DE3047431A1

DE3047431A1 - Photozelle zur gewinnung von sonnenenergie

Info

Publication number: DE3047431A1
Application number: DE19803047431
Authority: DE
Inventors: Lewis M. 94706 Albany Calif. Fraas
Original assignee: Chevron Research and Technology Co; Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1979-12-31
Filing date: 1980-12-12
Publication date: 1981-08-27
Also published as: IL61616A0; IL61616A; JPS6359269B2; FR2472841B1; JPS56112764A; ES498204A0; ES8202987A1; CA1148639A; DE3047431C2; GB2067012A; NL187042B; AU6525280A; NL8007005A; AU540344B2; US4255211A; NL187042C; GB2067012B; FR2472841A1

Description

Anmelder;

Chevron Research Company San Francisco, CaI.94105 U.S.A.

Photozelle zur Gewinnung von Sonnenenergie

Die Erfindung betrifft die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mittels einer Sperrschicht-Photazelle gemäß Oberbegriff des Anspruches

Für die Umwandlung von solarer in elektrische Energie sind bisher verschiedene Arten von Sperrschicht-Photozellen

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entwickelt worden. Der Wirkungsgrad der bekannten Systeme ist jedoch klein. Bemühungen zur Verbesserung des Wirkungsgrades haben bisher zu Wandlern geführt, deren Kosten sehr hoch sind. Weiter sind Versuche bekannt, dadurch die Umwandlungskosten zu verringern und den Wirkungsgrad der Umwandlung zu erhöhen, daß unter Verwendung optischer Systeme die Sonnenenergie auf dia Wandler konzentriert wird. Mit solchen Einrichtungen kann zwar die Wirksamkeit der Umwandlung gesteigert werden. Kostenüberlegungen für die v/erschiedenBn Bestandteile eines Umwandlungssystems zeigen jedoch, daß zwar mit Lichtsammlern teurere Sperrschicht-Photozellen v/erwendet werden können, es jedoch wirtschaftliche Kostengrenzen auch für die Sammlereinrichtungen gibt. Weiter ergibt sich, wenn die Konzentration von Licht am Wandler intensiviert wird, die Notwendigkeit für die Ableitung der bei der Konzentration von Licht entwickelten Wärme, da der Wirkungsgrad mancher Wandler abfällt, wenn die Temperatur das Wandlers ansteigt.

Die vorstehenden Überlegungen führen zu dem Ergebnis, daS bei Verwendung von Sammlersystemen, die die Kosten der Energieumwandlung durch Erhöhung des Umwandlungswirkungsgrades verringern, der Schwerpunkt für Verbesserungen sich von den Kosten der Wandlerzelle nach dem Wirkungsgrad der Zelle verschiebt. Falls demnach der Wirkungsgrad der Zelle

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ausreichend groß gemacht werden kann, kann mit Hilfe eines Sammlersystemes Elektrizität billiger als mit der gleichen Auffangfläche einer billigeren Anordnung erzeugt worden.

Diese Überlegungen führen zur Betrachtung von gestapelten Hochleistungs-Solsrzellen mit mehreren Übergangsschichten, uobei jede Zelle auf ein anderes Energieband der Sonnenenergie anspricht und eine Sammeleinrichtung die Energie auf die Zelle konzentriert und die Zelle der Energiequelle nachführt. Ein Hauptsrfordarnis für den erfolgreichen Betrieb einer Stapel-Solarzelle mit mehreren Übergangsschichten besteht jedoch darin, daß die gestapelten Übergangsschichten in Reihe geschaltet liegen durch Grenzschichten geringen Widerstandes, so daß der durch Licht erzeugte Strom von einer Übergangsschicht nach der nächsten fließen kann.

Mehrschichten-Sperrschicht-Photozellen sind beraits als Mittel für die Umwandlung von Sonnen- in elektrische Energie vorgeschlagen uorden. Die Erfindung betrifft eine Flehrschichten-Sperrschicht-Photozelle, die aus Stapeln von Zellen mit homopolaren Übergangsschichten zusammengesetzt ist, uobei an der Grenzfläche einer kurzschließenden Übergpngsschicht zwischen den Schichten der Zelle eine Halbleiterschicht angeordnet ist.

