DE3307165A1 - ELECTROCHEMICAL PHOTOELEMENT - Google Patents

ELECTROCHEMICAL PHOTOELEMENT

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DE3307165A1
DE3307165A1 DE19833307165 DE3307165A DE3307165A1 DE 3307165 A1 DE3307165 A1 DE 3307165A1 DE 19833307165 DE19833307165 DE 19833307165 DE 3307165 A DE3307165 A DE 3307165A DE 3307165 A1 DE3307165 A1 DE 3307165A1
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Rajendra Prof.Dr. 73069 Norman Okla. Singh
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Description

Patentanwälte : : Patent attorneys:

DipL-Ing. Hane-Jürgen Müller " *"* *° 3307165DipL-Ing. Hane-Jürgen Müller "*" * * ° 3307165

DipL-Chem. Dr. Gerhard Sciiupfner £DipL-Chem. Dr. Gerhard Sciiupfner £

DipL-Ing. Hans-Peter GaugerDipL-Ing. Hans-Peter Gauger

Luclto-erahn-Str. 38 - D 8000 Mönchen 80Luclto-erahn-Str. 38 - D 8000 monks 80

Energy Conversion Devices, Inc 1675 Went Maple Road Energy Conversion Devices, Inc 1675 Went Maple Road

Troy, Michigan υ..·.;, λ. Troy, Michigan υ .. ·.;, Λ.

E LEKTRO C H R M Ί Γ> Γ H E Γ, F 0 T OELEME N TE LEKTRO C HRM Ί Γ> Γ HE Γ, F 0 T OELEME NT

Elektrochemisches FotoelementElectrochemical photo element

Die Erfindung bezieht sich auf Sperrschicht-Fotoelemente, insbesondere mit Flüssigkeitsübergang, die eine auf einer H=ilbleiterschicht abgeschiedene tunnelierbare Grenzflächen- *ci. "cht aufweisen.The invention relates to photovoltaic barrier elements, in particular with a liquid transition, which has a tunnelable boundary surface deposited on a semiconducting layer. * ci. "do not have.

Halbleiter-Sperrschicht-Fotoelemente, die Sonnen- oder andere Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandeln, sind allgemein bekannt und werden seit einigen Jahren als Energieversorgung für Satelliten und abgelegene Bodeneinrichtungen eingesetzt. Eine umfassende Anwendung von Sperrschicht-Fotoelementen ist jedoch bisher nicht möglich wegen der hohen Kosten, die mit dem Ziehen und Schneiden der erforderlichen Siliziumkristalle verbunden sind, sowie wegen der hohen Empfindlichkeit solcher Bauelemente gegenüber Kristallfehlern und Verunreinigungen entlang der stromaufnehmenden Übergangsfläche.Semiconductor junction photo elements that convert solar or other radiant energy into electrical energy, are well known and have been used for several years as power supplies for satellites and remote ground facilities used. A widespread application of barrier layer photo elements is not possible because of the high cost associated with pulling and cutting the required silicon crystals, as well as the high sensitivity of such components Crystal defects and impurities along the upstream Transition surface.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit diesen Problemen und verwendet eine amorphe oder polykristalline Siliziumhalbleiterbasis, eine tunnelierbare Grenzflächenschicht sowie einen Elektrolyten, die jeweils so ausgewählt sind, daß eine Inversion entlang der Halbleiteroberfläche erfolgt. Diese Inversion minimiert die Auswirkung von Kristallfehlern und Verunreinigungen, so daß der Aufbau nicht in hohem Maß von Oberflächenzuständen und anderen Fehlern der Grenzflächenschicht abhängig ist. Dadurch, daß die Notwendigkeit für einen kristallinen Halbleiter nicht gegeben und die Empfindlichkeit gegenüber Abnormalitäten des Oberflächenzustands verringert ist, werden in sich einfache und kostengünstigeThe present invention addresses these problems and employs an amorphous or polycrystalline silicon semiconductor base a tunnelable interface layer and an electrolyte, each selected so that an inversion occurs along the semiconductor surface. This inversion minimizes the effect of crystal defects and impurities, so that the build-up is not largely due to surface conditions and other defects of the interface layer is dependent. Because there is no need for a crystalline semiconductor and there is no sensitivity against surface condition abnormalities are inherently simple and inexpensive

Fotoelemente, die in einfacher Weise in Massenfertigung herstellbar sind, erhalten. Die resultierenden Sperrschicht-Fotoelemente sind in bezug auf Betriebskennlinien und Wirkungsgrad günstiger als ideale Sperrschicht-Fotoelemente mit pn-übergang.Photo elements that can be mass-produced in a simple manner are obtained. The resulting barrier photo elements are cheaper than ideal barrier photo elements in terms of operating characteristics and efficiency with pn junction.

Die resultierenden Sperrschicht-Fotoelemente sind sowohl für die direkte Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität als auch für die Erzeugung von Wasserstoffgas durch Elektrolyse in einem Elektrolyten einsetzbar. Außerdem bildet die extrem dünne Grenzflächenschicht einen Schutzüberzug, der eine Kontaktierung und Korrosion der Halbleiteroberfläche durch den Elektrolyten verhindert. Damit werden Lebensdauer und Stabilität der Fotoelemente erheblich gesteigert.The resulting barrier photo elements are both useful for converting solar energy directly into electricity Can also be used for the generation of hydrogen gas by electrolysis in an electrolyte. In addition, it forms extremely thin interface layer provides a protective coating that causes contact and corrosion of the semiconductor surface prevents the electrolyte. This considerably increases the service life and stability of the photo elements.

Die Erfindung richtet sich auf ein elektrochemisches Fotoelement zur direkten Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie. Das elektrochemische Fotoelement ist über eine erste und eine zweite Elektrode mit einem Verbraucherkreis oder einer anderen Last gekoppelt. Das Fotoelement selbst umfaßt einen Halbleiterbasisaufbau mit einer Kontaktfläche auf einer Seite, die elektrisch mit der ersten Elektrode gekoppelt ist, und hat mindestens eine Halbleiterschicht mit einer Übergangsfläche, wobei die Halbleiterschicht eine Elektronenaffinität X und eine Bandabstands-Energie EThe invention is directed to an electrochemical photo element for the direct conversion of solar energy into electrical energy Energy. The electrochemical photo element is connected to a consumer circuit via a first and a second electrode or another load. The photo element itself comprises a semiconductor base structure with a contact area on one side that is electrically coupled to the first electrode, and has at least one semiconductor layer with a transition area, the semiconductor layer having an electron affinity X and a bandgap energy E.

s gss gs

Eine tunnelierbare Grenzflächenschicht mit einer Elektronenaffinität X. und einer^.Bandabsfeartds--Erreirg'ire E'"".~'ist auf der Übergangsoberfläche der obersten Halbleiterschicht abgeschieden. Schließlich ist ein Elektrolyt in elektrischA tunnelable interface layer with an electron affinity X. and a ^ .Bandabsfeartds - Erreirg'ire E '"". ~' Is on deposited on the transition surface of the top semiconductor layer. After all, an electrolyte is in electrical

* ft ·* ft

leitender Beziehung zwischen der zweiten Elektrode und der Grenzflächenschicht gehalten.maintained conductive relationship between the second electrode and the interface layer.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterbasisaufbau ein η-leitender Einzelschichthalbleiter, und der Elektrolyt 1Su so gewählt, daß sein Redoxpotential größer als die Summe der Elektronenaffinität und des Bandabstands der Einzelschicht-Halbleiterbasis ist. Alternativ kann die Halbleiterbasis ein p-leitender Einzelschicht-Halbleiter sein, und in diesem Fall ist der Elektrolyt so ausgewählt, daß sein Redoxpotential kleiner als die Elektronenaffinität der Halbleiterbasis ist.In one embodiment, the semiconductor base structure is an η-conductive single-layer semiconductor, and the electrolyte 1 Su is selected such that its redox potential is greater than the sum of the electron affinity and the band gap of the single-layer semiconductor base. Alternatively, the semiconductor base may be a p-type single layer semiconductor, in which case the electrolyte is selected so that its redox potential is less than the electron affinity of the semiconductor base.

