 7 ist eine typische Strom-Spannung-Kurve für eine
2
Heteroubergangszone von 2 cm in Form von p-dotiertem, monokristallinem Silicium in einer Dicke von 300 /im und mit einem spezifischen Widerstand von 1,10" -Π-cm ohne Belichtung und bei einer Temperatur von 300 K gezeigt. Bei Betrieb
_Zj, in Durchlaßrichtung mit einem Strom von mehr als 10 A, wird eine exponentielle charakteristische Kurve erhalten, die einen Qualitätsfaktor von 1,35 und einen Heihenwiderstand von 1,4-Π-zeigt (Kurve 31). Bei Betrieb in Sperrichtung (Kurve 32) zeigt sich ein Sättigungsstrom von ca. 4,10" A und ein Sperrwiderstand von ca. 1,7 * 10^-Π-*
Die Kapazität der Photoelemente entspricht dem üblichen Verhältnis bei Stufenübergängen, wobei der Kehrwert des Quadrates der Kapazität proportional ist zur angelegten Spannung (bei Betrieb in Sperrichtung), und die gemessenen Werte einer Verunreinigungskonzentration im p-Bereich von 10 bis 10 cm"-^ entsprechen, was mit dem spezifischen Widerstand des verwendeten Siliciums ausgezeichnet übereinstimmt.
Wenn die Übergänge durch die CdS-Schicht von einer Lichtquelle in Form einer Quarz-Jod-Lampe beleuchtet werden, die so filtert, daß sie das Sonnenspektrum simuliert und eine Lichtleistung von
2 2
100 mW/cm hat, werden an einer Wirkfläche von 1,5 cm Leerlaufspannungen zwischen 480 und 570 mV und.Kurzschlußstromdichten zwischen 35 und 4>v/^obachtet, ohne daß weitere nichtreflektierende Schichten auf dem Cadmiumsulfid vorgesehen waren oder der Gitterkontakt optimiert war.
Fig. 6 zeigt die photovoltaigchen Kurven für zwei experimen-
2 teile Photoelemente mit einer aktiven Fläche von 1,5 cm , die aus n-CdS (Dicke 3*3 fi^t spezifischer Widerstand 6 · 10 auf monokristallinem p-Si (Dicke 300/um, spezifischer Widerstand 10-ft-cm) (Kurve 29) bzw. aus n-CdS (Dicke ca. 2/um, spezifischer Widerstand ca. 0,l-*i.cm) auf polykristallinem p-Si in Form von "SILSO" der Firma Wacker (Dicke 400/um, spezifischer Widerstand 5-ftcni) (Kurve 30) bestanden.
130012/0850
53 921
-S-
Das erste Photoelement zeigt eine Leerlaufspannung von 495 mV, eine Kurzschlußstromdichte von 30»5 mA/cm und einen Füllfaktor von 0,54 entsprechend einem Wirkungsgrad der Sonnenenergieumwandlung (bei AMl-Bedingungen der Sonnenbestrahlung) von 9»6 %.
Das zweite Photoelement hat eine Leerlaufspannung von 480 mV, eine Kurzschlußstromdichte von 24 mA/cm und einen Püllfaktor von 0,50 bei einem Wirkungsgrad der Sonnenenergieumwandlung von 5,7 %.
Die photovoltaische. Spektralempfindlichkeit für die gleichen Photoelemente, die der Fig. 6 zugrunde gelegt wurden, ist in Fig. 8 gezeigt, bei der auf der Ordinate die absolute Quantenausbeute des Kurzschlußstroms und auf der Abszisse die Wellenlänge der Lichtstrahlung eingetragen ist, die durch die CdS-Schicht auf den übergang trifft. Es zeigt sich, daß bei Wellenlängen von weniger als 500 nm die Empfindlichkeit vernachlässigbar gering ist,weil das Licht von der Oberflächenschicht aus Cadmiumsulfid absorbiert wird und den übergang nicht erreicht. Oberhalb von 530 nm nimmt die Empfindlichkeit rasch zu und bleibt von ca. 65O nm bis ca. 930 nm praktisch eben um einen Quantenausbeutenwert von ca. 80 % herum. Ab 930 nm nimmt die Quantenausbeute beträchtlich ab und verschwindet bei ca. 1100 nm entsprechend der Energie des für Silicium nicht zulässigen Bandes.
Die Schwankungen in der Kurve der Spektralempfindlichkeit gemäß Fig. 8 beruhen auf der^erferen^Kdie die dünne CdS-Schicht (Dicke 3,3/Um) hervorruft.
Photoelemente, die die obengenannten Eigenschaften haben,lassen sich gemäß zahlreicher Verfahren herstellen, von denen nachfolgend die Verfahren zum Herstellen eines Photoelements durch Aufwachsen eines mit Indium η-dotierten Cadmiumsulfids im Vakuum auf monokristallinem oder polykristallinem, p-dotiertem Silicium in Form von 11SILSO" der Firma Wacker beschrieben werden sollen«
130012/0850
53 921
SiI ic ium "behandlung
