DE3234678A1 - Solarzelle - Google Patents
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Abstract
Zur Herstellung eines festkörpergeschweißten Verbundkörpers aus Metall und Keramik werden ein Metallteil (1) und ein Keramikteil (2) mit ihren zu verbindenden Oberflächen ggf. unter erhöhtem Druck gegeneinander gehalten und einer unterhalb der Schmelztemperatur liegenden Schweißtemperatur ausgesetzt, bei der sich die beiden Oberflächen unter Ausbildung einer Zwischenschicht (3) miteinander verbinden. Zur Erhöhung der Haftfestigkeit wird ein Metall verwendet, das beim Abkühlen von der Schweißtemperatur eine Phasenumwandlung erfährt, wobei die bei der Schweißtemperatur auftretende Phase ein kleineres Volumen als die bei Raumtemperatur stabile Phase besitzt, so daß während des Abkühlens des Verbundkörpers von der Schweißtemperatur auf Raumtemperatur der thermischen Volumenabnahme des Metalls eine Volumenzunahme beim Phasenübergang überlagert ist.
Description
R-64.782-01 - 25/82 16. September 1982
CASCH/UMA
BATTELLE - INSTITUT E.V., Frankfurt/Main
Solarzelle
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit Metall-Isolator-Halbleiter
(MIS)- oder Halbleiter-Isolator-Halbleiter (SlS)-Schichtanordnung, bei der die Isolatorschicht
aus einem hochohmigen Halbleitermaterial besteht.
MIS- und SIS-Solarzellen sind schon seit längerer Zeit
bekannt. Grundsätzlich gleicht ihr Funktionsprinzip einer Schottky-Diode (Metal 1/Halbleiterkontakt); deren
photovoltaische Eigenschaften werden jedoch durch Einfügen einer extrem dünnen Isolatorschicht verbessert. Im allgemeinen
besteht die Isolatorschicht aus einem natürlichem Oxid des Halbleiters. Die Dicke der Isolatorschicht wird
so gewählt, daß die durch sie verursachte zusätzliche Potentialbarriere den Majoritatsträgerfluß vom Halbleiter
in das Metall behindert. Andererseits müssen aber die Minoritätsträger die zusätzliche Barriere noch überqueren
können, ohne daß dabei eine Beeinträchtigung des Füllfaktors und Kurzschlußstroms der Solarzellen erfolgt. Dies erfordert
eine technologisch aufwendige, sehr genaue und gleichmäßige Kontrolle und Einstellung der Dicke der Isolatorschicht auf
einem sehr niedrigen Niveau um 2 nm.
Aus Gründen der Reproduzierbarkeit, der Einfachheit und der Zeitersparnis ist die Verwendung eines physikalisch abgeschiedenen,
artfremden Isolatormaterials wünschenswert.
Bei der äußerst geringen Dicke der Isolatorschicht können dabei allerdings schon durch relativ geringe, herstellungsbedingte Rauhigkeiten auf der Oberfläche des photoelektrisch
aktiven Halbleiters bzw. durch kleinste Staubkörper Schichtdickenvariationen oder Pinholes (mikroskopische Löcher) in-
nerhalb der Isolatorschicht hervorgerufen werden. Diese
wirken sich sehr negativ auf die photovoltaischen Eigenschaften den SIS- bzw. MIS-Solarzellen aus und machen
entsprechende Schutzmaßnahmen notwendig. Es ist deshalb angebracht, dickere Isolatorschichten zu verwenden, die je- ■
doch den Füllfaktor und den Kurzschlußstrom der beleuchteten Solarzellen nicht beeinträchtigen dürfen.
Es ist bekannt, daß die Aufgabe des Isolators in SIS- und MIS-Solarzellen auch von einem Halbleiter mit hinreichendgroßer
Energielücke wahrgenommen werden kann, so daß eine Struktur Kontaktmetall bzw. Kontakthalbleiter/Isolator-Halbleiter/Basis-Halbleiter
entsteht. So wurden bereits ; :.. z.B. CdSe/ZnSe/Au-Dünnschicht-Solarzellen beschrieben
(E. Rickus, Entwicklung einer Kadmiumselenid-Dünnschicht- , solarzelle, Forschungsbericht BMFT-FB-T 81-109, 1981 und
D. Bonnet und E. Rickus, The CdSE-ThinfiIm Solar Cell, Proc. 141h IEEE, Photovolt. Specialists Conf., 1980, S. 629).
Die Verwendung einer etwa 3,5 nm starken ZnSe-Schicht als Isolator-Halbleiter ergibt bei Beleuchtung Kurzschlußströme
von ca. 18 mA/cm2 und Füllfaktoren von ca. 55 %.