Gemäß der Erfindung sind die Grenzflächenschicht und die Einzelschicht-Halbleiterbasis so ausgewählt, daß der Bandabstand E . der tunnelierbaren Grenzflächenschicht größer oder gleich der Elektronenaffinität der einzigen Halbleiterschicht minus die Elektronenaffinität der Grenzflächenschicht plus die Bandabstands-Energie der Halbleiter-Einzelschicht ist.According to the invention, the interface layer and the single layer semiconductor base are selected so that the band gap E. of the tunnelable interface layer is greater than or equal to the electron affinity of the single semiconductor layer minus the electron affinity of the interface layer plus the bandgap energy of the semiconductor single layer is.

Um tunnelierbar zu sein, sollte die Grenzflächenschicht eine Dicke von ca. 10-40 A* haben. Ferner sind der Elektrolyt und die Halbleiterschicht so gewählt, daß das Redoxpotential des Elektrolyten und die Austrittsarbeit der Halbleiterschicht eine Inversion der Übergangsfläche der Halbleiterschicht bewirken.In order to be tunnelable, the interface layer should have a thickness of approx. 10-40 Å *. Also are the electrolyte and the semiconductor layer selected so that the redox potential of the electrolyte and the work function of the semiconductor layer cause an inversion of the transition area of the semiconductor layer.

Da die Dicke der Grenzflächenschicht so gering ist, können Fehler vorhanden sein, die ein Eindringen des Elektrolyten durch die Grenzflächenschicht an einzelnen Stellen undBecause the thickness of the interface layer is so small, there may be defects that prevent the electrolyte from penetrating through the interface layer at individual points and

chemisches Angreifen der Halbleiterschicht ermöglichen. Infolgedessen ist bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine stromleitende Halbleiterschicht über der Grenzflächenschicht zwischen dieser und dem Elektrolyten vorgesehen. Der stromleitende Halbleiter ist so gewählt, daß er Solarenergie nicht absorbiert. Die Dicke des stromleitenden Halbleiters ist so gewählt, daß ein reflexionsmindernder Effekt erzielt wird. Gemäß dem bevorzugten Ausführungbeispiel der Erfindung hat der stromleitende Halbleiter ferner eine Austrittsarbeit, die im wesentlichen gleich dem Redoxpotential des Elektrolyten ist.enable chemical attack of the semiconductor layer. As a result, in a further embodiment of the Invention an electrically conductive semiconductor layer over the interface layer between this and the electrolyte intended. The conductive semiconductor is chosen so that it does not absorb solar energy. The thickness of the conductive Semiconductor is chosen so that a reflection-reducing effect is achieved. According to the preferred embodiment According to the invention, the current-conducting semiconductor also has a work function which is essentially equal to the redox potential of the electrolyte is.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt die Halbleiterbasis ein stromleitendes Substrat mit der Kontaktfläche auf einer Seite, einer ersten Oberfläche auf seiner anderen Seite und einer Mehrzahl Halbleiterschichten, die auf der ersten Oberfläche in stromleitender Beziehung dazu abgeschieden sind, wobei diese Schichten so angeordnet sind, daß sie abwechselnd nacheinander η-leitende und p-leitende Halbleiter sind. Jede Halbleiterschicht ist halbdurchlässig, so daß ein Teil der sie durchsetzenden Solarenergie von der Halbleiterschicht absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird.According to another embodiment of the invention, the semiconductor base comprises an electrically conductive substrate with the Contact area on one side, a first surface on its other side and a plurality of semiconductor layers, deposited on the first surface in conductive relationship thereto, these layers being so arranged are that they are alternately η-type and p-type semiconductors. Every semiconductor layer is semi-permeable, so that part of the solar energy penetrating it is absorbed by the semiconductor layer and in electrical energy is converted.

Die Nutzung einer Mehrzahl Halbleiterschichten mit abwechselnd aufeinanderfolgender Leitfähigkeit hat zur Folge, daß der Sperrschicht-Fotoeffekt an jedem Halbleiterschicht-übergang additiv ist, wodurch die Leerlaufspannung des Systems etwa auf die gleiche Weise erhöht wird, in der zwei Batterien reihengeschaltet werden, um die resultierende Ausgangsspannung zu erhöhen.The use of a plurality of semiconductor layers with alternating conductivity has the consequence that the junction photo effect at every semiconductor junction is additive, which increases the open circuit voltage of the system in much the same way that it does two batteries can be connected in series to increase the resulting output voltage.

Das elektrochemische Fotoelement nach der Erfindung, das zwischen eine erste und eine zweite Elektrode koppelbar ist zur Umwandlung von auf das Fotoelement auftreffender Sonnenenergie in elektrische Energie, ist gekennzeichnet durch eine Halbleiterbasis mit einer Kontaktfläche, die mit der '!.'■en Elektrode elektrisch gekoppelt ist und wenigstens eine Halbleiterschicht mit einer Übergangsfläche aufweist, die eine Elektronenaffinität X und eine Bandabstands-Energie E hat, durch eine tunnelierbare Grenzflächenschicht mit einer Elektronenaffinität X. und einer Bandabstands-Energie E ., die auf der Übergangsfläche der wenigstens einen Halbleiterschicht vorgesehen ist, und durch einen Elektrolyten, der in elektrisch leitender Beziehung zwischen der zweiten Elektrode und der Grenzflächenschicht angeordnet ist.The electrochemical photo element according to the invention, the can be coupled between a first and a second electrode for converting solar energy incident on the photo element in electrical energy, is characterized by a semiconductor base with a contact surface that communicates with the '!.' ■ en electrode is electrically coupled and at least comprises a semiconductor layer with a junction area having an electron affinity X and a bandgap energy E has, through a tunnelable interface layer with an electron affinity X. and a band gap energy E., Which is provided on the transition surface of the at least one semiconductor layer, and through an electrolyte that is in electrically conductive relationship between the second electrode and the interface layer is arranged.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail, for example, with the aid of the drawing. Show it:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung des Bauelements nach der Erfindung in elektrisch leitender Beziehung zwischen zwei Elektroden;Fig. 1 is a simplified representation of the component according to the invention in electrically conductive Relationship between two electrodes;

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung der physischenFig. 2 is a simplified representation of the physical

Beziehung zwischen dem Elektrolyten, der Grenzflächenschicht und dem Halbleiter-Bauelement gemäß dem Stand der Technik;Relationship between the electrolyte, the interface layer and the semiconductor device according to the state of the art;

Fig. 3 ein Gleichgewichts-Energiebanddiagramm zur Verdeutlichung von Fig. 2;Fig. 3 is an equilibrium energy band diagram illustrating Fig. 2;

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei eine leitende Halbleiterschicht zwischen dem Elektrolyten und der Grenzflächenschicht vorgesehen ist;Fig. 4 is a simplified representation of an embodiment of the invention, wherein a conductive Semiconductor layer is provided between the electrolyte and the interface layer;

Fig. 5 ein Gleichgewichts-Energiebanddiagramm für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4; undFigure 5 is an equilibrium energy band diagram for the Embodiment according to FIG. 4; and

Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung eines dritten6 shows a simplified representation of a third

Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Halbleiterbasis eine Mehrzahl von Dünnschicht-Halbleitern in Stapelanordnung aufweist und die Dünnfilm-Halbleiter abwechselnd aufeinanderfolgend η-leitende und p-leitende Halbleiter sind.Embodiment of the invention, wherein the semiconductor base is a plurality of thin-film semiconductors has in a stacked arrangement and the thin film semiconductors alternately one after the other η-conducting and p-conducting semiconductors are.