Das Siliciumsubstrat wird zunächst chemisch behandelt (HFrHNO,,), und danach wird eine Schicht aus Aluminium im Vakuum auf die nichtpolierte Oberfläche aufgedampft. Das Aluminium diffundiert bei einer Temperatur von ca. 650 C in reduzierender Atmosphäre in das Silicium.
Photoresistschicht Nachdem der dabei erhaltene ohmsche Kontakt mit einermichtelektrischen Widerstandsschicht der Firma Kodak) geschützt worden ist, wird das Siliciumplättchen erneut mit HFrH2O behandelt. Nach dem Entfernen der lichtelektrischen Widerstandsschicht wird das Plättchen gewaschen und getrocknet und dann in die Vakuumeinrichtung gegeben. Der ohmsche Kontakt kann auch durch Aufdampfen von Gold auf die Siliciumoberfläche, die zuvor mit HFrHNO- oder HFrHpO behandelt wurde, hergestellt werden. In diesem Fall reicht es, die Oxidschicht vor dem Einführen der Siliciumchips in die Vakuumeinrichtung mit HFrHgO zu entfernen.
„ . , . Aufwachsen _,„
Vorrichtung zum von CdS
Das CdS-Wachstum erfolgt im Vakuum hauptsächlich gemäß zwei Verfahren, von denen eins dem von N. Borneo et al. in "Thin Solid Films" L15-L17 h-3 (1977) ähnelt. Es besteht im wesentlichen aus drei Quellen zum u wac sf8n indiumdotiertem Cadmiumsulfid im Vakuum direkt aus den Elementen.. Das andere Verfahren basiert auf dem Aufdampfen von Cadmiumsulfid aus in einem Tiegel angeordnetem pulverförmigem CdS und metallischen Indiums aus einem zweiten Tiegel.
Die vorgenommenen Abwandlungen betreffen die Arten der benutzten Quellen, deren Temperatursteuerung, die Steuerung der
Aufdampfgeschwindigkeit sowie die Bestatmosphäre in der Wachtumsumgebung.
Die bei beiden Vorrichtungen verwendete Vakuumeinrichtung ist von herkömmlicher Bauart.
130012/0850
33 921
-Al-
In einer Glocke ist die Aufdampfungseinrichtung angeordnet, ferner ist eine Falle für Flüssigstickstoff oder eine 01-dampf-Diffusionspumpe, eine Falle für aktiviertes Aluminiumoxid und eine mechanische Rotationspumpe vorgesehen. Die Vakuumeinrichtungen sind mit einer Automatik ausgerüstet, die es ermöglicht, die Fallen ständig mit flüssigem Stickstoff gefüllt zu halten.
Der Betriebsdruck "beider Anlagen liegt zwischen 5*10" und 1*10"' Torr.
In den Figuren 1 und 2 ist die schon erwähnte Glocke 1 von einer Kühlschlange 2 umgeben, in der Wasser zirkuliert, um die Temperatur der Glocke während des Wachstums der CdS-Schichten niedrigzuhalten, so daß der "beim Aufwachsen vorhander Dampf an den Wänden kondensiert wird.
Da es bei den Fig» 3» ^ und 5 gezeigten anderen Anlagen (gleichzeitige Aufdampfung der Elemente) nicht möglich ist, wegen der Anwesenheit von Schwefel das ganze System zu entgasen, ist hier im Innern einer Glocke 4 eine Kammer 3 gebildet, die mittels einer Kühlschlange 5 gekühlt wird, durch die flüssiger Stickstoff strömt. Mit dieser Neuerung kann der Schwefel beim Schichtwachstum besser gesteuert werden, was für die endgültigen Eigenschaften der CdS + Indium-Halbleiterschicht von größter Wichtigkeit ist. Innerhalb der Kammer 3 sind die Quellen 6, 7 und 8 für die Elemente angeordnet.
Ein in Fig. 1 bis 4 gezeigter piezoelektrischer Quarz 11 dient zum Messen der Dicke der wachsenden Schichten und der Aufdampfgeschwindigkeit. Die endgültigen Ablesewerte werden nachträglich mittels optischer Verfahren überprüft ./bie Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Quarzes wird mit Hilfe eines Frequenzmessers abgelesen, der an ein automatisches Datensammelsystem angeschlossen ist. Auf diese Weise kann sowohl die Absorptions- als auch die Desorptionsgeschwindigkeit auf dem Meßinstrument abgelesen werden.
130012/0850
921
Diese Möglichkeit, den Gesamtfluß der die Oberfläche erreichenden Moleküle (abgesehen vom Klebekoeffizienten) auszuwerten, ist von besonderer Wichtigkeit für das Überwachen der Schwefelverdampfungsgeschwindigkeit beim Aufwachsen von Cadmiumsulfid aus seinen Bestandteilen und für die Steuerung der Verdampfungsgeschwindigkeiten, die für das Dotiermittel angewendet werden (V^. O, OOlnm/s (0,01 A/sec.)).