Aus der US-PS 4 017 332 ist eine Mehrschichten-Sperrschichtzelle bekannt, bei der aufeinanderfolgende Halbleiter-

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schichten aus Materialien bestehen, die in verschiedenen Energiebandlücken ansprechen. In der noch der Erfindung ausgeführten Zelle sind mehrere Schichten so gewählt, da3 sie auf verschiedene Bandlücken ansprechen, und zuar alle im wesentlichen auf dem gleichen Stromniveau, uobei besonders vermieden uird, daß die Bandlücke für die Lichtanergie durch Schwankungen in der Feuchtigkeit und Luftmasse beeinflußt uird. Zwischen den Schichten ist jeweils eine dünne, Gitterangepaßte Zuischen-Tunnelschicht als Übergangszone mit geringer Bandlücke vorgesehen.

Die nach der Erfindung vorgesehene Sperrschicht-Photozelle unterscheidet sich von bekannten Zellen durch das spezifische Fehlen einer Übergangsschicht im Substrat, ferner dadurch, daß die Schichten der Zelle im Gitter an das Substrat angepaßt sind und homopolare Übergangsschichtan (homojunctions )enthalten. Ueiter ist vorgesehen, daß zwischen den Schichten der Zelle an der Grenzfläche der kurzschlisQanden Übergangsschicht eine Halbleiterschicht eingefügt wird, um die gewünschte elektrische Umwandlung mit entsprgchander Wirksamkeit zu verwirklichen.

Der Gedanke, für die Energieumwandlung einen sehr hohen Wirkungsgrad durch Verwendung optisch gestapelter Solarzellen mit verschiedenen Bandlücken zu verwenden, ist an sich bekannt. Es gibt auch Bestrebungen, einen solchen Stapel von Solarzellen monolithisch auf einem einzelnen

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Trägerplättchen herzustellen. Der Grunri liegt in der Raumfahrt-technischen Anwendung, da ein einzelnes Trägerplättchen leichter als ein Stapel mit mehreren Trägerplättchen ist. Für Anwendungen auf der Erde in Verbindung mit Sammlersystemen sind die Bestrebungen dadurch begründet, da3 ein einzelnes Trägerplättchen billiger, einfacher und leichter gekühlt werden kann als ein Stapel mit mehreren Trägerplättchen. Es gibt jedoch ernsthafte Schwierigkeiten für das Konzept und dia Herstellung won hochuirksamen Solarzellen, die als Stapel von mehreren Übergangsschichten monolithisch ausgebildet sind. Eine Hauptschuierigkeit liegt darin, da8 die verschiedenen Halbleiter-Materialien, die den Stapel bilden, nahezu Gitter-angepaßt sein sollen, so daß di<3 Vollständigkeit der Kristallstruktur erhalten bleibt. Weiter sollen, falls die lichtempfindlichen Übergänge in Reihe verbunden uerden sollen, die materiellen Bandlücken derart liegen, da3 der durch Licht erzeugte Strom angenähert gleichmäßig auf die Übsrgangszonen verteilt ist. Ein damit verbundenes Problem ist, daß die gewünschte Reihenverbindung der aktiven Übergangsschichten erreicht werden soll, ohne daß an den inaktiven Übergangsschichten in dem gestapelten Aufbau übermäßige Spannungsverluste auftreten.

Die Erfindung sieht deshalb vor, eine mehrere Übergangsschichten aufweisende Sperrschicht-Photozelle zu schaffen, die Schichtsn aus Indium-Gallium-Phosphid und Indium-Gallium-Arsenid auf einem Germanium-Substrat enthält. Die aufeinander-

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folgenden Schichten enthalten Übergangszonen in varschiedenen Adeorptionsbändern, uobei das Substrat und aufeinrnder folgende Schichten Gitter-angepaGt mit weniger als + 1 % Abueichung sind. An der Grenzfläche der Kurzschluß-Übergangszone zwischen den Schichten wird eine dünne, transparente Halbleiter-Schicht geringer Bandlücke eingefügt. Mit einem Sammler, einer äußeren Antireflex-Beschichtung und einem Oberseiten- und einem Bodenkontakt bildet eine solche Zelle ein wirksames Mittel zur Umwandlung von Sonnen- in elektrische Energie.