Nach Fig. 1 enthält ein Elektrolytbehälter 12 einen geeigneten Elektrolyten 14, und ein Verbraucherkreis oder eine Last 16 ist elektrisch zwischen eine erste Elektrode 18 und eine zweite Elektrode 20, die in den Elektrolyten 14 eintaucht, angeschlossen. Die erste Elektrode 18 ist elektrisch mit einer Halbleiter-Grenzflächenschicht-Kombination 22 verbunden. Diese ist so positioniert, daß elektrische Energie erzeugt wird, wenn auf die Oberfläche der Halbleiter-Grenzflächenschicht-Kombination 22 Sonnenenergie 24 auftrifft. Die vorliegende Erfindung umfaßt als wesentliche Komponenten den Elektrolyten 14 und die Halbleiter-Grenzflächenschicht-Kombination bzw. -Struktur 22.According to Fig. 1, an electrolyte container 12 contains a suitable electrolyte 14, and a consumer circuit or load 16 is electrically between a first electrode 18 and a second electrode 20, which is immersed in the electrolyte 14, connected. The first electrode 18 is electrically connected to a semiconductor interface layer combination 22. This is positioned so that electrical energy is generated when applied to the surface of the semiconductor-interface layer combination 22 solar energy 24 hits. The present invention comprises as essential components the electrolyte 14 and the semiconductor interface layer combination or structure 22.

Selbstverständlich sind die Mittel, in denen der Elektrolyt enthalten ist, unbeachtlich, solange sich der Elektrolyt in elektrisch leitender Beziehung zu der Halbleiter-Grenzflächenschicht-Struktur befindet. Ferner ist zu beachten, daß die zweite Elektrode 20 entweder aus einer geeigneten lichtdurchlässigen Struktur bestehen kann oder außerhalb der Bahn der Sonnenenergie angeordnet sein kann, so daß die Sonnenenergie auf den Übergang zwischen der Grenzflächenschicht und dem Halbleiter auftrifft.Of course, the means in which the electrolyte is contained are irrelevant as long as the electrolyte is in electrically conductive relationship to the semiconductor interface layer structure is located. It should also be noted that the second electrode 20 can either consist of a suitable transparent structure or outside of the Path of solar energy can be arranged so that the solar energy on the transition between the interface layer and the semiconductor hits.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik, mit einer ersten Elektrode 30, die elektrisch leitend mit einer Halbleiterbasis 32 verbunden ist. Eine dünne tunnelierbare Grenzflächenschicht 34 ist auf die Übergangsfläche 35 der Halbleiterbasis 32 entweder von außen IU^ Gebracht oder auf diese aufgewachsen. Ein leitender Elektrolyt 36 ist anschließend in einem Behältnis (nicht gezeigt) in elektrisch leitender Beziehung zu der Grenzflächenschicht 34 angeordnet, wobei eine zweite Elektrode 38 in dem Elektrolyten 36 so angeordnet ist, daß den Elektrolyten und die Grenzflächenschicht durchsetzende und in die Oberfläche der Halbleiterbasis 32 eintretende Strahlungsenergie 39 die Erzeugung elektrischer Energie bewirkt, die zwischen der ersten Elektrode 30 und der zweiten Elektrode 38 fließt.Fig. 2 shows an embodiment according to the prior Technology, with a first electrode 30 which is electrically conductively connected to a semiconductor base 32. One thin tunnelable interface layer 34 is on the transition surface 35 of the semiconductor base 32 either from the outside IU ^ Brought or raised on this. A senior Electrolyte 36 is then in a container (not shown) in electrically conductive relationship to the interface layer 34 arranged, wherein a second electrode 38 is arranged in the electrolyte 36 so that the electrolyte and radiant energy penetrating the interface layer and entering the surface of the semiconductor base 32 39 causes the generation of electrical energy which flows between the first electrode 30 and the second electrode 38.

Die Halbleiterbasis ist entweder kristallin, z. B. ein Silizium-Einkristall, polykristallin oder amorph und kann ein n- oder ein p-leitender Halbleiter sein. Z. B. wurde bei einer früheren Ausführungsform ein Elektrolyt-Grenzflächenschicht-Halbleiter-Bauelement (EIS-Bauelement) hergestellt unter Anwendung eines η-leitenden tellurdotierten GaAs-HaIb-The semiconductor base is either crystalline, e.g. B. a silicon single crystal, polycrystalline or amorphous and can be an n- or a p-conducting semiconductor. For example, in an earlier embodiment, an electrolyte interface layer semiconductor device was used (EIS component) manufactured using an η-conductive tellurium-doped GaAs halide

22 -3 leiters mit einer Trägerkonzentration von ca. 5x10 m22 -3 conductor with a carrier concentration of approx. 5x10 m

Die erste Elektrode 30 auf der Rückseite der Halbleiterbasis 32 kann unter Anwendung konventioneller Aufbringverfahren hergestellt sein und aus irgendeinem geeigneten stromleitenden Metall oder einer solchen Legierung, z. B. aus Aluminium, bestehen.The first electrode 30 on the rear side of the semiconductor base 32 can be carried out using conventional deposition methods be made and of any suitable electrically conductive metal or alloy, e.g. B. made of aluminum, exist.

Die Grenzflächenschicht 34 hat eine tunnelierbare Dicke, so daß Strom die Grenzflächenschicht 34 passieren kann, obwohlThe interface layer 34 has a tunnelable thickness so that current can pass through the interface layer 34, though

die Grenzflächenschicht materialmäßig normalerweise ein Isolator ist. Um das Vorhandensein des Tunneleffekts zu gewährleisten, hat die Grenzflächenschicht bevorzugt eine Dicke zwischen ca. 10 und 40 8 je nach der Halbleiterbasis. Die Grenzflächenschicht kann entweder ein natürliches Dielektrikum sein, das z. B. üblicherweise durch Oxidation der Oberfläche der Halbleiterbasis 32 aufwächst, oder sie kann ein extern abgeschiedenes Dielektrikum sein. Im letztgenannten Fall kann die Grenzflächenschicht eines einer Anzahl verschiedener Oxide sein, z. B. Nb3O5, Sb3O3, SiO3, TiO3, Ta3O5, oder ein anderes geeignetes Material, das den nachstehend genannten Kriterien genügt.the interface layer is normally an insulator in terms of material. In order to ensure the presence of the tunnel effect, the interface layer preferably has a thickness between approximately 10 and 40 8, depending on the semiconductor base. The interface layer can either be a natural dielectric, e.g. B. usually grows by oxidation of the surface of the semiconductor base 32, or it can be an externally deposited dielectric. In the latter case, the interface layer can be one of a number of different oxides, e.g. B. Nb 3 O 5 , Sb 3 O 3 , SiO 3 , TiO 3 , Ta 3 O 5 , or another suitable material that meets the criteria mentioned below.