Besondere Aufmerksamkeit wurde der Herstellung der Quellen und der Probenhalter (Fig. 5) gewidmet. Die Tiegel für die Indiumquelle 8, die Cadmiumquelle 6 und das pulverförmige Cadmiumsulfid 22 bestehen aus Quarz 12. Die zum Erzielen der nötigen Temperaturen benutzten Heizvorrichtungen bestehen aus Tantaldraht 23, der / Quarzrohre 2*4- isoliert und längs der Höhe des Tiegels angeordnet ist. Die Tiegel sind außerdem mit Tantal verkleidet, einem Stoff, der nicht nur eine mechanische Funktion hat sondern auch dazu dient, Wärmeverluste durch Abstrahlung zu verringern. Im Fall von Quellen, die bei niedriger Temperatur arbeiten (Schwefel 7), wird als Material Aluminium 27 verwendet.
Alle Tiegel sind in ihrer Lage 28 einstellbar, damit der Dampf
Probe
aller Elemente in dem von der eingenommenen Bereich konzentriert werden kann. Die Einrichtung weist außerdem ein Verschlußelement 14 auf, mit dessen Hilfe die Stabilisierung der Auf dampf geschwindigkeiten der einzelnen Tiegel geprüft werden kann, ohne daß Substanzen zu den Substraten gelangen. Eine im Innern vorgesehene Abschirmung 26 dient zur Eindämmung der gegenseitigen Beeinflußung der Tiegel. Die Probenhalter 15, 16 (siehe Fig. 5), die gleichfalls für eine Temperatursteuerung innerhalb von 0,1° C geeignet sind, bestehen aus zwei Aluminiumplatten 17j zwischen denen ein Heizelement 18 angeordnet ist. Substrate 19 werden mit dem Probehalter in thermische Berührung gebracht. Hierzu dienen Masken 20, die gleichfalls die Aufgabe haben, die
2 Wachstumszone der CdS-Schicht auf ca. 2-3 cm zu begrenzen.
130012/0850
53 921
Nachfolgend werden verschiedene Wachstumsverfahren beschrieben.
Auf dampf ung aus Pulver
Das hochreine CdS-Pulver wird in einem Ofen zwei Stunden lang auf 120° C erhitzt, ehe es in den entsprechenden Tiegel 22 gefüllt wird. Das Indium (6N) wird zunächst mit Tetrachlorkohlenstoff entfettet, dann mit 1:1 HCl oder mit 1:1 HNO- behandelt und schließlich mit entionisiertem Wasser und Isopropanol von elektronischer Qualität gewaschen.
Nach dem Auspumpen der Anlage auf einen Druck von ca. 10" Torr erfolgt eine Entgasung, wobei die Temperatur des Substrats 19 auf ca. 300° C und die der beiden Quellen 22 und 23 auf 500° C angehoben wird. Durch das Bestrahlen der Quellen wird auch die Glocke 1 erwärmt, so daß sich ihre Temperatur auf ca. 100 C erhöht. Wenn ein Druck von ca. 2·10 Torr erreicht ist, wird der Kühlschlange 2 für die Glocke Wasser zugeführt. In diesem Zeitpunkt wird die Temperatur der CdS-Quelle 22 allmählich weiter erhöht, bis die nötige Aufdampfgeschwindigkeit erreicht ist, was durch Drehen des Verschlußelements Ik gemäß Fig. 2 überprüft wird, mit dessen Hilfe der piezoelektrische Quarz nur kurzfristig abgedeckt wird.
Danach wird die Temperatur der Indiumquelle 23 auf dem nötigen Wert festge;
festgelegt.
Wert festgesetzt und die Temperatur des Substrats 19 bei 210° C
Die Aufdampfgeschwindigkeit des Cadmiumsulfids wird innerhalb eines Bereichs von 0,2 - 0,6 nm/s (2 bis 6 A/sec) gewählt, während die des Indiums so gewählt wird, daß sie mehr als 1 /ί über der des anderen Stoffs liegt.
Bei Beendigung der genannten Vorgänge wird das Verschlußelement 1*J- geöffnet auf dem "p"-Siliciumsubstrat 19 »n"-CdS-Schicht in einer Dicke von 2-10/umUfgewaChseWenn die nötige Dicke erreicht ist, wird das Verschlußelement 14 ge-
130012/0850
53 921
schlossen und die Beheizung der Quellen abgeschaltet. Das Substrat wird mit einer Geschwindigkeit von 1 C/min auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Nach dem Füllen mit Argon wird die Glocke geöffnet und die Probe bzw. das Muster entnommen.
Auf'dämpfung aus den Elementen
Cadmium (^N5) und Indium (6N), beides in Tropfenform wird mit Tetrachlorkohlenstoff entfettet und dann mit 1:1 HNO„ oder 1:1 HCl behandelt. Anschließend erfolgt eine Waschung mit entionisiertem Wasser und Isopropanol von elektronischer Qualität.
