DE3119631A1 - "photovoltaische solarzelle" - Google Patents
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Description
- Photovoltaische Solarzelle
- Die Erfindung bctiiffl eine Photovoltaische Solarzelle aus amorphem Silizium (a-Si) in p -i-n Struktur und ein Verfahren zu deren Herstellung.
- Photovoltaische Solarzellen dieser Art sind bekannt. Sie dienen der direkten Umsetzung der Sonnenstrahlung in elektrische Energie mit Hilfe von Halbleiterzellen. Der große Vorteil solcher Energieumwandlung besteht darin, daß ohne die Notwendigkeit von Wärmeprozessen oder rotierenden Teilen wie z.B. Turbinen und Generatoren eine direkte Energieumsetzung erfolgen kann. Allerdings haben trotz umfangreicher intensiver und sehr kostenaufwendiger Entwicklungs- und Forschungsarbeiten Photovoltaische Solarzellen der angegebenen Art im Labor bisher lediglich Wirkungsgrade bis zu 6,5 % erreicht, obwohl der theoretische Wirkungsgrad bei etwa 15 % liegt.
- Dieser Umstand zeigt auf, daß trotz der in dem US-Patent Nr. 4 064 521 von D.E. Carlson, aufgezeigten Kostenvorteile von Photovoltaischen Solarzellen auf der Basis von amorphem Silizium im Vergleich zu einkristallinem Silizium der für die Verwendung in der Praxis notwendige wissenschaftliche Durchbruch bisher nicht erzielt werden konnte. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades der genannten Solarzelle stehen vor alles Dingen zwei Dinge entgegen: a) die spektrale Ausbeute, d.h. der Photostrom bei quasi-monochromatischer Einstrahlung ist im Blauen wesentlich geringer als im Grünen, b) die Leerlaufspannung Vo der Photovoltaischen Solarzelle ist mit maximal 0,85 Volt wesentlich kleiner als aufgrund der gemessenen Energielücke von a-Si:H mit E #1,6 eV erwartet werden kann.
- 0 Hindernis a) hängt damit zusammen, wie bereits in P 29 38 260.3-33 des gleichen Allmelders beschri@ben, daß das in der hochdotierten Si-Schicht auf der Lichteintrittsseite absorbierte Licht wegen der kurzen Lebensdauer der Ladungsträger praktisch keinen Beitrag zum Photostrom leistet.
- Diese hochdotierte Si-Schicht wird daher oft als "tot" bezeichnet.
- Die Dicke der hochdotierten a-Si-Schicht auf der Lichteinfallseite wird deshalb nach dem Stand der Technik kleingehalten, d.h. in der Größenordnung 100 a gwählt. Man kann zwar mit dieser Maßnahme eine Verringerung der optischen Verluste, d.h. eine Erhöhung des Kurzschlußstromes erreichen, nimmt aber damit eine abnehmende Leerlaufspannung der a-Si-Zellen in Kauf, siehe H. Okamoto et al., Sola@ gy Materials 2 (1980), p. 313-325, insbesondere Fig. 10.
- Hindernis b), d.h. die kleine Leerlaufspannung hängt damit zusammen, daß sowohl in n+- wie p+-a-Si-Schichten die Aktivierungsenergie E etwa 0,2 eV beträgt und daß bei den a p -Schichten die Energielücke mit wachsender Bor-Dotierung um etwa 0,3 eV absinkt, siehe hierzu ebenfalls H. Okamoto et al, aaO.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, zur Beseitigung der oben erwähnten Nachteile vor allem der zu kleinen Leerlaufspannung der a-Si-Zellen durch Verwendung gezielt ausgewählter hochdotierter Si-Schichten den Wirkungsgrad photovoltaischer Solarzellen zu verbessern und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle anzugeben.
- Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß p+- und n+-Schicht mikrokristallin ausgeführt sind.
- Weitere vorteilhafte Ausgesialtungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Diese poly- oder "mikrokristallinen" Si-Schichten haben bei Dotierung eine kleinere Aktivierungsenergie E a als die rein amorphen Si-Schichten; z.B. ist E nicht größer 0,05 eV, a wenn der H2/SiH4-Mischung das Dotierglas PH@ im Verhältnis von etwa PH3/SiH4'NJ 0,5 % beigemischt wird. Ihre effektive Energielücke E (siehe z.B. Fig. 3) ist aber höher als E 0 0 tv 1,1 eV der bisher bekannten polykristallinen Si-Schichten, die praktisch keinen Wasserstoff enthalten und deren Körner größer als etwa 200 Å sind. Raman- und Röntgenstreumessungen zeigen, daß das neue "mikrokristalline" Material neben den Kristalliten auch einen amorphem Anteil enthält. Zum anderen kann gerade bei den p+ -Schichten im mikrokristallinen Zustand ein Absinken der Energielücke mit wachsender Bor-Dotierung verhindert werden, siehe Matsuda et al., poster-paper, Conf. on Tetrahedrally bonded amorphous semiconductors, Carefree, Arizona, März 1981.