Der Elektrolyt 36 kann ebenfalls eine von mehreren verschiedenen Verbindungen bzw. Gemischen sein, z. B. (IMK9Se, IMSe, IMKOH) oder (IMNa3S, IMS, IMNaOH).The electrolyte 36 can also be one of several different compounds or mixtures, e.g. B. (IMK 9 Se, IMSe, IMKOH) or (IMNa 3 S, IMS, IMNaOH).

Damit der Elektrolyt, das Material der Grenzflächenschicht und die Halbleiterbasis in solcher Weise in Wechselwirkung treten, daß aufgrund des Auftreffens von Sonnenenergie elektrische Energie erzeugt wird, sind verschiedene Kriterien zu erfüllen. Erstens sollten der Elektrolyt und die Halbleiterbasis so ausgewählt sein, daß sie ein solches Redoxpotential bzw. eine solche Austrittsarbeit haben, daß die Übergangsfläche der Halbleiterbasis 32 invertiert wird. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn der Bandabstand E . der Grenzflächenschicht 34 größer als oder gleich der Elektronenaffinität X der Halbleiterbasis minus die Elektronens So that the electrolyte, the material of the interface layer and the semiconductor base interact in such a way occur that electrical energy is generated due to the impact of solar energy, are different criteria to meet. First, the electrolyte and semiconductor base should be selected to be one Have a redox potential or a work function such that the transition surface of the semiconductor base 32 is inverted. This condition is met if the band gap E. of the interface layer 34 is greater than or equal to the electron affinity X of the semiconductor base minus the electrons

affinität X. der Grenzflächenschicht plus die Bandab-affinity X. of the interface layer plus the band gap

stands-Energie E der Halbleiterbasis 32 ist. Ferner 3 gsstand energy E of the semiconductor base 32 is. Furthermore 3 gs

sollte das Redoxpotential V , für eine EIS-Solarzelleshould be the redox potential V, for an EIS solar cell

mit einer η-leitenden Halbleiterbasis größer als die Summe der Elektronenaffinität und des Bandabstands der Halbleiterbasis sein. Gleichermaßen sollte für EIS-Solarzellen mit p-leitender Halbleiterbasis der Elektrolyt ein Redoxpotential aufweisen, das kleiner als die Elektronenaffinität der 1S. '^leiterbasis ist.with an η-conducting semiconductor base be greater than the sum of the electron affinity and the band gap of the semiconductor base. Similarly conductive p-EIS for solar cells with semiconductor-based, the electrolyte should have a redox potential that is less than the electron affinity of 1 p '^ conductor base is.

Fig. 3 zeigt ein einfaches Gleichgewichts-Energiebanddiagramm für eine η-leitende EIS-Solarzelle, wobei E . und E die Bandabstände der Grenzflächenschicht 34 bzw. derFigure 3 shows a simple equilibrium energy band diagram for an η-conductive EIS solar cell, where E. and E are the band gaps of the interface layer 34 and the

Halbleiterbasis 32 bezeichnen; φ . ist die Elektrolyt-Isolator-Grenzschichthöhe und steht in Beziehung zu dem Redoxpotential des Redoxpaars im Elektrolyten in bezug auf den Vakuumpegel; "ψ" ist das Oberflächenpotential derDenote semiconductor base 32; φ. is the electrolyte-insulator interface height and is related to the redox potential of the redox couple in the electrolyte the vacuum level; "ψ" is the surface potential of the

Halbleiterbasis; £ bezeichnet den Abstand zwischen dem Ferminiveau und dem Leitungsband im Inneren der Halbleiterbasis; d ist die Dicke der Grenzflächenschicht; φ . istSemiconductor base; £ denotes the distance between the Fermi level and the conduction band inside the semiconductor base; d is the thickness of the interface layer; φ. is

5 X5 X

die Energiedifferenz zwischen der Halbleiterbasis (Leitungsbandkante) und der Leitungsbandkante der Grenzflächenschicht; und v. ist der Spannungsabfall an dem Grenzflächenschichtübergang. the energy difference between the semiconductor base (conduction band edge) and the conduction band edge of the interface layer; and V. is the voltage drop at the interface layer transition.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine leitende Halbleiterschicht 40 zwischen der Grenzflächenschicht 34 und dem Elektrolyten 36 vorgesehen ist. Wie bereits erwähnt, hat die Zwischenschaltung der Grenzflächenschicht 34 den Zweck, die Halbleiterbasis gegen korrosive Auswirkungen des Elektrolyten 36 zu schützen. Da jedoch die Grenzflächenschicht äußerst dünn ist, können vom Idealfall abweichende Zustände auftreten, die den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Solarzellen-Bauelements nachteilig beeinflussen.Fig. 4 shows another embodiment of the invention, in which a conductive semiconductor layer 40 between the Interface layer 34 and the electrolyte 36 is provided. As already mentioned, the interposition of the Interface layer 34 has the purpose of protecting the semiconductor base against the corrosive effects of the electrolyte 36. There However, if the interface layer is extremely thin, conditions deviating from the ideal can occur, which affect the efficiency and adversely affect the life of the solar cell component.

Ein Fehler, der in der extrem dünnen Grenzflächenschicht vorhanden sein kann, ist z. B. ein Feinlunker. Feinlunker ermöglichen es dem Elektrolyten, in engen Kontakt mit einem kleinen Bereich der Halbleiterbasis 32 zu gelangen, so daß die Korrosionsvorgänge des Elektrolyten 36 die Halbleiterbasis 32 angreifen und die günstigen Auswirkungen der Grenzflächenschicht auf die Sperrschichteigenschaften in dem kleinen Bereich beseitigen. Ferner wirkt der Feinlunkerbereich als Schottky- oder Heteroübergangs-Diode, wenn nicht gewollt eine Grenzflächenschicht eingeführt wird. Wenn die Oberfläche des Halbleiters 32 nicht invertiert wird, können die Feinlunker auch dafür verantwortlich sein, daß die Leerlaufspannung um ca. 100 mV verringert wird, wie bereits erwähnt, besteht ja einer der Vorteile des angegebenen Bauelements, dessen Material so ausgewählt ist, daß an der Übergangsfläche der Halbleiterbasis 32 eine invertierte Oberfläche erzeugt wird, darin, die Auswirkungen solcher Feinlunker erheblich zu verringern. In der Tat wurde gefunden, daß bei starker Inversion der Oberfläche mehr alsOne flaw that may be present in the extremely thin interface layer is e.g. B. a pinhole. Feinlunker allow the electrolyte to come into close contact with a small area of the semiconductor base 32 so that the corrosion processes of the electrolyte 36 attack the semiconductor base 32 and the beneficial effects of the interface layer to eliminate the barrier properties in the small area. The pinhole area is also effective as a Schottky or heterojunction diode, if an interface layer is not intentionally introduced. If the Surface of the semiconductor 32 is not inverted, the pinholes can also be responsible for the Open circuit voltage is reduced by approx. 100 mV, as already mentioned, there is one of the advantages of the specified component, the material of which is selected so that on the Transition surface of the semiconductor base 32 creates an inverted surface, in the effects of such Significantly reduce pinholes. Indeed, it has been found that when the surface is strongly inversed, more than

7 27 2

10 Feinlunker je m mit einem Durchmesser von 1 um oder weniger toleriert werden können, ohne daß die Eigenschaften des Bauelements verschlechtert werden.10 pinholes per m with a diameter of 1 µm or less can be tolerated without the properties of the component being impaired.