Der Schwefel (5N) wird einfach in einem Achatmörser zerstoßen und in einen Tiegel gefüllt.
Nach dem Auspumpen der Glocke bis auf einen Druck von 10" Torr werden die Elemente in Argonatmosphäre (500 Torr) vorgeschmolzen, wobei die Si
gehalten werden.
zen, wobei die Substrate auf einer Temperatur von ca. 300° C
Nach dem Abkühlen läßt man das System über Nacht stehen, wobei gepumpt wird. Ehe das Wachstum beginnt, wird die die entsprechenden Tiegel 6, 7 und 8 für die Elemente enthaltende Kammer 3 dadurch abgekühlt, daß man flüssigen Stickstoff "durch die Kühlschlange 5 fließen läßt. Wenn die Kammer 3 Gleichgewichtstemperatur erreicht hat (ca. -180° C) und der Bestdruck sich bei
ca. 5*10" Torr stabilisiert hat, wird mit dem Erwärmen des Indium-, Schwefel- und Cadmiumtiegels in dieser Reihenfolge begonnen. Die Quellen werden auf die entsprechenden Temperaturen erhitzt, bei denen die benötigten Aufdampf geschwindigkeiten erzielt werden. Diese Auf dampf geschwindigkeiten stellen einen Kompromiß zwischen der Dauer des Wachstumsprozesses, dem Eestdruck und der Morphologie der Schicht dar. Im vorliegenden Fall sind sie auf einen Bereich von 0,2 bis 0,6 nm/s
(2-6 A/sec) festgelegt (sowohl für Schwefel als auch für Cadmium). Auf diese Weise kann in etwa 3-4 Stunden eine Schicht
130012/0850
53 921
in einer Dicke zwischen 2 und 10 pm gezogen werden. Um bei den angegebenen Werten diese Geschwindigkeiten zu erzielen, werden folgende Temperaturen angewendet: für Schwefel 90-120° C
für Cadmium 220-350° C
für Indium 65O-85O0 C
Für das Indium wird die Rate auf mehr als 1 ^ der Summe der Raten für Schwefel und Cadmium festgesetzt.
Wenn dann die Stabilität der genannten Geschwindigkeiten überprüft worden ist, wird die Temperatur der Substrate von 3OO C auf 210° C abgesenkt und mit dem Schichtwachstum durch Öffnen des Verschlußelements l*l· begonnen.
Während des Wachstums wird die Aufdampfgeschwindigkeit, der Schwefelteildruck (mit einem Massenspektrometer 21) und der spezifische Widerstand der gleichzeitig auf einen in der Nähe des Siliciums angeordneten Quarzsubstrat l6 wachsenden Schicht (Fig. 4) überwacht. Wenn die gewählte Dicke (2-10 xm) erreicht ist, wird das Wachstum durch Schließen des Verschlußelements und Abkühlen der Quellen unterbrochen. Ehe die Glocke geöffnet wird, werden die Substrathalter allmählich (mit ca. 1° C/min) abgekühlt, um Schichtfrakturen zu vermeiden.
Frontalkontakt
Die frontale Kollektorelektrode (Gitter) wird unter Verwendung von Aluminium oder Indium (wobei Indium zuverlässige ohmsche Kontakte liefert, die im Verlauf der Zeit stabiler sind) im Vakuum auf den vorgefertigten Elementen angebracht, nachdem diese aus den jeweiligen Wachsturnssystemen entnommen worden sind.
Nachfolgend wird eine Liste der in den Figuren 1 bis 8 verwendeten Bezugszeichen mit den entsprechenden Bezeichnungen gegeben.
130012/0850
53 921
1 Stahlglooke
2 Kühlwasserströmungsschlange
3 mit Flüssigstickßtoff gekühlte Kammer k- Glocke aus Pyrex
5 FlüssigstickstoffStrömungsschlange 6, 7, 8 Tiegel für Cadmium, Schwefel bzw. Indium 9 Platinthermometer
10 Tiegelheizvorrichtungen
11 piezoelektrischer Quarz zur Messung der Schichtdicke
12 Quarztiegelbehälter
13 Tantalverkleidung
14 Verschlußelemente
15i l6 temperatürsteuerbare Probenhalter
17 Probenhalter-Aluminiumplatten
18 Probenhalter-Heizvorrichtung
19 absorbierendes Photozellensubstrat (monokristallines oder polykristallines Silicium)
20 Maske zur Begrenzung der Cadmiumsulfidschicht
21 Massenspektrometer zum Prüfen der Hestatmosphäre
22 Tiegel zum Verdampfen pulverförmigen Cadmiumsulfids
23 Tantaldraht für Heizvorrichtung
2k- Quarzröhren zum Isolieren der Tantaldrähte
25 Thermoelemente
26 Strahlungsabschirmung
27 Aluminiumbehalter für Cadmium- und Schwefeltiegel
28 Anordnung zur LagebeStimmung der Tiegel
29, 30 Empfindlichkeitskurve für direkte bzw. umgekehrte Photozellenbeleuchtung
130012/0850
eerse
ite