Die Erfindung betrifft demnach eine neue, hochwirksame, mehrere Übergangszonen aufweisende Sperrschicht-Solarzelle, die mit einer Sammellinse zusammen verwendet wird. Die Zelle hat ein einzelnes, elementares Kristall-Substrat ohne eine innere lichtempfindliche Übergangszone,und darauf sind zwei oder mehr aufeinander folgende, homogene Schichten aus HaIbleiter-flaterial angebracht, uobei in jeder Schicht tine lichtempfindliche p/n-Übergangszone mit gleicher Polarität enthalten ist, jede Schicht im wesentlichen die gleiche Gitterkonstante wie das Kristallsubstrat, jede Schicht einen Kurzschluß-Übergangszonen-Kontakt mit der unmittelbar riarüberliegenden und darunterliegenden Schicht aufweist, jede anschließende Schicht Lichtenergie mit einer kürzeren Wellenlänge absorbiert und jede Schicht eine ausreichende Dicke und entsprechende Zusammensatzung hat, um im wesentlichen

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den gleichen Strom wie die anderen Schichten zu entwickeln. An der Übergangszone zwischen aufeinanderfolgenden Schichten der Mehrschichten-Zalle uiird eine dünne, pseudo-transparente Halbleiterschicht geringer Bandlücke an der Kurzschluß-Übergangszonen-Grenzfläche vorgesehen. Die Außenflächen der obersten Schicht und des Substrats sind mit elektrischen Kontakten für die Ableitung des elektrischen Stromes v/ersehen. Der Oberseitenkontakt besteht im wesentlichen aus einer Schicht eines transparenten, leitenden Materials mit elektrischen Anschlüssen, und die gesamte Anordnung wird vervollständigt durch eins Antireflex-Beschichtung der Oberseite.

Ueitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Zelle mit zuei Übergangszonan gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittdarstellung der Übergangszone zwischen zwei Schichten der Zelle der Fig. 1 und

Fig. 3 ein Diagramm der Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung für einen Grenzbereich gemäß Fig. 2

Die verbindende Kurzschluß-Übergangszone nach Fig. 2, die

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elektrisch durch Fig. 3 gekennzeichnet ist, kann pls hoterapolare Tunnel-Übergangszone (tunneling heterojunction) bezeichnet uerden. Insbesondere ist die Grenzfläche won ρ+ GaInP nach n+ Ge eine heteropolare Tunnel-Übörg.'ngszonG.

Im US-Patent 4 017 332 ist eine Tunnel-Übergangszone beschrieben, die zum Homo-ÜbergRngszonen-Typ mit Materialien hoher Bandbreite gehört.

Die heteropolare Tunnel-Übergangszone ist vorteilh-ft, da durch die Tunnelanordnung der Strom souohl durch die Höhe der Energieschwelle als auch durch deren Breite gesteuert wird. Eine Vergrößerung entweder in der Höhe oder der Breite führt zu einer Verringerung der Tunnelstromdichte. Da die Schwelle bei bekannten Ausbildungen verhältnismäßig gro3 ist, müßte die Breite sehr klein sein. Eine kleine Schwellen- oder Sperrbreite erfordert eine äußerst hohe Dotierungskonzentration, die so hoch sein müSte, rinß eine Ausfüllung der Dotierung eintreten kann, wodurch die Kristalleigenschaft der Schicht beeinträchtigt würde. Eine kleine Schwellenbreite erfordert auch eine goringe Interdiffusion und demnach eine Bearbeitung untrcr geringer Temperatur. Bsi der heteropolaren Tunnel-Übergangszone ist die Schwellenhöhe verringert, so daß eine größere Schwellenbreite möglich wird.

Die Erfindung sieht eine weitere Verringerung in der

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Schuellenhöhe dadurch vor, daß sine dünne Halblniberschicht an der Grenzfläche zwischen Schichten der Sperrschicht-Photozelle oder dem Photoelement angeordnet uird. Die Verringerung in der Schuellenhöhe gestattet eine Verringerung in dem Reihenwiderstand der Kurzschluß-Übergangszone, so daß eine mit mehreren Übergangszonen arbeitende Zelle mit höheren Lichtintensitäten betrieben uerden kann. Das führt zu höheren Konzentrationsverhältnissen und ermöglicht geringere Kosten für das Gesamtsystem. Weiter gestattet die Verringerung in der Schuellenhöhe einen größeren Temperaturbereich für die Behandlung und eine größere Auswahl an Datierungsstoffen für die Übergangsechicht.