Ein weiterer den Idealzustand beeinträchtigender Fehler im Zusammenhang mit der Grenzflächenschicht ist die Oxidfalle, die sich entweder aus der amorphen Beschaffenheit der Grenzflächenschicht oder aus der Anwesenheit von Fremdatomen oder -ionen ergibt. Die Tunnelierung ist zwar ein wirksamer Transportmechanismus für die hier betroffenen dünnen Schichten, vergleichbare Ströme könnten jedoch das Oxid aufgrund eines Sprungvorgangs mit hohen Fallendichten durchqueren. DaAnother flaw in connection with the interface layer which affects the ideal state is the oxide trap, which result either from the amorphous nature of the interface layer or from the presence of foreign atoms or ions. Tunneling is an effective transport mechanism for the thin layers affected here, however, comparable currents could traverse the oxide with high trap densities due to a jump process. There

solche Sprungvorgänge am wahrscheinlichsten sind, wenn die Energieänderung je Sprung klein ist, wird durch eine Fallenkonzentration bei einer bestimmten Energie im Oxid die Kommunikation zwischen dem Elektrolyten und dem Halbleiter .,η 1 dieser Energie verbessert. Eine hohe Dichte von Oxidfal-. *n ^ahe der Kante des Minoritätsträgerbands im Halbleiter verstärkt die Kommunikation zwischen dem Elektrolyten und diesem Band.Such jump processes are most likely when the change in energy per jump is small, caused by a trap concentration at a certain energy in the oxide the communication between the electrolyte and the semiconductor ., η 1 of this energy improved. A high density of Oxidfal-. * near the edge of the minority carrier tape in the semiconductor enhances communication between the electrolyte and this tape.

Ein weiterer vom Idealzustand abweichender Zustand bei einer extrem dünnen Grenzflächenschicht kann die Nichtstöchiometrie sein. Wenn jedoch die Oberfläche der Halbleiterbasis stark invertiert ist, wirkt sich die Nichtstöchiometrie nicht auf die Funktionsweise des Bauelements aus.Another state deviating from the ideal state in the case of an extremely thin interface layer can be the non-stoichiometry be. However, when the surface of the semiconductor base is highly inverted, the non-stoichiometry is affected does not affect the functionality of the component.

Durch die Inversion der Oberfläche der Halbleiterbasis 32 wird zwar die Auswirkung der meisten vom Idealzustand abweichenden Zustände minimiert, es ist jedoch trotzdem erwünscht, die Halbleiterbasis gegenüber aem Elektrolyten zu schützen, und zwar insbesondere an den Feinlunkerbereichen an der Grenzflächenschicht. Um dieses Ziel zu erreichen, wird gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach dem Aufbringen der äußerst dünnen dielektrischen Grenzflächenschicht ein leitender Halbleiter mit weitem Bandabstand (größer als 3,2 eV, so daß er Licht im sichtbaren Spektrum nicht absorbiert) mit einer Dicke von ca. 750 α (λ/4 oder dessen ungeradzahliges Vielfaches, um einen reflexionsmindernden Beschichtungseffekt zu erreichen, wobei X die durchschnittliche Solarenergiewellenlänge ist, bei der die Stromleistung maximal ist) aufgebracht, so daß er die Oberfläche der Grenzflächenschicht 34 überdeckt. DieBecause of the inversion of the surface of the semiconductor base 32, the effect of most of them becomes from the ideal state deviating states minimized, but it is nevertheless desirable to the semiconductor base against an electrolyte protect, especially in the pinhole areas at the interface layer. To reach this goal, is according to a further embodiment of the invention after the application of the extremely thin dielectric Interface layer is a conducting semiconductor with a wide band gap (greater than 3.2 eV, so it is light in the visible Spectrum not absorbed) with a thickness of approx. 750 α (λ / 4 or its odd multiple, um to achieve a reflection-reducing coating effect, where X is the average solar energy wavelength at which the power output is maximum) applied so that it covers the surface of the interface layer 34. the

resultierende Dreischichtenstruktur wird dann in den ELektrolyten 36 getaucht. Die Austrittsarbeit des leitenden Halbleiters 40 mit breitem Bandabstand ist so gewählt, daß sie gleich dem Redoxpotential des Elektrolyten 36 ist. Dabei sollte wiederum die Oberfläche der Halbleiterbasis invertiert werden, um eine optimale Funktionsweise zu erzielen. Dies kann dadurch sichergestellt werden, daß die Austrittsarbeit des leitenden Halbleiters und das Redoxpotential des Elektrolyten entsprechend ausgewählt werden.resulting three-layer structure is then incorporated into the electrolyte 36 submerged. The work function of the wide band gap conductive semiconductor 40 is selected so that it is equal to the redox potential of the electrolyte 36. Again, the surface of the semiconductor base should be inverted in order to achieve optimal functionality. This can be ensured that the work function of the conductive semiconductor and the redox potential of the Electrolytes are selected accordingly.

Insbesondere ergibt sich der optimale Wert für eine n-leitende Halbleiterbasis wie folgt:In particular, the optimal value results for an n-type Semiconductor base as follows:

VNHE -(W- 4,7)> V„_ + finV redox FBn V NHE - (W- 4,7)> V "_ + f inV redox FBn

V„o = das flache Bandpotential des n-leitendenV " o = the flat band potential of the n-type

HalbleitersSemiconductor

k = Boltzmannsche Konstantek = Boltzmann's constant

T = TemperaturT = temperature

N_ = Ladungsträgerkonzentration in dem Halbleiter oder der BasisN_ = charge carrier concentration in the semiconductor or the base

q = die elektronische Ladungq = the electronic charge

n. = Eigenleitungsdichte der Träger in der Halbleiterbasis n. = intrinsic conduction density of the carriers in the semiconductor base

W = die Austrittsarbeit des stromleitenden Halbleiters undW = the work function of the conductive semiconductor and

NHE = das Redoxpotential der Elektrolyt-Oxidations-Reduktion, gemessen auf der normalen Wasserstoffelektrodenskala.NHE = the redox potential of the electrolyte oxidation reduction, measured on the normal Hydrogen electrode scale.

Ebenso gilt für p-leitende Halbleiter folgendes:The following also applies to p-conducting semiconductors:

VNHE = (W- 4,7) < VFBp + Egs redox V NHE = (W- 4,7) <V FBp + Egs redox

* 7Bd = ^as flacne Bandpotential des p-leitenden Halbleiters,* 7 Bd = ^ as fl acne band potential of the p-conducting semiconductor,

Egs = Bandabstand der Halbleiterbasis, W = Austrittsarbeit des stromleitendenEgs = band gap of the semiconductor base, W = work function of the conductive one

Halbleiters N. = die Ladungsträgerkonzentration in der GrenzflächenschichtSemiconductor N. = the carrier concentration in the Interface layer

q die elektronische Ladung und n. = die Eigenleitungsdichte der Träger in der Halbleiterbasis.q is the electronic charge and n. = the intrinsic conductivity of the carriers in the Semiconductor base.

