DE3237338C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine kristalline Mehrschicht-Struktur in einer Silizium-Solarzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der eine zur Energiewandlung verwendete Silizium-Epitaxieschicht auf einer Mischkristallschicht mit definierten Eigenschaften ausgebildet ist.
Bei der Fertigung herkömmlicher Silizium-Solarzellen betragen die Silizium-Materialkosten rund die Hälfte der gesamten Zellenfertigungskosten. Die Kosten werden dabei vor allem von dem hohen Materialaufwand, bezogen auf die Zellenfläche, bestimmt, d. h. von der Dicke des elektrisch aktiven Silizium-Materials einer Zelle, die bei herkömmlichen Solarzellen etwa 300 µm beträgt, sowie von den hohen Reinheitsanforderungen an das zur Verwendung kommende Silizium. So ist zur Zeit der Preis für das zur Solarzellenfertigung verwendete Silizium-Ausgangsmaterial etwa 50mal so hoch wie für "unreines" Silizium.
Ein technisch interessanter Weg zur Kostenreduzierung ist die Herstellung sogenannter "epitaxialer Silizium-Solarzellen", d. h. die Abscheidung einer hochreinen kristallinen Siliziumschicht auf einem "unreinen" Silizium-Substrat, welches selbst nicht den für effiziente Solarzellen erforderlichen Reinheitsgrad aufweist. Epitaxiale Silizium-Solarzellen dieser Art sind z. B. in folgenden Veröffentlichungen beschrieben: M. Wolf, "Designing Practical Silicon Solar Cells", 14th IEEE Photovoltaic Conf. 1980, S. 563-568, und P. H. Robinson et al., "Epitaxial Solar Cells on Metallurgical Grade Silicon Substrates", 14th IEEE Photovoltaic Conf. 1980, S. 54-57.
Mit Labormustern derartiger Zellen konnten Wirkungsgrade von etwa 10% bis 12% erzielt werden. Die Epitaxieschicht, d. h. die elektrisch aktive Schicht dieser Zellen wird aus Silizium- Halogenverbindungen, wie SiH₂Cl₂ oder SiHCl₃, abgeschieden. Sie hat eine Dicke von etwa 20 µm. Da Silizium ein sogenannter "indirekter" Halbleiter ist, müssen die Silizium-Epitaxieschichten mindestens so dick sein, um noch hinreichend effiziente Solarzellen fertigen zu können. Da jedoch das Kosten/Leistungs-Verhältnis einer epitaxialen Silizium-Solarzelle um so günstiger ist, je kleiner die Dicke der hochreinen Epitaxieschicht ist, sind Strukturen, die deren Verringerung erlauben, von besonderem technischen Interesse.
In der US-PS 39 93 533 ist ein Verfahren zur Herstellung dünner einkristalliner Halbleiterfilme, beispielsweise aus Si oder GaAs, beschrieben, die bei relativ niedrigen Herstellungskosten eine hinreichende Qualität für die Verwendung als aktive Schicht in einer Solarzelle aufweisen. Nach diesem Verfahren wird ein Dreischicht-Körper hergestellt, indem auf einem Block aus Silizium eine Mischkristallschicht und darauf epitaktisch eine hochreine Siliziumschicht abgeschieden werden. Die Mischkristallschicht wird beispielsweise aus einer Si-Ge-Verbindung hergestellt, die die gleiche Gitterstruktur und annähernd gleiche Gitterkonstanten wie, dagegen einen niedrigeren Schmelzpunkt als kristallines Silizium hat.
Nach dem beschriebenen Herstellungsverfahren dient die entstehende Dreischicht-Struktur jedoch nur als Zwischenprodukt, das als solches nicht in einer Solarzelle Anwendung findet. Von diesem Dreischicht-Körper wird durch Aufschmelzen der Mischkristallschicht die Silizium-Epitaxieschicht als hochreine Siliziumfolie abgelöst, die dann als aktive Schicht einer Silizium-Solarzelle zur Verwendung kommt. Es wird aber auch vorgeschlagen, die Si-Ge-Mischkristallschicht stärker als die Silizium-Epitaxieschicht zu dotieren, und eine Zweischicht- Struktur aus der Epitaxieschicht und einer nach dem Ablösen an ihrer Unterseite haften bleibenden Mischkristallschicht für die Zellenfertigung weiterzuverwenden. Die anhaftende p⁺-dotierte Si-Ge-Schicht soll dabei zur Verbesserung des Ohmschen Kontakts der die aktive Schicht der Solarzelle bildenden Siliziumfolie dienen, jedoch keinen Beitrag zur Energiewandlung liefern.