Zuei- unä Drei-Farben-Solarzellen können in der Heise hergestellt werden, daß Schichten aus InGaflsP-Legierung an ein Ge-Substrat gitterartig angepaßt uerden. Eine Zuei-Farben-Solarzelle dieser Art ist"in Fig. 1 dargestellt. Für die Struktur in Fig. 1 liegt die Tunnal-Übargangsscnicht an der Ga_-1 In As/In, Ga P-Grenzschicht. Die Schuellenhöhe dieser Grenzschicht ist gekennzeichnet durch die Bandlückr von Ga In As mit 1,2 eV. In der Grenzfläche uird eine Halb-

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lederschicht, uie vergrößert in Fig. 2 dargestellt, angebracht.

Eine heteropolare Tunnel-Übergangszone führt, obuohl das Material mit geringer Bandlücke Licht adsorbiert, dazu, daß

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die Schicht ausreichend dünn gemacht werden kann, so daß sehr wenig von dem durch Lichteinfall erzeugten Strom verloren geht. Insbesondere uird bei einer Adsorptionslängt? won 5000 A (A= Angström) durch eine 500 A dicke Schicht nur etua 10 % des Lichtes adsorbiert. Falls die Hälfte der Träger eins Wanderung in der falschen Richtung erzeugen uürde, uürde 5 % des durch Licht erzeugten Stromes verloren gehen. Das gleiche Argument der Pseudo-Transparenz gilt für ßinan Gitterangepaßten Halbleiter mit noch geringerer Bandlücko. Für nine Mehrfarben-Zelle auf einem Germanium-Substrat ist es zueckmäflig, Germanium als dünne Schicht geringer Bandlücke der Gitter-angepaßten Tunnel-Übergangszonen-Zuischenschicht zu verwenden. Für eine derartige Ausbildung ist die Schuallsnhöhe des Tunneleffektes an der Grenzschicht gekennzeichnet durch die ßandlücke von Ge mit 0,6 e\l. Dabei bildot n+ Ge einen ohmigen Kontakt mit GaAs vom η-Typ, n+ Ge/p+ GaAs-Tunnel-Übergangszonen können mit Stromdichten hargest lit warden, die groß genug für konzentrierende Solarzellen sind.

Fig. 3 zeigt die Stromkurve (i) in Abhängigkeit von der Spannung (U) für eine Tunnel-Übergangszone, die hior für die Grenzschicht zwischen Schichten erfindungsgemäßer Photo-Elemente vorgeschlagen wird.

Fig. 1 und 2 zeigen vereinfacht einen Querschnitt durch eine mehrschichtige Photoelement-Solarzelle der Erfindung.

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Die Schichten dar ZbIIb sind weder vertikal noch horizontal maßstabsgemäß mit der Ausnahme, daß in der Vertikalen die Schichten etwa in ihren Dickenverhältnissen wiedergegeben sind. Danach ist ein Germanium-Substrat 11 auf der einen Seite mit einer Kontaktfläche 12 versehen und ist auf der anderen Seite mit einer ersten Halbleiterzelle 13 verbunden. Die Zelle 13 ist vorzugsueise aus Gallium, Indium und Arsen hergestellt und weist eine Zusammensetzung von Ga_n pnln_n ,,,,As und eine Energiebandlücke von 1,25 eV auf. Eine Übergangszone 14 ist in der ersten Schicht 13 vorgesehen. Eine zweite Zelle 15 ist in Kontakt mit dar ersten Zelle 13. Die Zelle 15 ist vorzugsueise hergestellt aus Gallium, Indium und Phosphor mit der Zusammensetzung von Ga_Q A₃In_{0 5?}P und einer Energiebandlücke von 1,75 eV.