Das Gleichgewichts-Energiebanddiagramm des Bauelements aus Elektrolyt - leitendem Halbleiter - Grenzflächenschicht Halbleiterbasis (= ESIS-Bauelement) ist in Fig. 5 für ein η-leitendes Halbleiterbasismaterial dargestellt, wobei:The device's equilibrium energy band diagram Electrolyte - conductive semiconductor - interface layer semiconductor base (= ESIS component) is in Fig. 5 for a η-conducting semiconductor base material shown, where:

w1 w 1 = W - X1 = W - X 1 desof IsolatorsIsolator xi x i = Elektronenaffinität= Electron affinity desof HalbleitersSemiconductor = Elektronenaffinität= Electron affinity VFBn V FBn "Τ" - Φη"Τ" - Φη

W = die Austrittsarbeit des stromleitenden HalbleitersW = the work function of the conductive semiconductor

ίοίο

χ1 = die Sperrschichthöhe des Halbleiterisolators V- = das Redoxpotential des Elektrolyten in bezug auf den Unterdruckpegelχ 1 = the barrier layer height of the semiconductor insulator V- = the redox potential of the electrolyte in relation to the negative pressure level

V__ * das flache Bandpotential des Halbleiters φ = die Differenz zwischen Ferminiveau und demV__ * the flat band potential of the semiconductor φ = the difference between the Fermi level and the

Leitungsband in der Masse der Halbleiterbasis ijr.y. = das Oberflächenpotential der HalbleiterbasisConduction band in the bulk of the semiconductor base ijr.y. = the surface potential of the semiconductor base

bei invertierter Oberfläche.with inverted surface.

Der stromleitende Halbleiter kann ZnO, SnO2, Indiumzinnoxid oder jedes andere geeignete Oxidmaterial sein, das stromleitend ist, eine reflexionsmindernde Wirkung hat, so daß die Höchstmenge an Licht den leitenden Halbleiter durchdringt, und das einen ausreichend breiten Bandabstand aufweist, so daß es keine Strahlungsenergie in dem Spektrum absorbiert, das zur Aktivierung des Halbleiters für die Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird.The conductive semiconductor can be ZnO, SnO 2 , indium tin oxide or any other suitable oxide material which is conductive, has an anti-reflective effect so that the maximum amount of light penetrates the conductive semiconductor, and which has a sufficiently wide band gap that there is no radiant energy absorbed in the spectrum that is used to activate the semiconductor for generating electrical energy.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zwei oder mehr Sperrschicht-Halbleiterschichten vorgesehen sind, die so funktionieren, als wären sie reihengeschaltet, wodurch eine höhere Spannung erhalten wird. Ein solches Solarzellen-Bauelment ist von besonderer Bedeutung bei der Steigerung des Wirkungsgrads der Wasserstofferzeugung in der Fotoelektrolyse wäßriger Elektrolyten.Fig. 6 shows a further embodiment of the invention wherein two or more junction semiconductor layers are provided that function as if they were connected in series, whereby a higher voltage is obtained. Such a solar cell component is of particular importance in increasing the efficiency of hydrogen generation in the photoelectrolysis of aqueous electrolytes.

Daher umfaßt die Halbleiterbasis von Fig. 6 ein leitendes Substrat 42, auf das ein η-leitender Dünnfilm-Halbleiter mit üblichen Abscheidungsverfahren aufgebracht ist. Danach ist auf den η-leitenden Halbleiter ein p-leitender Halbleiter 46 abgeschieden, und darauf ist wiederum ein zweiterTherefore, the semiconductor base of Fig. 6 comprises a conductive substrate 42 on which an η-type thin film semiconductor is applied with conventional deposition processes. According to this, the η-conductive semiconductor is a p-conductive semiconductor 46 is deposited, and on top of it is another one

η-leitender Halbleiter 48 abgeschieden. Jede dieser Halbleiterschichten 44, 46 und 48 ist eine Dünnfilm-Halbleiterschicht, und sie sind zum Teil lichtdurchlässig und zum Teil lichtabsorbierend. Tunnelübergänge 45 und 47 mit einer Dicke \ "^n 100-200 8 und η -ρ -Konfiguration sind zwischen ^n Schichten 44 und 46 sowie 46 und 48 durch geeignete Dotierung derart, daß jeder Übergang hochleitfähig ist, ausgebildet. Die Dotierstoffkonzentration der Übergangszonen 45 und 47 ist im wesentlichen gleich derjenigen der Grenzflächenschicht 34 und in ähnlicher Weise gebildet. Dann ist die Grenzflächenschicht 34 auf der Oberfläche des letzten η-leitenden Halbleiters 48 aufgebracht, und zwar entweder durch Oxidation der Oberschicht des η-leitenden Halbleiters oder durch geeignete externe Abscheidungsverfahren, mit denen eine andere Zusammensetzung auf dem obersten n-leitenden Halbleiter abgeschieden wird. Der Halbleiter kann polykristallin, amorph oder ein Mischphasenhalbleiter sein. Die Austrittsarbeit des leitenden Halbleiters 40 mit breitem Bandabstand und das Redoxpotential des Elektrolyten 36 sind bevorzugt möglichst weitgehend aneinander angepaßt. Das Substrat kann Glas, rostfreier Stahl oder ein anderes derartiges Material sein.η-conductive semiconductor 48 deposited. Each of these semiconductor layers 44, 46 and 48 is a thin film semiconductor layer, and they are partly translucent and partly light-absorbing. Tunnel junctions 45 and 47 with a thickness \ "^ n 100-200 8 and η -ρ configuration are between ^ n layers 44 and 46 as well as 46 and 48 by suitable Doping in such a way that each junction is highly conductive, educated. The dopant concentration of the transition zones 45 and 47 is essentially the same as that of the interface layer 34 and formed in a similar manner. Then the interface layer 34 is on the surface of the last Applied η-conductive semiconductor 48, either by oxidation of the top layer of the η-conductive semiconductor or by suitable external deposition processes, with which a different composition on the uppermost n-type Semiconductor is deposited. The semiconductor can be polycrystalline, amorphous or a mixed phase semiconductor. The work function of the wide band gap conductive semiconductor 40 and the redox potential of the electrolyte 36 are preferably matched to one another as largely as possible. The substrate can be glass, stainless steel, or another be such material.

Es ist zu beachten, daß gemäß der Erfindung jede gewünschte Anzahl Halbleiterschichten aufeinander stapelbar ist. Es ist jedoch ebenfalls zu beachten, daß beim Stapeln von immer mehr Schichten die zur untersten Schicht durchdringende Sonnenenergie, die in Elektrizität umzuwandeln ist, mengenmäßig immer weiter abnimmt, wodurch die Vorteile solcher weiterer Halbleiterschichten verringert werden. Auch kann die Folge der Leitfähigkeitstypen der Halbleiter umgekehrtIt should be noted that according to the invention, any desired Number of semiconductor layers can be stacked on top of one another. However, it should also be noted that when stacking always more layers the solar energy penetrating to the lowest layer, which is to be converted into electricity, in terms of quantity continues to decrease, as a result of which the advantages of such further semiconductor layers are reduced. Also can the sequence of conductivity types of semiconductors is reversed

werden,so daß die Halbleiterschicht 44 p-leitend, die Halbleiterschicht 46 η-leitend und die Halbleiterschicht p-leitend ist.are, so that the semiconductor layer 44 p-type, the Semiconductor layer 46 η-conductive and the semiconductor layer is p-conductive.