- Ein weiterer Vorteil der "mikrokristallinen" hochdotierten Si-Schichten ist die Reduzierung des Serienwiderstands und damit eine Verbesserung des Füllfaktors, da der Schichtwiderst,lnd des nikrokristallinen n+-oder p+-S@ um 2 bis 3 (ilCit ordnungen kleiner ist als der des n+-oder p+-a-Si.
- Von Vorteil ist auch die geringere optische Absorption in den "mikrokristallinen" Schichten im Blaugrünen im Vergleich zu den entsprechenden hochdotierten a-Si-Schichten. All diese Faktoren bewirken, daß die entstehende Sandwich-Zelle einen höheren Wirkungsgrad als die rein amorphe Si-Zelle aufweist .
- Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles und der Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine piotovotaiscii(' Solaizell@ im Schnitt Fig. 2 einen schematischen Energiebandverlauf einer photovoltaischen Solarzelle nach dem Stand der Technik, Fig. 3 einen schematischen Energiebandverlauf bei einer photovoltaischen Solarzelle nach der Erfindung.
- Gemäß Fig. 1 besteht eine in Sandwich-Struktur aufgebauten photovoltaische Solarzelle aus einem Metallrückkontakt 1 einer p+ -Schicht aus polykristallinem Silizium, einer i-Schicht aus amorphem Silizium, einer n+-Schicht aus polykristallinem Silizium und einer Antireflex-Schicht mit eingebetteten Metallkontaktfingern 2 auf der Lichteinfallseite.
- Der Herstellungsprozeß einer solchen photovoltaischen Solarzelle ist wie folgt: Als Substrat dient ein metallisiertes Glas, dessen Oberfläche in einem Argon-Glimmprozeß für die Abscheidung der Si-Schichtfolge vorbereitet wird. Hierzu wird in einem Reaktor mit plattenförmigen Elektroden (Elektrodendu rchmes ser 80 mm), zwischen denen eine hochfrequente Glimmentladung brennt, eine B2H6/SiH4/H2-Gas-Mischung bei einer Gasflußmenge von etwa 20 sccm eingeleitet.
- Die Mischungsverhältnisse betragen 1 % < SiH4/H2 < 5 % und 0,3 % < B2 B2H6/SiH4 < 1 % und der Gasdruck liegt zwischen 0,1 und 0,7 mbar. Es wird unter diesen Gas-Bedingungen und einer Substrattemperatur von etwa 3000 C eine ca. 500 dicke mikrokristalline p+ -Schicht abgeschieden, wobei im Gegensatz zur Abscheidung von amorphen Si (a-Si) die HF-Leistungsdichte um eine gute Größenordnung höher liegt, typischerweise bei 1 bis 2 Wall/cm2.
- Hierauf wird die Gasströmung auf reines SiH4 umgestellt, die Gasflußrate auf 20 bis 30 ,sccm" erhöhtund der Gasdruck leicht in den Hereich 0,1 bis 0,3 mbar abgesenkt. Mit einer HF-Leistungsdichte # 0,1 Watt/cm2 wird dann bei ebenfalls 3000 C eine etwa 0,8µm dicke a-Si:H Schicht abgeschieden; das Aufbringen der etwa 100 Å dicken, ebenfalls quasipolykristallinen n+-Si-Schicht erfolgt durch abermaliges Ändern der Gaszusammensetzung (nun SiH1/H2 = 3 %, 0,3 % < PH3/SiH1 # 1 %) und einer Erhöhung der HF-Leistungsdichte auf etwa 1 Watt/cm2.
- I)ie Abscheidung der Metall-Kontakt-inger 2 und der halbleilenden Anti-Reflexschicht 3 erfolgt nach dem bekannten Stand der Technik, z.B. wird als AR-Schicht eine ca 600 Å dicke lTO-Schicht durch Elektronenstrahl-Verdampfen von ITO in einer schwachen 02-Atmo sphäre bei 02-Drucken zwischen (2 bis 4)x 10 4 Torr und bei Temperaturen um 2500 C abgeschieden.
- Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Energiebandverlauf für eine photovoltaische Solarzelle nach dem Stand der Technik ergibt eine Barrieren-Spannung UB mit UB 1,6-0,3-(2x0,2) Volt = 0,9 Volt.
- Demgegenüber zeigt der Energiebandverlauf bei einer photovoltaischen Solarzelle nach der Erfindung mit n+ -i-p+ Schicht-Struktur, wobei n+ und p+ Schichten aus wasserstoffhaltigem mikrokristallinen Silizium und die i-Schicht aus amorphem Silizium bestehen, eine maximale Barrieren-Spannung von UB = 1,6-2 x (0,05) Volt = 1,5 Volt und demtentsprechend eine höhere Leerlaufspannung.
- Damit ist gezeigt, daß mit der von der Erfindung realisierten einfachen Maßnahme eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades der photovoltaischen Solarzellen der angegebenen Art erreicht werden kann, wobei trotz des in aller Welt dringend bestehenden Bedürfnissen zur Verbesserung des Wirkungsgrades der genannten Solarzellen die Fachwelt bisher andere Wege beschritt.
Claims (3)
- Photovoltaische Solarzelle P a t e n t a n s p r ü c h e /19 Photovoltaische Solarzelle aus amorphem Silizium (a-Si) in P+-i-n+ Struktur, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß p+- und n+-Schicht mikrokristallin ausgeführt sind.
- 2. Photovoltasche Solarzelle aus amorphem Silizium (a-Si in p +-i-n+ Struktur, dadurch g e k e n n z c i c h -n e t , daß nur die p+ Schicht mikrokristallin ausgeführt ist.
- 3. Photovoltaische Solarzelle aus amorphem Silizium (a-Si) in p+-i-n+ Struktur, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß nur die n+-Schicht mikrokristallin ausgeführt ist.4. Photovoltaische Solarzelle aus amorphem Silizium (a-Si) in p+-i-n+ Struktur, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß nur die p+ -Schicht mikrokristallin ist und aus einer Verbindung von Si:C:H mit Dotierzusatz besteht.5. Photovoltaische Solarzelle aus amorphem Silizium (a-Si) in p+-i-n+ Struktur, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die p -Schicht mikrokristallin ist und die n +-Schicht durch Ioneninplantation in das a-Si hergestellt wird.6. Photovoltaische Solarzelle aus amorphem Silizium (a-Si) in p+M-n+ Struktur, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die in n+-Schicht mikrokristallin ist und die p+-Schicht durch Ioneninplantation in die amorphe Si-Schicht hergestellt wird.7. Verfahren zur Herstellung einer Photovoltaischen Solarzelle nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß a) als Substrat ein metallisiertes Glas, dessen Oberfläche in einem Argon-Glimm-Prozeß für die Abscheidung der Si-Schichtfolge vorbereitet wird dient, b) in cinclnn Ieaktoi mit plattenförmigen Elektroden, zwischen denen eine hochfrequente Glimmentladung brennt, eine B2H6/SiH4/112-Gasmischung bei einer Gasstitmungsgeschwindigkeit von etwa 1 m/sec eingeleitet wird, wobei C) die Mischungsverhältisse betragen: 1 % < SiH4/ H2 < 5 % und 0,1 % < B2H6/SiH4 < 1 %, und der Gasdruck zwischen 0,15 und 1 mbar liegt, d) unter diesen Gasbedingungen und einer Substrattemperatur von etwa 3000 C zunächst eine ca.500 2 dicke mikrokristalline p+ -Schicht aber schieden wird, wobei im Gegensatz zur Abscheidung von amorphen Silizium (a-Si) die Hochfrequenzleistungs-Dichte eine Größenordnung höher liegt, beispielsweise 1-2 Watt/cm2, e) die Gasströmung auf reines SiH4 umgestellt wird, die Gasflußrate auf 20 bis 30 sccm4 erhöht und der Gasdruck leicht in den Bereich 0,1 bis 0,3 mbar abgesenkt wird, f) mit einer HF-Leistungsdichte s 0,1 Watt/cm2 ebenfalls bei 3000 C eine etwa 0,8 pm dicke a-Si:H-Schicht abgeschieden wird, g) die etwa 100 2 dicke quasi-polykristalline n+-Si-Schicht durch abermaliges Ändern der Gaszusammensetzung, nun SiH4/H2 = 3 %, 0,1 % < PH3/Si/ SiH4 U = 1 % und unter einer Erhöhung der HF- Leistungsdichte auf ca. 1 Watt/cm2 aufgebracht wird.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8131 | Rejection |