Claims (2)

  1. DR.-ING. FX\ri/ VUESTHOPF
    PATENTANWÄLTE DR iHIL. FIOt A v JESTHoff (1927-1956)
    WUESTHOFF-v. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ dipl-ing.gerhard puls (19,2-1*71)
    DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE DR.-ING. DIETER BEHRENS
    MANDATAIRES AGREES PRES l'oFFICE EUROPEEN DES BREVETS DIPL.-ING.; DIPL.--WIRTSCH.-ING. RUPERTG0ET2
    D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2
    telefon: (089) 66 20 Ji telegramm: protectpatent telex: j24 070
    Patentansprüche
    1
    Photoelement mit einem n-Leitfähigkeitsbereich aus Halbleitermaterial in inniger Berührung mit einem p-Leitfähigkeitsbereich aus Halbleitermaterial, von denen beide Bereiche mit leitenden Elektroden in Berührung stehen, dadurch gekennzeichnet , daß das n-leitfähige Halbleitermaterial und das p-leitfähige Halbleitermaterial Gitterparameter haben, die sich um mehr als 5 % voneinander unterscheiden.
  2. 2. Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das p-leitfähige Halbleitermaterial mono- und polykristallines Silicium ist, dessen spezifischer Widerstand zwischen 100 und 0,01 .TL cm, vorzugsweise zwischen 10 und 0,1 -Ω-cm liegt.
    3· Photoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das n-leitfähige
    Halbleitermaterial CdS' ist, dessen Leitfähigkeit IOIL cm"1 übersteigt.
    b. Photoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das n-leitfähige Halbleitermaterial Cadmiumsulfid ist, welches mehr als 1 % Indium enthält.
    T30012/0850
    53
    5. Photoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das n-leitfähige Halbleitermaterial durch gleichzeitiges Aufdampfen der Elemente Cd, S; worden ist.
    mente Cd, S, In auf Flächen von 1,5 cm oder größer gezogen
    6. Photoelement nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet , daß das n-leitfähige Halbleitermaterial durch gleichzeitiges Aufdampfen der Substan-
    2 zen CdS und In auf Flächen von 1,5 cm oder größer gezogen worden ist.
    130012/0850
DE19803033203 1979-09-10 1980-09-03 Photoelement Withdrawn DE3033203A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT25569/79A IT1163710B (it) 1979-09-10 1979-09-10 Celle fotovoltaiche