Es wurde gefunden, daß die Leerlaufspannung des spezifischen npn-Bauelements von Fig. 6 nahezu verdoppelt wird, während eine Erhöhung der Stromdichte etwa um die Hälfte oder geringfügig mehr erhalten wird im Vergleich zu der Stromdichte eines Sperrschicht-Fotoelements mit nur einer Halbleiterschicht gemäß Fig. 4. Ferner ist zu beachten, daß die Anforderungen hinsichtlich der Widerstandsanpassung weniger streng sind, wenn das Sperrschicht-Fotoelement bei der Wasserstofferzeugung verwendet wird. Das Bauelement nach Fig. 6 ist somit ein wirksames System zur Erzeugung von Wasserstoff mit höherem Wirkungsgrad, als das mit einem Bauelement mit nur einer Halbleiterschicht möglich ist.It has been found that the open circuit voltage of the specific npn device of FIG. 6 is almost doubled during an increase in current density of about half or slightly more is obtained compared to the current density of a barrier layer photo element with only one semiconductor layer as shown in FIG. 4. Furthermore, it should be noted that the Resistance matching requirements are less stringent when the junction photo element is used Hydrogen generation is used. The component of FIG. 6 is thus an effective system for generating Hydrogen with a higher efficiency than is possible with a component with only one semiconductor layer.

Das folgende Beispiel dient der Erläuterung der Erfindung.The following example serves to explain the invention.

Beispielexample

Ein η-leitendes tellurdotiertes GaAs-Plättchen mit einerAn η-conductive tellurium-doped GaAs plate with a

22 -3 Ladungsträgerkonzentration von ca. 5 χ 10 m wurde hergestellt, mit Xylol entfettet und dann unter Anwendung einer Schwabbelscheibe chemomechanisch mit einer 1 % Bromlösung in Methanol poliert. Zur Beseitigung der mechanischen Oberflächenschäden, die durch das chemomechanische Polieren entstanden waren, wurde der Kristall in NHH (NH4OH/H2O2/ H2O im Verhältnis von 10/1/1) während 15 s chemisch geätzt und anschließend während 1 min in SHH (H2SO./H2O2/22 -3 charge carrier concentration of approx. 5 χ 10 m was prepared, degreased with xylene and then chemomechanically polished with a 1% bromine solution in methanol using a buffing disk. To remove the mechanical surface damage caused by chemomechanical polishing, the crystal was chemically etched in NHH (NH 4 OH / H 2 O 2 / H 2 O in a ratio of 10/1/1) for 15 s and then for 1 min in SHH (H 2 SO./H 2 O 2 /

-aar- /3-aar- / 3

H2O im Verhältnis 10/1/1) geätzt. Nach dem Ätzen wurde das Plättchen gründlich mit entionisiertem Wasser gewaschen und dann in einer Stickstoffatmosphäre getrocknet.H 2 O in the ratio 10/1/1). After the etching, the wafer was washed thoroughly with deionized water and then dried in a nitrogen atmosphere.

Oc ■ Aufwachsen der Grenzflachenoxidschicht erfolgte, indem Q.»s GaAs-Plättchen in ein Quarzrohr eingebracht und während einer Dauer von 50 h wasserdampfgesättigter Sauerstoff über das Plättchen geleitet wurde. Der Ruhekontakt wurde durch thermisches Aufdampfen einer Ge-Au-Legierung auf die Rückfläche und anschließendes Glühen in Formiergas bei 400 °C gebildet.Oc ■ The interface oxide layer was grown by Q. »s GaAs platelets placed in a quartz tube and during a period of 50 h of water vapor-saturated oxygen was passed over the platelet. The normally closed contact was by thermal vapor deposition of a Ge-Au alloy on the Back surface and subsequent annealing in forming gas at 400 ° C.

Das oxidierte GaAs-Plättchen wurde dem Elektrolyten, bestehend aus einem 1/1-Gemisch von AlClg/Butylpyridiniumchlorid (BPC), ausgesetzt. Die Sperrschicht-Eigenschaften wurden unter AMl-Beleuchtung gemessen. Die Leerlaufspannung erhöhte sich von einem typischen Wert von 590 mV ohne die Grenzflächenschicht auf 640 mV. Die übrigen Parameter sowie die Kurzschlußstromdichte und der Füllfaktor waren relativ unverändert.The oxidized GaAs platelets were added to the electrolyte, consisting of a 1/1 mixture of AlClg / butylpyridinium chloride (BPC). The barrier properties were measured under AMI lighting. The open circuit voltage increased from a typical value of 590 mV without the interface layer to 640 mV. The remaining parameters as well the short-circuit current density and the fill factor were relatively unchanged.

Claims (13)