Auf der anderen Seite der zweiten Zelle 15 ist eine leitende, transparente Schicht 16 aus Indium-Zinnoxid oder Antimon-Zinnoxid aufgebracht. Indium-Zinnoxid und Antimon-Zinnoxid sind Mischungen aus jeweils zwei Oxiden, im ersten Fall aus Indiumoxid (In₃O₃) und Zinnoxid (SnO₃) und im zuGitBn Fall aus Antimonoxid (SbO₂) und Zinnoxid. Diese Mischungen können in irgendeinem Verhältnis der zwei Oxide hergestellt sein, jedoch empfiehlt sich im ersten Fall ein Gehalt von 80 bis 90 Ποί-^ Indiumoxid und im zweiten Fall 10 bis 30 MoI-Jj Antimonoxid. Diese Zusammensetzungen werden üblicherweise mit den chemischen Formeln In₉0„/Sn0_o

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oder Sn0₂/Sb0₂ bezeichnat.

Mindestens sin Kontakt 17 ist an der Außenfläche) der Schicht 16 befestigt. Elektrisch leitende Drähte 13 und I¹J sind mit den Kontakten 12 und 17 entsprechend verbunden. Eine äußere Oberflächenbeschichtung 20 aus transparentem Antireflexmaterial ist auf der Außenseite der Schicht 16 und den Kontakten 17 angebracht.

Ein Konzentrator 21, hier dargestellt als Sammellinse,

ist über der Zelle in einer solchen Stellung angebracht,

daß das Licht aus einer Quelle 22, in diesem Fall der Sonne,

auf die Zelle konzentriert wird.

Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Übergangszone der Mehrschichtenzells der Fig. 1, entsprechend dem Pfeilkreis 2 in Fig. 1, und veranschaulicht die besonderen Merkmrle der Erfindung.

Der vergrößerte Schnitt zeigt die Übergangszone nla dünne Halbleiterschicht 14 aus einem transparenten Material mit geringer Bandlücke, uie Germanium. Die Halbleitprschicht 14 trennt die Gallium-Indium-Arsen-Schicht 13 von der Gallium-Indium-Phosphor-Schicht 15 und ist in en Abmeasungsverhältnissen angenähert 50 bis 300 A stark, verglichen mit 500 A für die Schicht 13a und 1000 A für die Schicht 15a.

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Die besondere Eigenschaft der Germanium-Schicht, di? die Uirkung in der geuünschten Beziehung gestattet, besteht für die Erfindung darin, defl die Schicht auf n+ dotiert ist, während die Schichten 13a. auf n+ und 15a auf p+ dotiert sind.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Solarzelle mit mehreren Übergangszonen wird vorzugsweise von einem einzelnen Kristallsubstrat ausgegangen, z. B. einer Germanium-Scheibe. Die Germanium-Platte enthält vorzugsweise keine lichtempfindliche Übergangszone. Ein Substrat mit einer Übergangszone wird teurer in der Herstellung, da die Reinheit Binar Germanium-Platte mit einer funktionalen, lichtempfindlichen Übergangszone in der Größenordnung von - 1 ppm liegt, während die Platte ohne Übergangszone eine Rsinheitskontrolle von nur - 1000 ppm erfordert. Weiter würde eine Übergangszone in der Germanium-Scheibe auf Lichtwellen des Längenbereiches ansprechen, der am stärksten durch Schwankungen in Feuchtigkeit und Luftmasse beeinflußt wird. Ein weiterer Vorzug des Germanium-Substrats ist, daß rs sinen elementaren Halbleiter, wie Silicium, bildet und als Band gezüchtet werden kann, was zu seinen geringen Kosten beiträgt. Ferner gestattet Germanium eine bessere Gitteranpassung an die Schichten 13 und 15 als 1 %; dadurch kann die Wirksamkeit der beschriebenen Zelle näher an den theoretischen Grenzwert heranreichen. Weiter wird durch die Wahl

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eines Germanium-Substrate die Gitterkonstante allisr Schichten in dem Stapelaufbau einschließlich der Tunneischicht geringer Bandlücke festgelegt. Uegen der Einfachheit der Ablagerung (GeH^-Pyrolyse) ist Ge ein ideales Material niedriger Bandlücke unabhängig von der Uahl des Substrats aber ein Germanium-Substrat führt zu automatischer Gitteranpassung.

