DE3317108A1 - Duennfilm-halbleiterbauteil - Google Patents

Duennfilm-halbleiterbauteil

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Description

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- 4 BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Dünnfilm-Halbleiterbauteil, insbesondere eine Solarzelle.
In letzter Zeit sind große Anstrengungen unternommen worden, um Dünnfilm-Halbleiterbauteile mit amorphen, mikrokristallinen oder polykristallinen Halbleitern zu entwickeln. Dazu gehört auch amorphes Silizium, das im folgenden durch a-Si bezeichnet wird. Derartige Bauteile wurden in Konkurrenz zu den Bauteilen mit einkristallinen Halbleitern entwickelt. Nichtkristalline, mikrokristalline und polykristalline Halbleiter- bauteile weisen die Eigenschaft auf, daß die Ausbreitung eines Stroms in Filmrichtung nieder ist, da der Widerstand des Films hoch ist. Andererseits kann der Widerstand dadurch verringert werden, daß der Film durch Wärme, die zum Beispiel durch elektromagnetische Energie aufgebracht werden kann, kristallisiert wird.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird nun anhand der Fig. 1 erläutert, die einen schematischen Querschnitt durch eine herkömmliche amorphe Solarzelle 2 mit PIN-Zonenübergang darstellt, die auf einem Substrat 1 aus rostfreiem Stahl gebildet ist. Bei solchen Solarzellen muß der Halbleiter-Dünnfilm auf seinen beiden Seiten kontaktiert werden. Gemäß Fig. la erfolgt dies dadurch, daß auf dem Dünnfilm 2 ein leitfähiger Film als erste Elektrode 3 abgeschieden ist, die durch einen Elektrodenanschluß 4 kontaktiert ist. Der Anschluß der anderen Fläche des Dünnfilms 2 erfolgt dadurch, daß das Substrat 1 auf der dem Dünnfilm gegenüberliegenden Fläche einen Elektrodenanschluß 5 trägt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. Ib sind beide Elektrodenanschlüsse 4 und 5 auf derselben Seite des Substrats 1 vorhanden. Dazu ist vom Substrat ein Teil des Halbleiter-Dünnfilms, also der amorphen Siliziumschicht durch mechanische oder chemische Mittel ent-
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fernt. Danach ist der zweite Elektrodenanschluß auf dem Substrat von der Seite her angebracht, auf der auch der Dünnfilm 2 abgeschieden ist.
Der Aufbau gemäß Fig. la hat den Nachteil, daß der zur Verfügung stehende Platz zum Montieren und Verdrahten des Halbleiterbauteils beträchtlich eingeschränkt ist. Dieser Nachteil ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. Ib vermieden, jedoch ist bei dieser Ausführungsform ein Teil der a-Si-Schicht weggeätzt oder die Schicht muß von vornherein mit geringerer Fläche aufgebracht werden. Dadurch verringert sich der nutzbare Bereich des Halbleiterbauteils beträchtlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dünnfilm-Halbleiterbauteil gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs anzugeben, das so ausgebildet ist, daß beide Flächen des Dünnfilms von derselben Seite her kontaktiert werden können, ohne daß es dazu erforderlich ist, die Fläche des Dünnfilms erheblich zu verringern. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen neuen Bauteils anzugeben.