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE3033203A1 true DE3033203A1 (de) 1981-03-19

Family

ID=11217123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19803033203 Withdrawn DE3033203A1 (de) 1979-09-10 1980-09-03 Photoelement

Country Status (11)

Country Link
US (1) US4366337A (de)
JP (2) JPS5681980A (de)
AU (1) AU539090B2 (de)
BE (1) BE885167A (de)
CA (1) CA1168741A (de)
DE (1) DE3033203A1 (de)
DK (1) DK159349C (de)
FR (1) FR2465319A1 (de)
GB (1) GB2058452B (de)
IT (1) IT1163710B (de)
NL (1) NL8004990A (de)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009111054A1 (en) * 2008-03-05 2009-09-11 Global Solar Energy, Inc. Solution containment during buffer layer deposition
US9252318B2 (en) 2008-03-05 2016-02-02 Hanergy Hi-Tech Power (Hk) Limited Solution containment during buffer layer deposition
US8062922B2 (en) * 2008-03-05 2011-11-22 Global Solar Energy, Inc. Buffer layer deposition for thin-film solar cells
WO2009111052A1 (en) * 2008-03-05 2009-09-11 Global Solar Energy, Inc. Heating for buffer layer deposition
WO2009111055A1 (en) * 2008-03-05 2009-09-11 Global Solar Energy, Inc. Feedback for buffer layer deposition
US20160359070A1 (en) 2015-06-02 2016-12-08 International Business Machines Corporation Controllable indium doping for high efficiency czts thin-film solar cells