In der bevorzugten Form der hier beschriebenen Zelle hat die Germanium-Substrat-Schicht eine Dicke zwischen 200 und 300 /U, vorzugsweise 250 AJ . Die untere Grenze der Dicke uird bestimmt sowohl durch Betriebsbedingungen, welche die Leitungscharakteristik des Substrats bestimmen, als auch durch die physikalische Festigkeit des Substrats in seiner Funktion als Basis der Clehrschichtenzollß. Die obere Grenze für die Abmessung des Substrats ist hauptsächlich wirtschaftlich bedingt, da ein dickeras Substrat teuerer herzustellen ist und ein größeres Volumen an teurem Material enthält.

In einem Uachsverfahren können auf großen Substmtfiächan in Reihenfolge Ablagerungen von III-V-Legierungsschichten bewirkt werden. Diese Art Ablagerung ist an sich bekannt, siehe US-PS 4 128 733, wobei für die Ablagerung Bin© Uachstumskammer verwendet werden k.-mn, in der unier geringem Druck Ablagerungen von metallorganischen Dämpfen bewirkt werden können (FlO-CVD-Verf ahren). Bei diesem Uer-

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fahren uerden Trialkylgallium oder Trialkylindium oder sine Mischung daraus und Phosphin oder Arsin oder eine Mischung daraus in eine Pyrolyse-KammBr eingeführt. Diese Verbindungen reagieren auf dem Germanium-Substrat derart, daQ die gewünschten InGaAs- oder InGaP-Legierungen gebildet werden. Ein Beispiel für die Reaktion ist:

ßnn c (1-x) Ga(C₂Hg)₃ + x In(C₂Hg)₃ + AsH₃ *■ Ga/_η__χ^Ιπ_χΑε + Neben·

produkte;

darin hat ,x einen Uert im Bereich 0 <" χ < 1. Das Produkt ist ein Halbleiterfilm, der auf dem Germanium-Substrat abgelagert ist.

Der Halbleiter wird p-artig dotiert, indem Dialkylzink-, Dialkylcadmium- oder Dialkylberilium-Trimethylamin-Dämpfe zugesetzt werden. Für einen n- Typ werden Hydrogensulfid, Tetralkylzinn- oder Dialkyltellurid-Dämpfe zugesetzt. Alle III-V-Legierungsschichten mit der vorerwähnten Zusammensetzung läßt man in Reihenfolge wachsen durch Benutzung einer programmierbaren Gas-Strom-Steuerung.

Für die Herstellung der mehrere Übergangszonen aufweisenden Solarzelle nach Fig. 1 ist vorgesehen, daß die im Gitter angepaßten homopolaren Übergangszonen-Zellen dadurch gestapelt werden, daß Kurzschluß-Tunnel-Übergangszonen an den Hetero-Flächen angeordnet werden. Ausgehend von einem Germanium-Substrat 11 mit p+-artiger Dotierung wird die nächste Schicht der Zelle, 13, durch epitaxiale Ablagerung einer

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p+-Schicht aus Gallium-Indium-Arsenid vorzugsueinra mit einer Legisrungszusammensetzung von Ga« gglⁿn ΐ2^Λε< ^^e~ bildet. Im V/erlauf der Ablagerung dieser Halbleitarschicht uird die Konzentration des Dotierungsmittals verringert, so daß eine p- -Schicht erzeugt uird und schlief31ich uird die Dotierung so geändert, daß eine p/n-Übergangszone mit Übergang in eine n- -Schicht erzeugt uird. Fortdauernde Ablagerung erhöht die Dicke der ersten Schicht und oin abschließender Teil uird mit einer solchen Dotierungskonzentration abgelagert, daß eine n+-Schinht an der Grenze der ersten Zelle erzeugt uird.

Uie Fig. 2 in Vergrößerung zeigt, uird eine Schicht 14 aus Germanium mit einer n+-Datierung dann auf der Fläche der Zelle 13 abgelagert, um eine Tunnal-Übergangszons zuischan den Schichten der Zelle mit mehreren Überganciszonen herzustellen. Eine Germanium-Schicht uird epitaxial auf der Fläche der Zell^f5 13 unter Benutzung der gleichen Ablagerungskammer für metallorganisch-chemische Dämpfe und mittels GeH .-Pyrolyse abgelagert, uobei die bevorzugte Dicke zuischen 50 und 3OQ A liegt.