Die relativ niedrige Leerlauf spannung von ca. 0,4 V wird auf partielle, durch Oberflächenrauhigkeiten oder Pinholes
bedingte Kurzschlüsse zwischen Cadmiumselenid und Schottky-Kontakt
zurückgeführt. Eine Erhöhung der Schichtdicke von Zinkselenid auf ca. 5 nm steigert die Leerlaufspannung auf
Werte um 0,6 V. Während der Kurzschlußstrom praktisch unverändert bleibt, sinkt der Füllfaktor auf Werte um 45 %.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine SIS- oder MIS-SolarzelIe zu entwickeln, deren Herstellung
die oben dargelegten technologischen Schwierigkeiten nicht bereitet, die einfach aufgebaut ist und einen
hohen Wirkungsgrad aufweist. Insbesondere sollte die Reduktion des Füllfaktors bei bekannten Cadmiumselenid/Zinkselenid/Gold-Dünnschichtsolarzellen
mit 5 nm ZnSe-Schicht verhindert werden.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Isolatorschicht mit einem Material dotiert ist, durch
EO das die von der' Isolatorschicht hervorgerufene, zusätzliche Potentialbarriere für die jeweiligen Minoritätsträger leichter
zu überwinden ist. Vorteilhafte Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Solarzelle sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben. Patentansprüche 6 bis 8 betreffen ein
Verfahren zur Dotierung der Isolatorschicht in erfindungsgemäßen
Solarzellen.
Eine ideale Isolatorschicht in SIS- bzw. MIS-Solarzellen
muß nur für Majoritätsträger eine möglichst hohe Potentialbarriere
aufbauen und dabei gleichzeitig den Minoritätsträgertransport möglichst nicht beeinflussen, also in Bezug
auf die beiden Ladungsträgertypen asymmetrisch sein. Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß man diesem Idealfall
in Schottky-Kontakt/Isolator-Halbleiter/Basis-Halbleiter-Strukturen
durch moderate Dotierung der Isolator-
Schicht sehr nahe kommen kann. Die Dotierung wird so ge- '.
wählt, daß einerseits die Zahl freier Ladungsträger in deP
Isolatorschicht noch hinreichend klein bleibt, andererseits wahrscheinlich infolge der Verschiebung des Fermi-Niveaus
eine energetische Verschiebung der Potentialbarriere derart erfolgt, daß der Übertritt vom Majoritätsträger aus dem,
Basis-Halbleiter in das Kontaktmaterial durch eine erhöhte
Barriere stark behindert und gleichzeitig der Minoritätsträgerübertritt durch Absenkung der Barriere erleichtert
wird. Selbst bei relativ dicken Isolatorschichten können dadurch noch gute Kurzschlußströme und Füllfaktoren er- ,
reicht werden. Die Abscheidung dickerer Isolatorschichtenhat neben technologischen Vorteilen, z.B. erhöhte Repro-x
duzierbarkeit, Umempfindlichkeit gegenüber Oberflächenrauhigkeiten
und Schichtdickenschwankungen, auch einen positiven Einfluß auf die Leerlauf spannung. Da erfindungs-.
gemäß dickere Isolatorschichten verwendet werden können, ist die Solarzelle technisch einfach zu realisieren. Bei
Cadmiumselenid-MIS-Solarzellen mit einer aus Zinkselenid
bestehenden Isolator-Schicht kommt als geeignetes Dotierungsmaterial insbesondere Kupfer infrage, aber auch alle
anderen Materialien, die Akzeptorterme in Zinkselenid bilden können, z.B. Silber, Antimon, Gold und Arsen.
Mit dem Dotiermaterial Kupfer, das in Zinkselenid Akzeptorterme mit einer Ionisationsenergie von etwa 0,6 eV bildet»!,
werden besonders gute Ergebnisse erhalten. Cadmiumselenid-"'-.
MIS-Dünnschichtsolarzellen mit 5 nm dicker und mit Kupfer
dotierter ZnSE-Isolatorschicht weisen bei Beleuchtung Füllfaktoren um 60 %, Kurzschlußströme von ca. 18 nA/cm*
und LeerlaufSpannungen über 0,6 V, also einen deutlich erhöhten Wirkungsgrad auf. Selbst bei 7 nm dicken, dotierten
Zinkselenid-Schichten können so noch Füllfaktoren von 55 % erreicht werden.
Die Dotierung der Isolatorschicht kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Vorzugsweise wird die Dotierung durch
Eindiffussion einer auf der Isolatorschicht z.B. durch Vakuumverdampfen abgeschiedenen,sehr dünnen Schicht aus dem
Dotierungsmaterial erzielt. Nach Aufbringen dieser Schicht wird dann eine Wärmebehandlung bei geeigneten Temperaturen
durchgeführt. Diese Wärmebehandlung kann aber auch erfolgen, nach dem die gesamte Solarzelle fertiggestellt worden ist.
Der Einsatz anderer bekannter Dotierverfahren, z.B. gleichzeitiges
Abscheiden des Dotiermaterials bei der Zellherstellung, Ionenimplantation oder das Abscheiden von bereits
dotiertem Zinkselenid ist ebenfalls möglich.