Die erfindungsgemäße Lösung für das Bauteil ist im Anspnch 1, für das Verfahren in Anspruch 8 wiedergegeben. Ein erfindungsgemäßes Bauteil zeichnet sich dadurch aus, daß der zweite Elektrodenanschluß über eine Elektrode auf derselben Seite des Dünnfilms angebracht ist, wie der erste Elektrodenanschluß. Im Bereich des zweiten Elektrodenanschlusses waist der Dünnfilm jedoch einen Bereich niedrigen Widerstandes auf, so daß durch die DUnnfilmschicht hindurch die gegenüberliegende leitfähige Substratfläche kontaktiert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß lokalisiert einem bekannten Dünnfilm-Halbleiterbauteil soviel Energie zugeführt wird, daß an dieser Stelle der Zonenüber-
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gang zerstört wird und in einer amorphen, mikrokristallinen oder polykristallinen Schicht ein Kristallisierungsprozeß stattfindet, wodurch die Leitfähigkeit an dieser Stelle erhöht wird. Im Gebiet des Dünnfilmbereichs niedrigen Widerstands ist die zweite Elektrode aufgebracht. Wird die Energie zum Erzeugen des Dünnfilmbereichs niedrigen Widerstandes durch einen hohen elektrischen Strom aufgebracht, so wird zunächst die zweite Elektrode und der zweite Elektrodenanschluß erzeugt, um Spannung zum Hervorrufen des Stromes anlegen zu können. Wird der Bereich niedrigen Widerstandes durch Einstrahlen von zum Beispiel Laserlicht erzeugt, so ist es von Vorteil, zumindest den Elektrodenanschluß erst nach dem Erzeugen des Bereichs niedrigen Widerstandes aufzubringen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. la und Ib
schematische Querschnitte durch herkömmliche Dünnfilm-Halbleiterba.uteile;
Fig. 2 einen Schnitt gemäß Fig. 1 durch ein erfindungsgemäßes Dünnfilm-Halbleiterbauteil;
Fig. 3a bis Je
schematische Querschnitte durch ein erfindungsgemäßes Bauteil während unterschiedlicher Ver
fahrensstufen;
Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bauteils gemäß Fig. 2;
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Fig. 5 Pulsformen von Pulsen zum Erzeugen eines Bereichs niedrigen Widerstandes;
Fig. 6 ein Diagramm der Widerstandsverteilung abhängig von der Zahl von Pulsen;
Fig. 7 und 8
Diagramme der Abhängigkeit von Halbleitercharakteristiken abhängig vom Serienwiderstand in einer amorphen Solarzelle;
Fig. 9 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite 10' Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils;
Fig. 10 eine schematische, perspektivische Ansicht des Bauteils gemäß Fig. 9J und
Fig. 11 einen schematischen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils mit mehreren Elektrodenbereichen.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil gemäß Fig. 2 ist eine a-Si-Schicht 12 als Solarzellenschicht auf einem Substrat aus rostfreiem Stahl oder einem anderen leitfähigen Substrat aufgebracht, das durch Abscheiden einer leitfähigen Schicht auf einem isolierenden Substratteil gebildet ist. Die a-Si-Schicht 12 weist einen Zonenübergang, wie einen PN-, PIN-Übergang oder eine MIS- oder Schottky-Barriere oder dergleichen auf. Der Film besteht aus einer einzelnen Schicht mit dem Zonenübergang oder einer Mehrzahl von Schichten. Durch einfallendes Licht wird eine photovoltaische Spannung erzeugt. Auf der dem Substrat abgewandten Fläche des Dünnfilms 12 sind zwei Elektrodenfilme I3 und I5 vorhanden. Der transparente Elektrodenfilm Ij5 bedeckt dabei den größeren Teil der Fläche
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der Solarzelle, der als lichtempfangender Bereich dient. Dagegen dient der transparente Elektrodenfilm 15 als Elektrode, um die am Substrat 11 anliegende Fläche der a-Si-Schicht 12 zu kontaktieren. Die Elektrodenfilme 13 und 15 sind voneinander getrennt. Auf ihnen sind durch eine Silberpaste Elektrodenanschlüsse 14 und 16 aufgebracht.
Um von der Elektrode 15 aus die gegenüberliegende Seite der a-Si-Schicht 12 kontaktieren zu können, muß zwischen dieser Elektrode und der gegenüberliegenden Seite ein Dünnfilmbereich 18 geringen Widerstands vorliegen. Dazu wird dem Dünnfilm lokal genug Energie zugeführt, um den Zonenübergang zerstören zu können. Der Elektrodenanschluß 16 liegt im Gebiet des Dünnfilm-Bereichs niedrigen Widerstandes.