Angesichts dieses Standes der Technik liegt die Aufgabe der Erfindung darin, die Herstellungskosten von epitaxialen Silizium-Solarzellen zu verringern, indem die Dicke der hochreinen und teuren Silizium-Epitaxieschicht verringert wird, ohne den Wirkungsgrad der Solarzelle zu beeinträchtigen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine kristalline Mehrschicht-Struktur in einer Silizium-Solarzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Darin ist zwischen einer Silizium-Epitaxieschicht und einem Silizium-Substrat eine Mischkristallschicht ausgebildet, wobei alle drei Schichten den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen. Wie in der aus der US-PS 39 93 533 bekannten Zweischicht-Struktur hat die Mischkristallschicht die gleiche Gitterstruktur und annähernd gleiche Gitterkonstanten wie die Epitaxieschicht, sowie eine höhere Dotierstoffkonzentration als diese, wobei sich deren Wert aus der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Gleichung ergibt. In diese Gleichung gehen die Dotierstoffkonzentration der Epitaxieschicht, das Verhältnis der Eigenleitungskonzentration der Mischkristallschicht und der Eigenleitungskonzentration der Epitaxieschicht, die Differenz zwischen dem Bandabstand der Epitaxieschicht und dem Bandabstand der Mischkristallschicht sowie die Boltzmann-Konstante und die Temperatur ein.
Durch diese erfindungsgemäße Auslegung der Dotierung der Mischkristallschicht ist gewährleistet, daß die durch Absorption von einfallender Strahlung in der Mischkristallschicht generierten Minoritätsladungsträger auch tatsächlich zu einer Erhöhung des Photostroms beitragen können. Die Mischkristallschicht dient damit als elektrisch und optisch aktive Schicht bei der Energiewandlung und verbessert gezielt die optischen und elektrischen Eigenschaften der Silizium-Epitaxieschicht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Durch die Auslegung der Dicke der Mischkristallschicht entsprechend dem Patentanspruch 2 ist gewährleistet, daß der die Mischkristallschicht durchlaufende und ins Substrat eintretende Anteil, d. h. der transmittierte Anteil der einfallenden Strahlung praktisch zu Null geht, wodurch sich eine Erhöhung des Umwandlungs-Wirkungsgrades ergibt. Die in den Unteransprüchen 3 bis 5 angegebenen Merkmale dienen zur Verbesserung der optischen, kristallinen und elektrischen Eigenschaften der in der Solarzelle Anwendung findenden Mehrschicht-Struktur.
Die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 (a) eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mehrschicht-Struktur in einer Silizium-Solarzelle,
Fig. 1 (b) eine schematische Darstellung der optischen Verhältnisse in der Struktur nach Fig. 1 (a) und
Fig. 1 (c) eine Darstellung des Bändermodells zur Veranschaulichung der energetischen Verhältnisse in der Struktur nach Fig. 1 (a).
Im in Fig. 1 (a) dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen einem p⁺-dotierten Silizium-Substrat 1 und einer p-dotierten Silizium-Epitaxieschicht 2 eine p⁺- dotierte Si-Ge-Mischkristallschicht 3. Diese Si-Ge-Mischkristallschicht 3 weist vorzugsweise einen Ge-Anteil von 10 bis 30 Atom-% auf, im dargestellten Fall von 20 Atom-%. Eine derartige Si-Ge-Mischkristallschicht hat die gleiche Kristallstruktur wie kristallines Silizium, und ihre Gitterkonstante ist der Gitterkonstanten des Silizium-Kristallgitters angepaßt.
Entsprechend Fig. 1 (b) hat die Mischkristallschicht 3 einen Brechungsindex n M und einen Extinktionskoeffizienten M bzw. einen Absorptionskoeffizienten K M =4π M /λ, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung angibt. Der Brechungsindex n M sowie der Absorptionskoeffizient K M der Mischkristallschicht 3 sind hierbei höher als der Brechungsindex n E und der Absorptionskoeffizient K E der Silizium-Epitaxieschicht 2. Die Dicke d der Mischkristallschicht 3 ist so gewählt, daß für eine vorgegebene Grenzwellenlänge λ g folgende Relation gilt: d≧1/K M . In diesem Fall wird der transmittierte Anteil T der einfallenden Strahlung vernachlässigbar, d. h. T→0.
Da der Brechungsindex n E der Silizium-Epitaxieschicht 2 und der Brechungsindex n M der Si-Ge-Mischkristallschicht 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel die gleiche Größenordnung haben, gilt für den reflektierten Anteil R der einfallenden Strahlung bei kleinem Einfallswinkel in erster Näherung folgende Gleichung:
Der Anteil A der in der Mischkristallschicht 3 absorbierten Strahlung ist dann näherungsweise:
A = (1-R) · {1-exp (-K M · d)} (2)
Das Reflexionsvermögen sowie das Absorptionsvermögen der Mehrschicht-Halbleiterstruktur sind von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängig.
Folgendes Zahlenbeispiel gilt für die dargestellte Si-Ge- Mischkristallschicht 3 mit einem Ge-Anteil von 20 Atom-%. Bei einer Wellenlänge λ g =1 µm hat der Absorptionskoeffizient K M einen Wert von 6 · 104 cm-1. Nach Gleichung (1) ergibt sich dann mit n M ≅3,5 und M =0,48 ein reflektierter Strahlungsanteil R von 5,5% sowie ein absorbierbarer Anteil (1-R) von 94,5%. Bei einer Dicke d der Mischkristallschicht 3 von 5 · 10-5 cm können 95% des absorbierbaren Anteils (1-R) auch tatsächlich absorbiert werden. Hat die Dicke d der Mischkristallschicht 3 hingegen den doppelten Wert, gilt also d=1 · 10-4 cm, so werden 99,7% des absorbierbaren Anteils (1-R) der Strahlung in der Mischkristallschicht 3 absorbiert.