Sodann uird eine zueite Haibleitsrzelle 15 epitaxial auf der Außenfläche der Ge-Schicht der ersten Zelle abgelagert, und zuar anfänglich mit einem Dotierungsmaterial und einer Konzentration, daß eine p+-Schicht an der Grenzfläche

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erzeugt uird. DiB zueite Halbleiterschicht 15 bestellt
aus einem Indium-Gallium-Phosphid-Platerial mit ein^r bevorzugten Legierungszusammensetzung von In_n 57^³H a-^·
Während der Ablagerung dieser Halbleiterschicht Ui¹Ti die Konzentration der Dotierung zur Erzeugung einer p- -Schicht verringert und schließlich uird dis Dotierung z!ur Erzeugung einer p/n-Übergangszone und eines Überganges in eine
n- -Schicht geändert. Durch fortdauernde Ablagerung uird die Dicke der zueiten Schicht vergrößert, uobei die Dotierungszusammensetzung sich derart ändert, daß eine
n+-Schicht an der Grenze der zueiten ZeIlG erzeugt uird.

Eine äußere leitende Schicht 16 uird dann auf der Außenfläche der zweiten Zelle 15 abgelagert, um ein Photo-Element mit zuai Übergangszonen fertigzustellen. Die leitende Schicht kann auch eine Antireflex-Beschichtung sein. Statt dessen kann eine gesonderte Schicht 20 auf der Schicht 16 abgelagert uerden, uobei die Anschlußleiter 17, die in Kontakt mit der Schicht 16 sind, auch überdeckt uerden. Vorzugsweise uird die leitende Schicht aus einer Indium-Zinnoxid-Logierung (In₂O^ZSnO₂) gebildet, die üblicherweise ?uch mit ITO abgekürzt uird.

Zur Vervollständigung des Photo-Elementes uerdsn zuei
Leiter 18 und 19 entsprechend an der Außenfläche 12 des
Substrats und den Leitern 17unter der Schicht 20 befestigt.

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Es ist zu beachten, daß die Übergangszonen in dem Photoelement homopolare Übergangszonen und diB aufeinandergestapelten Schichten Gitter-angepaßt sind. Ueitnr sind an den heteropolaren Grenzflächen zwischen den Zellen Gormanium-Tunnel-Übergangszonen vorgesehen. Aufgrund dieser Art der Herstellung ergeben sich wirksamere Tunnel-Übergangszonen.

In der hier beschriebenen Mehrschichten-Photozello hat die erste Schicht eine Bandlücke von 1,25 qU und die zwetite Schicht eine Bandlücke von 1,75 e\l. Da eine Ge-Zwischenschicht zum Tunneleffekt beiträgt, beträgt die Tunnal-Sperrhöhe 0,6 eV.

In der hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke jeder abgelagerten Halbleiterschicht zwischen 2 und 6 AJ und hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 4 yu . Die hochdotierte Tunnel-Übergangszonenschicht auf dor niederen Bandlückenseite muß für die Homo-Übergpnqszonanzelle ausreichend dünn sein, um nicht eine merkliche Lichtmenge zu adsorbieren, d. h. <1000 A. Dieses Kriterium ist nicht schwierig zu erfüllen, da din Adsorptionslnnge unmittelbar über, aber nahe der Bandlücke eines Hnlblaiters länger ist, d. h. in dem für eine Zelle mit mahroron Übergangszonen interessierenden Bereich. Diese Schicht muß auch dick genug sein, um nicht vollständig zu verarmen, d. h.

dicker als 50 A.

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Jede Schicht der mehrschichtigen Zelle ist Gitter-angepaGt an ihre Nachbarschicht mit einer maximalen Variation der Gitterkonstanten won + 1,0 %. Diese Anpassung ist wichtig, da bei schlechter Gitteranpassung oder Fehlpassung die Kristallinität das Zellsystems sich verschlechtert und eine Struktur gebildet uird, die eine hohe Dichte an Kristallversetzungen aufweist und in schlimmeren Fällen Karngrenzen bildet. Derartige Versetzungen werden dann prte für die Rekombination von durch Licht erzeugten Ladungsträgern, wodurch die erzeugte Strommenge verringert uird. Die Versetzungen bilden auch Stromquerwege, wodurch weiter die Spannung des offenen Kreises herabgesetzt wird.