Anhand der Fig. 3a bis 3e wird nun der HersteilVorgang des in Fig. 2 dargestellten Bauteils näher erläutert. Nachdem das Substrat 11 aus einem Metall oder einer Metalllegierung wie rostfreiem Stahl, Eisen, Kupfer, Silber, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Nickel, Eisen-Nickel-Legierungen oder anderen derartigen Legierungen gewaschen ist, wird die amorphe Halbleiterschicht 12 auf der einen Oberfläche des Substrates durch Niederschlag aus dem Vakuum (CVD) abgeschieden, wie dies in Fig. 3a dargestellt ist. Um die amorphe Halbleiterschicht 12 mit photoelektrischen Eigenschaften auszustatten, wird eine Einzelzelle oder eine Tandemzelle zum Beispiel mit PIN-Übergang geschaffen. Im Fall einer a-Si-Schieht werden drei Schichten vom P-Typ, I-Typ bzw. N-Typ nacheinander auf dem Substrat abgeschieden. Dabei wird zunächst SiH^-Gas mit einem geringen Anteil von BgHg-Gas, dann SiHu-Gas oder SiH2,-Gas und SiF2.-Gas und dann SiH2,- und/oder SiF^-Gas mit einem geringen Anteil von PH, verwendet. Die Filmdicke jeder Schicht ist so gewählt, daß
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die photovoltaische Wirkung maximal wird. Eine Ausführungsform einer Einzelzelle mit PIN-Übergang zeigt die folgenden Werte: Dicke der P-Schicht ~- 50 nm, der I-Schicht «— 500 nm und der N-Sohicht -v 15 nm. Im Fall einer Tandemzelle mit PIN-Übergängen: Dicke der P1-Schicht ~ 70 nm, der ^-Schicht ~ 350 nm, der N1-Schicht ^ I5 nm, der Pg-Schicht ^ I5 nm, der I2-Schicht -v 60 nm und der Ng-Schicht *v 15 nm.
Wie in Fig. 3d dargestellt, wird danach ein leitfähiger durchsichtiger Film A auf der gesamten Fläche der amorphen Halbleiterschicht 12 abgeschieden. Dies erfolgt durch Abscheiden von ITO (In2O, - SnO2) oder SnO2:Sb mit einer Schichtdicke von etwa 60 nm bis 100 nm. Das Abscheiden erfolgt durch Elektronenstrahl-Abscheidungstechniken oder durch Sputtern. Der durchsichtige leitfähige Film A erhält
.15 dann auf chemischem Wege ein Muster, wie es in Fig. 3c dargestellt ist, so daß die beiden Elektroden I3 und I5 entstehen. Die Elektrodenanschlüsse 14 und 16 sind durch Siebdruck mit Silberpaste auf den Elektroden I3 bzw. I5 aufgebracht.
Wie in Fig. J>d dargestellt, wird die Oberfläche der Anordnung mit einem durchsichtigen Harz I7 bis auf die Stellen der Anschlüsse 14 und 16 abgedeckt. Schließlich wird, wie in Fig. 3e dargestellt, die Übergangszone des PIN-Übergangs durch Zuführen elektromagnetischer Energie zwischen dem leitfähigen Substrat 11 und der Elektrode l6 zerstört und dabei ein Dünnfilmbereich 18 geringen Widerstands erzeugt» Der Widerstand Rs des Dünnfilmbereichs l8 ist geringer als einige 10 «Ω, . Die Eigenschaften der amorphen Solarzelle werden durch den Serienwiderstand Rs nicht verschlechtert, wenn die Zelle bei niedriger Beleuchtung (100 - 5000 lux) beleuchtet wird. In Fig. 4 ist eine nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Solarzelle für Verbrauchsgüter perspektivisch dargestellt.