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3720125A (en) * 1971-08-02 1973-03-13 Whitney Corp W Adjustable stripper with stroke control
DE2214055A1 (de) * 1972-03-23 1973-09-27 Agfa Gevaert Ag Sensibilisierte elektrophotographische schichten

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
B.L. Sharma et. al.: "Semiconductor Heterofunctions", Pergamon, Oxford, 1974, S.49-52 *
B.O. Seraphin, "Solar Energy Conversion", Springer, Berlin, 1979, S.213-214 *
J. Crystal Growth, Bd.39, 1977, S.73-91 *
J. Phys. D.: Appl. Phys., Vol.10, 1977, S.1959-1963 *
Solid-State Electronics, Vol.8, 1965, S.831-833 *

Also Published As

Publication number Publication date
JPS5681980A (en) 1981-07-04
DK159349C (da) 1991-03-11
DK349780A (da) 1981-03-11
GB2058452B (en) 1983-10-05
AU6150380A (en) 1981-03-19
AU539090B2 (en) 1984-09-13
JPH02748U (de) 1990-01-05
CA1168741A (en) 1984-06-05
IT7925569A0 (it) 1979-09-10
NL8004990A (nl) 1981-03-12
BE885167A (fr) 1981-03-10
IT1163710B (it) 1987-04-08
US4366337A (en) 1982-12-28
DK159349B (da) 1990-10-01
GB2058452A (en) 1981-04-08
FR2465319A1 (fr) 1981-03-20
FR2465319B1 (de) 1985-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3317954C2 (de)
DE2940994C2 (de)
DE2925796C2 (de) Photoleitendes Material und photoleitender lichtempfindlicher Film
DE2654429C2 (de) Verfahren zum Herstellen eines Photoelements mit einem lichtempfindlichen halbleitenden Substrat aus der Legierung Cd&amp;darr;x&amp;darr;Hg&amp;darr;1&amp;darr;&amp;darr;-&amp;darr;&amp;darr;x&amp;darr;Te
DE2632987C2 (de) Fotovoltaisches Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
DE2943211C2 (de) Amorphe Halbleiter auf Silizium- und/oder Germaniumbasis, ihre Verwendung und ihre Herstellung durch Glimmentladung
DE2550933C2 (de) Halbleiterphotodiode für ein mit Wechselstrom betriebenes Lichtventil und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE1032404B (de) Verfahren zur Herstellung von Flaechenhalbleiterelementen mit p-n-Schichten
DE3317535A1 (de) Duennfilmtransistor
DE19912961A1 (de) Halbleiterdünnfilm, Herstellungsverfahren dafür, sowie den Halbleiterdünnfilm aufweisende Solarzelle
DE2713912A1 (de) Sperrschichtzelle sowie verfahren zu ihrer herstellung
DE2743141A1 (de) Amorphes silizium aufweisende bauelemente
DE102004062914A1 (de) Fotovoltaisches Umwandlungsbauteil und Verfahren zum Herstellen des Bauteils
DE102011056565A1 (de) Verfahren zum Bilden einer Cadmiumzinnoxid-Schicht und einer photovoltaischen Vorrichtung
DE1918556A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung
DE69431535T2 (de) Verfahren zur Herstellung von einer Chalcopyrit-Halbleiterdünnschichtstruktur mit einem spezifischen Dotiermaterial
DE69323884T2 (de) Elektrolumineszente Festkörpervorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE3015362C2 (de)
DE3135412C2 (de) Fotoempfindlicher amorpher Halbleiter auf Siliziumbasis sowie Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung desselben
DE3033203A1 (de) Photoelement
DE69231288T2 (de) Verfahren zur Herstellung einer Verbindungshalbleiter-Dünnschicht
DE2805582A1 (de) Direktbandabstands-halbleiterbauelement
DE3632210C2 (de)
DE2216720B2 (de) Festkörperbildspeicher und Verfahren zu seiner Herstellung
DE3810496A1 (de) Fotoelektrisches duennfilm-bauelement

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8125 Change of the main classification

Ipc: H01L 31/18

8130 Withdrawal