PatentansprüchePate claims ntan Elektrochemisches Fotoelement, das zwischen eine erste und eine zweite Elektrode koppelbar ist zur Umwandlung von au " das Fotoelement auftreffender Sonnenenergie in elektrische Energie,
gekennzeichnet durch eine Halbleiterbasis (32) mit einer Kontaktfläche, die mit der ersten Elektrode (18, 30) elektrisch gekoppelt ist und wenigstens eine Halbleiterschicht (22) mit einer Übergangsfläche aufweist, die eine Elektronenaffinität X und eine Bandabstands-Energie E hat; eine tunnelierbare Grenzflächenschicht (34) mit einer Elektronenaffinität X.^ und einer Bandabstands-Energie E ., die auf der Obergangsfläche der wenigstens einen Halbleiterschicht vorgesehen ist; und einen Elektrolyten (14), der in elektrisch leitender Beziehung zwischen der zweiten Elektrode und der Grenzflächenschicht angeordnet ist.
Electrochemical photo element that can be coupled between a first and a second electrode to convert solar energy incident onto the photo element into electrical energy,
characterized by a semiconductor base (32) having a contact area electrically coupled to the first electrode (18, 30) and having at least one semiconductor layer (22) with a junction area having an electron affinity X and a bandgap energy E; a tunnelable interface layer (34) with an electron affinity X. ^ and a bandgap energy E., which is provided on the surface of the at least one semiconductor layer; and an electrolyte (14) disposed in electrically conductive relationship between the second electrode and the interface layer.
2. Elektrochemisches Fotoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,2. Electrochemical photo element according to claim 1, characterized in that daß die Halbleiterbasis (32) ein η-leitender Einzelschicht-Halbleiter ist und daß der Elektrolyt (14) aus der Gruppe von Elektrolyten ausgewählt ist, deren Redoxpotential größer als die Summe der Elektronenaffinität ohne Vorspannung und des Bandabstands der Halbleiterschicht ist.that the semiconductor base (32) is an η-conductive single-layer semiconductor and that the electrolyte (14) is selected from the group of electrolytes whose redox potential is greater than the sum of the electron affinity with no bias and the band gap of the semiconductor layer. 3. Elektrochemisches Fotoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,3. Electrochemical photo element according to claim 1, characterized, daß die Halbleiterbasis (32) ein p-leitender Einzelschicht-that the semiconductor base (32) is a p-conductive single-layer Halbleiter (46) und der Elektrolyt aus der Gruppe von Elektrolyten ausgewählt ist, deren Redoxpotential kleiner als die Summe der Elektronenaffinität ohne Vorspannung und des Bandabstands der Halbleiterschicht ist.Semiconductor (46) and the electrolyte is selected from the group of electrolytes whose redox potential is lower than the sum of the electron affinity with no bias and the band gap of the semiconductor layer. 4. Elektrochemisches Fotoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,4. Electrochemical photo element according to claim 1, characterized in that daß die Halbleiterbasis (32) eine Einzelschicht ist und daß die Grenzflächenschicht (34) und die Halbleiterschicht (22) wie folgt ausgewählt sind:that the semiconductor base (32) is a single layer and that the interface layer (34) and the semiconductor layer (22) are selected as follows: Egi > Xs - Xi E gi> X s - X i 5. Elektrochemisches Fotoelement nach einem der Ansprüche 1-4,5. Electrochemical photo element according to one of claims 1-4, dadurch gekennzeichnet,characterized, daß die Grenzflächenschicht eine Dicke im Bereich von 10-40 8 hat.that the interface layer has a thickness in the range of 10-40 8. 6. Elektrochemisches Fotoelement nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Halbleiterbasis eine Einzelschicht ist, dadurch gekennzeichnet,6. Electrochemical photo element according to one of claims 1-5, wherein the semiconductor base is a single layer, characterized, daß der Elektrolyt (14) und die Halbleiterschicht (22) so ausgewählt sind, daß sie ein solches Redoxpotential bzw. eine solche Austrittsarbeit aufweisen, daß die Übergangsfläche der Halbleiterschicht invertiert wird. that the electrolyte (14) and the semiconductor layer (22) are selected so that they have such a redox potential or have such a work function that the transition surface of the semiconductor layer is inverted. 7. Elektrochemisches Fotoelement nach einem der Ansprüche 1-6,7. Electrochemical photo element according to one of claims 1-6, gekennzeichnet durchmarked by eine über der Grenzflächenschicht (34) zwischen dieser und dem Elektrolyten (14) aufgebrachte leitende Halbleiterschicht (40) zum Schutz der Grenzflächenschicht (34) und der Halbleiterbasis (32) gegenüber dem Elektrolyten, . ->b^ ' der leitende Halbleiter so ausgewählt ist, daß Lichtenergie innerhalb eines bestimmten Spektrums ihn durchsetzt, und die Dicke des leitenden Halbleiters so ausgewählt ist, daß er reflexionsmindernd wirkt.one over the interface layer (34) between this and the electrolyte (14) applied conductive semiconductor layer (40) to protect the interface layer (34) and the Semiconductor base (32) with respect to the electrolyte,. -> b ^ 'the conductive semiconductor is selected so that light energy permeates it within a certain spectrum, and the thickness of the conductive semiconductor is selected in such a way that that it has a reflection-reducing effect. 8. Elektrochemisches Fotoelement nach einem der Ansprüche 2, 3,4,5 oder 6,8. Electrochemical photo element according to one of claims 2, 3, 4, 5 or 6, gekennzeichnet durchmarked by eine über der Grenzflächenschicht (34) zwischen dieser und dem Elektrolyten (14) aufgebrachte leitende Halbleiterschicht (40) zum Schutz der Grenzflächenschicht (34) und der Halbleiterbasis (32) gegenüber dem Elektrolyten, wobei der leitende Halbleiter so ausgewählt ist, daß Lichtenergie innerhalb eines ausgewählten Spektrums ihn durchsetzt, und die Dicke des leitenden Halbleiters so ausgewählt ist, daß er reflexionsmindernd wirkt.a conductive semiconductor layer applied over the interface layer (34) between this and the electrolyte (14) (40) to protect the interface layer (34) and the semiconductor base (32) against the electrolyte, wherein the conductive semiconductor is selected so that light energy within a selected spectrum permeates it, and the thickness of the conductive semiconductor is selected to be anti-reflective. 9. Elektrochemisches Fotoelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,9. Electrochemical photo element according to claim 7, characterized in that daß der Bandabstand des leitenden Halbleiters größer als 3,2 eV ist und daß seine Dicke im wesentlichen gleich nA/4 ist, mit η = eine ungerade ganze Zahl und Λ die mittlere Wellenlänge des auf die Übergangsfläche auftreffenden aktivierenden Lichts.that the band gap of the conductive semiconductor is greater than 3.2 eV and that its thickness is substantially equal to nA / 4 is, with η = an odd integer and Λ the mean wavelength of the incident on the transition surface activating light. 10. Elektrochemisches Fotoelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,10. Electrochemical photo element according to claim 7, characterized in that daß die Austrittsarbeit des leitenden Halbleiters eine lineare Funktion des Redoxpotentials des Elektrolyten ist.that the work function of the conductive semiconductor is a linear function of the redox potential of the electrolyte is. 11. Elektrochemisches Fotoelement nach einem der Ansprüche oder 7,11. Electrochemical photo element according to one of the claims or 7, dadurch gekennzeichnet,characterized, daß die Halbleiterbasis wie folgt ausgebildet ist: mit einem leitenden Substrat (42) mit einer ersten Oberfläche auf der einen Seite, zu welcher die Kontaktfläche entgegengesetzt ist; undthat the semiconductor base is formed as follows: with a conductive substrate (42) with a first Surface on one side to which the contact surface is opposite; and - mit einer Mehrzahl von Halbleiterschichten (44, 46, 48) mit abwechselnd aufeinanderfolgender n- und p-Leitfähigkeit, wobei jede Halbleiterschicht auftreffende Sonnenenergie absorbiert und einen elektrischen Strom erzeugt, wodurch die Leerlaufspannung des Systems infolge des Einbaus der Mehrzahl Halbleiterschichten erhöht wird.- With a plurality of semiconductor layers (44, 46, 48) with alternating n- and p-conductivity, with each semiconductor layer incident solar energy absorbs and generates an electric current, reducing the open circuit voltage of the system as a result of the Incorporation of the plurality of semiconductor layers is increased. 12. Elektrochemisches Fotoelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,12. Electrochemical photo element according to claim 10, characterized in that daß jede der Mehrzahl Halbleiterschichten (44, 46, 48) ein hinreichend dünner Film ist, so daß jede Schicht nur einen Teil der auftreffenden Solarenergie absorbiert.that each of the plurality of semiconductor layers (44, 46, 48) is a sufficiently thin film that each layer is only one Part of the incident solar energy is absorbed. 13. Elektrochemisches Fotoelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,13. Electrochemical photo element according to claim 10, characterized in that daß die Mehrzahl Halbleiterschichten umfaßt:that the plurality of semiconductor layers comprises: eine erste, η-leitende Halbleiterschicht (44), die auf das Substrat (42) aufgebracht ist, eine zweite, p-leitende Halbleiterschicht (46), die auf die erste, η-leitende Halbleiterschicht (44) aufgebracht ist, unda first, η-conductive semiconductor layer (44) which is applied to the substrate (42), a second, p-conducting semiconductor layer (46) which is applied to the first, η-conducting semiconductor layer (44) is and eine dritte, η-leitende Halbleiterschicht (48), die auf die zweite, p-leitende Halbleiterschicht (46) zwischen
dieser und der Grenzflächenschicht (34) aufgebracht ist unter Bildung eines ersten Stromaufnahme-Übergangs (4 5) zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht und x.ines zweiten Stromaufnahme-Übergangs (47) zwischen der dritten Halbleiterschicht und dem Elektrolyten (14).
a third, η-conductive semiconductor layer (48), which is on the second, p-conductive semiconductor layer (46) between
this and the interface layer (34) is applied to form a first current consumption transition (4 5) between the first and the second semiconductor layer and x.ines second current consumption transition (47) between the third semiconductor layer and the electrolyte (14).
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