Die Gitter-Anpassung wird durch richtige Wahl der Verbindungen und der Mengenverhältnisse der Materialien in den verschiedenen Schichten erreicht. Das Verfahren des Aufwachsens mit besonderer Steuerung der Temperatur ist ebenfalls wichtig für die Bildung von Einzelkristallschichten hoher Qualität.

Die Schichten der bevorzugten Flehrschichten-Zelle, ei; auf dem Germanium-Substrat abgelagert werden·, sind alle auf die Germanium-Gitter-Konstante von 5,66 A auf + 1 % Gitter-angepaßt.

flit Ausnahme des Germaniums sind alle in den verschiedenen

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Schichten der Fig. 1 und 2 verwendeten Elemente in den Spalten IIIA und UA des periodischen Systems zu finden und werden vorzugsweise für die Erfindung benutzt. Es können jedoch auch andere Halbleiter-Materialien in der Erfindung verwendet werden. Z. B. sind auch Elemente aus den Spalten HB und VIA verwendbar, wie CdS und CdTe. Auch IB-IIIA-VIA-Verbinriungen sind verwendbar, wie z. B. CuInS oder ähnliche Zusammensetzungen, wobei z. B. Se für S oder Ga für In substituierbar ist. Ueiter sind Zusammensetzungen von IIB-IVA-VA-Elementen, wie ZnSnP, zu erwähnen. Anstelle der bevorzugten, obenerwähnten IIIA-l/A-Zusammensetzungen können auch Zusammensetzungen aus anderen Elementen dieser Gruppen gebildet werden.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

1. jEinrichtung zur Umuandlung von Sonnen- in elektrische Energie unter Verwendung 8iner Sperrschicht-Photozelle mit mehreren Übergangszonen, uobei die in einem Stapel angeordneten Schichten mit den ÜbBrgangszonen auf einem einzelnen Kristall-Substrat ohne innere lichtempfindliche Übergangszone angeordnet sind, und mit einer Lichtsammei-Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (11) aufeinanderfolgend zwei oder mehr homogene Schichten (13, 15) aus Halbleiter-Material abgelagert sind, von denen jede Schicht eine lichtempfindliche p/n-Übergangszone gleicher Polarität als homopolare Übergangszone aufweist und jede Schicht im wesentlichen die gleiche Gitterkonstante wie das Kristallsubstrat und einen Tunnel-Kurzschluß-Übergangszonenkontakt mit der unmittelbar darüber liegenden und darunter liegenden Schicht hat, wobei dia Kurzschluß-Übergangszone eins heteropolare Tunnel-Übergangszone ist, und daß ferner eine dünne, transparente Halbleiter-Schicht (14) geringer Bandlücke an der Grenzfläche der Kurzschluß-Übergangszone vorgesehen ist, uobei für jede Schicht die Dicke und Zusammensetzung so gewählt ist, daß sie im wesentlichen den gleichen Licht-erzeugten Nullspannungsstrom wie die anderen Schichten entwickelt unc jede Schicht Licht einer anderen wellenlänge adsorbiert.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daQ dia Halbleiter-Schicht (14) an der Grenzflächu der Kurzschluß-Übergangszone aus Germanium bastent.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Germanium-Schicht eine Dicke zwisehon 50 und 300 A hat.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, da3 die Germanium-Schicht etwa 100 A dick ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschluß-Übcrg.^nqszona (13a, 14, 15a) besteht aus:

a) einer ersten Schicht aus Ga₁ In As

b) einer zweiten Schicht aus In. _vGa P und

I "" X X

c) einer Halbleiter-Schicht aus Ge an der Grenze zwischen der ersten und zweiten Schicht.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht eine Dicke von 500 A, die zunits Schicht eine Dicke von etwa 1000 A und die Germsnium-Schicht eine Dicke zwischen 50 und 300 A hat.

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