Eine mögliche Erklärung des' durch die erfindungsgemäße
Dotierung erzielten Effektes wird in Fig. 1 gegeben, die das Energiebänderschema einer MIS-Solarzelle zeigt. In
dieser Fig. bedeuten
LB Leitungsband,
cv VB Valenzband,
Eg1 Energielücke des Basishalbleiters,
Eg2 Energielücke des Isolatorschichtmaterials,
e Elektronen und
25
25
h Löcher.
Die dem Isolatormaterial I zugeordnete Energielücke 3Q stellt eine zusätzliche Potentialbarriere für den Übertritt
der Elektronen und Löcher vom Basismaterial-Halbleiter S in das Metall M bei MIS-Zellen bzw. in den Halbleiter
bei SIS-Zellen dar. Dieser übertritt ist in Fig. 1
mit Pfeilen angedeutet. Durch geeignete Dotierung der Isolatorschicht wird die durch sie verursachte Potential-
barriere verschoben, wie es gepunktet dargestellt wifd.
Dadurch wird der Übertritt der Majoritätsträger (hier Elektronen e) in das Metall stärker beeinträchtigt und
der Übertritt der Minoritätsträger (hier Löcher h) erleichtert, woraus ein erhöhter Füllfaktor resultiert.
Die erfindungsgemäße Dotierung der Isolatorschicht wird im
nachfolgenden Beispiel näher beschrieben:
Eine CdSe-MIS-DünnschichtsolarzelIe wird durch Vakuumverdampfen
einer Schichtfolge bestehend aus Chromrückkontakt/CdSe/ZnSe/Au in an sich bekannter Weise hergestellt.
Vor dem Aufbringen der Au-Schicht wird in einem Vakuum von einigen 10" Torr eine 0,5 nm dicke Cu-Schicht
auf die 5 nm dicke ZnSe-Schicht mit einer Aufdampfrate von ca. 0,1 nm/s aufgedampft. Das Substrat bleibt dabei
ungeheizt. Die Kontrolle der Schichtdicke erfolgt mit einem neben dem Substrat angebrachten Schwingquarz. Im ■
Anschluß an die Cu-Abscheidung wird die Zelle durch Aufbringen der Au-Schicht, eines Stromabnahmegitters und .gegebenenfalls
einer Antireflexschicht, z.B. aus ZnS, in
an sich bekannter Weise vervollständigt. Zur Eindiffusion
des Kupfers und zur Verbesserung der photovoltaischen Eigenschaften wird die gesamte Zelle dann im letzten
Produktionsschritt ca. eine halbe Stunde lang unter Stickstoffdurchfluß (Reinheit 99,99 %) bei 150 bis 160 0C
getempert.
Claims (8)
- 3234878R-64.782-01 - 25/82 16. September 1982CASCH/UMABATTELLE - INSTITUT E.V., Frankfurt/MainPatentansprüche;i"7) Solarzelle mit Metal 1-Isolator-Halbleiter (MIS)- oder Halbleiter-Isolator-Halb leiter (SIS)-Schichtanordnung, bei der die Isolatorschicht aus einem hochohmigen Halbleitermaterial besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht mit einem Material dotiert ist, durch das die von der Isolatorschicht hervorgerufene, zusätzliche Potentialbarriere für die jeweiligen Minoritätsträger leichter zu überwinden ist.
- 2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Cadminiumselenid-MIS-SolarzelIe ist, bei der die Isolatorschicht aus Zinkselenid besteht, welche mit einem Material dotiert ist, das in Zinkselenid Akzeptorterme bildet.
- 3. Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht mit Silber, Antimon, Gold, Arsen Ufid/ oder Kupfer, vorzugsweise Kupfer, dotiert ist.
- 4. Solarzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Gold besteht.
- 5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotiermaterialien bei MIS-Solarzellen auf dem der Metallschicht und bei SIS-Solarzellen auf dem der Metallschicht entsprechenden Halbleiterschicht angrenzenden Oberflächenbereich der Isolatorschicht in höherer Konzentration vorliegen.
- 6. Verfahren zur Dotierung der Isolatorschicht von MIS- oder SIS-Solarzellen nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Isolatorschicht eine sehr dünne Schicht aus dem Dotiermaterial abgeschieden wird und daß anschließend eine Temperaturbehandlung durchgeführt wird..
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Cadmiumselenid-Zinkselenid-MIS-Solarzellen die Zinkselenid - Schicht mit Silber, Antimon, Gold, Arsen und/oder Kupfer, vorzugsweise Kupfer, dotiert wird und daß eine einzige Temperaturbehandlung von 130 bis 170 0C nach Fertigstellung der Solarzelle durchgeführt wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus dem Dotiermaterial eine Dicke von 0,1 bis 1 nm, vorzugsweise 0,5 nm aufweist und auf eine 2 bis 10 nm, vorzugsweise 5 nm dicke Zinkselenid-Schicht aufgebracht wird.
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