Wie aus dem Verlauf des Valenzbandes E V im in Fig. 1 (c) dargestellten Bändermodell der Mehrschicht-Struktur deutlich wird, ist die Mischkristallschicht 3 höher dotiert (p⁺) als die Silizium-Epitaxieschicht 2 (p). Durch die höhere Dotierung der Mischkristallschicht 3 im Vergleich zur Epitaxieschicht 2 wird erreicht, daß sich bei einer Verringerung der Breite der verbotenen Zone des Halbleiters um Δ E g die Kante des Leitungsbandes E C, M im Mischkristallgebiet auf der gleichen energetischen Höhe befindet wie die Kante des Leitungsbandes E C, E in der Silizium-Epitaxieschicht. Damit ist gewährleistet, daß die durch Absorption von Strahlung in der Mischkristallschicht 3 generierten Minoritätsladungsträger (Elektronen) auch zu einer Erhöhung des Photostroms beitragen können. Der erforderliche Dotierungspegel N a, M in der Mischkristallschicht 3 ist näherungsweise durch folgende Gleichung gegeben:
mit:
N a, M Dotierstoffkonzentration der Mischkristallschicht 3 N a, E Dotierstoffkonzentration der Epitaxieschicht 2 n i, M Eigenleitungskonzentration der Mischkristallschicht 3 n i, E Eigenleitungskonzentration der Epitaxieschicht 2 Δ E g Bandabstand der Epitaxieschicht 2 - Bandabstand der Mischkristallschicht 3 k Boltzmann-Konstante T absolute Temperatur
Bei obiger Betrachtung des Bändermodells wurde davon ausgegangen, daß die Elektronenaffinität der Mischkristallschicht 3 gleich der Elektronenaffinität der kristallinen Silizium- Epitaxieschicht 2 ist. Das gilt insbesondere für das gezeigte Beispiel eines Si-Ge-Mischkristalls.
Bei Silizium-Solarzellen hat die Akzeptorkonzentration in der aktiven Schicht in der Regel einen Wert N a, E von etwa 5 · 1016 cm-3. Aus experimentellen Untersuchungen am Mischkristallsystem Si-Ge ist bekannt, daß die Bandeinengung Δ E g für eine Mischkristallschicht mit einem Ge-Anteil von 20 Atom-% 0,1 eV beträgt. Bei Raumtemperatur (300 K) gilt weiterhin: kT=0,025 eV. Unter der Annahme, daß die Eigenleitungskonzentration n i, M der Ge-Si-Mischkristallschicht 3 mit einem Ge-Anteil von 20 Atom-% um den Faktor 5 über dem Wert der Eigenleitungskonzentration n i, E der Silizium-Epitaxieschicht 2 liegt, ergibt sich nach Gleichung (3) für die erforderliche Dotierung N a, M der Mischkristallschicht 3 näherungsweise ein Wert von 1,37 · 1018 cm-3.

Claims (5)

1. Kristalline Mehrschicht-Struktur in einer Silizium- Solarzelle mit einer Silizium-Epitaxieschicht (2), die auf einer Mischkristallschicht (3) abgeschieden ist, die die gleiche Gitterstruktur, annähernd gleiche Gitterkonstanten und den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxieschicht (2), jedoch eine höhere Dotierstoffkonzentration als diese aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkristallschicht (3) auf einem Silizium-Substrat (1) vom gleichen Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist und daß sich die Dotierstoffkonzentration N a, M der Mischkristallschicht (3) näherungsweise aus folgender Gleichung ergibt: mit:N a, M Dotierstoffkonzentration der Mischkristallschicht (3)N a, E Dotierstoffkonzentration der Epitaxieschicht (2)n i, M Eigenleitungskonzentration der Mischkristallschicht (3)n i, E Eigenleitungskonzentration der Epitaxieschicht (2)Δ E g Bandabstand der Epitaxieschicht (2) - Bandabstand der Mischkristallschicht (3)kBoltzmann-KonstanteTabsolute Temperatur
2. Kristalline Mehrschicht-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke d der Mischkristallschicht (3) für eine vorgegebene Grenzwellenlänge der Beziehung d 1/K M genügt, wobei K M den Absorptionskoeffizienten der Mischkristallschicht (3) angibt.
3. Kristalline Mehrschicht-Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkristallschicht (3) einen höheren Brechungsindex (n M ) sowie einen höheren Extinktionskoeffizienten ( M ) als kristallines Silizium aufweist.
4. Kristalline Mehrschicht-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkristallschicht (3) aus einer Silizium-Germanium- Legierung besteht.
5. Kristalline Mehrschicht-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (1) eine zumindest gleich hohe Dotierstoffkonzentration wie die Mischkristallschicht (3) aufweist.
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