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Die Energie zum Erzeugen des Dünnfilmbereichs niedrigen Widerstandes durch Zerstören des Zonenübergangs im Halbleiter-Dünnfilm kann als elektromagnetische oder als Wärmeenergie zum Beispiel durch elektrische Pulse, durch Laser, durch Elektronenstrahlen oder dergleichen zugeführt werden. Im folgenden wird ein Verfahren zum Erzeugen des Dünnfilmbereichs niedrigen Widerstandes beschrieben, bei dem elektrische Pulse verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel wurde eine amorphe Tandem-Solarzelle mit einem Aufbau aus rostfreiem Stahl/Pj-Ij-Nj/Pg-Ig-Ng/ITO verwendet. Die Schichtdicken waren P, *>~> 70 nm, I1 ~^ 400 nm, N1 "^ 15'nm, P2 *>^ 15 nm, I2 "V 60 nm, N2 -^ 15 nm und ITO *^70 nm (700 8). Eine Pulsspannung mit gegenüber der Sperrspannung umgekehrter Richtung wurde zwischen das Substrat 11 und die Elektrode 16 an der Ng-Seite so gelegt, daß das Substrat geerdet und die Elektrode positiv war. Mit einem Puls von + 50 V und einer Breite von 4 nsec, wie dies durch a in Fig. 5 dargestellt ist, wurde eine Verteilung des Serienwiderstandes Rs erzielt, wie dies in Kurve B von Pig. 6 dargestellt ist. Durch einen negativen und einen zusätzlichen positiven Puls gemäß b von Fig. 5 ließ sich der Widerstandswert so erniedrigen, wie dies in Kurve C von Fig. 6 dargestellt ist. Wurde ein Doppelpuls gemäß b von Fig. 5 zweimal an den Dünnfilmbereich 18 gegeben, wurde ein noch geringerer Wert erzielt, wie er in Kurve D von Fig. 6 dargestellt ist. Dieser Widerstandswert lag unter 20 Λ . Der Widerstandswert kann nicht bis auf null verringert werden, jedoch durch die beschriebenen elektromagnetischen Einwirkungen auf 1 bis 100 Ώ herabgesetzt werden.
Experimentelle Ergebnisse der Beeinflussung von Eigenschaften einer Solarzelle durch den Widerstandswert im Dünnfilmbereich 18 sind in den Fig. 7 und 8 dargestellt und werden im folgenden erläutert. In Fig. 8 ist der Einfluß des Wider-
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- li -
stands auf Strom und Spannung dargestellt, für den Fall, daß eine Solarzelle mit amorphem Silizium mit einer ZeIl-
fläche von 1 cm vorliegt, die durch eine Fluoreszenzlampe mit 200 lux beleuchtet wird. In Fig. 8 ist die Be-Ziehung zwischen dem Serienwiderstand und der prozentualen Abnahme verschiedener elektrischer Eigenschaften dargestellt. Wie aus den Fig. 7 und 8 ersichtlich ist, nehmen elektrische Eigenschaften ungefähr um 2 % ab, wenn der Serienwiderstand etwa 100 Λ 1st, da, wie oben angegeben, durch das Anlegen von Pulsen ein Widerstandswert von unter 20 Si erzielt werden kann, also ein noch.geringerer Wert als die 100i£2, für die Darstellungen in den Fig. 7 und 8 vorhanden sind, ist offensichtlich, daß die Eigenschaften einer amorphen Solarzelle durch den angegebenen Aufbau nicht verschlechtert werden.
Zum Zerstören der Halbleiter-Übergangszone können Laser, wie Argon-Laser, YAG-Laser und CO^-Laser verwendet werden.
Der Übergang konnte in einer amorphen Tandem-Solarzelle auch im Vakuum durch einen Elektronenstrahl (zum Beispiel 20 kV, 10 A) zerstört werden. In diesem Fall ergab sich eine geringere Energie zum Zerstören des Übergangs bei einer amorphen Siliziumzelle mit Wasserstoff (a-Si:H), die hauptsächlich aus Monosilan (SiH2,) hergestellt war, verglichen mit einer Zelle aus amorphem Silizium mit Fluor (a-Si:F:H), die mit SiF2I-GaS hergestellt war.
In der bisher beschriebenen Ausführungsform wurde eine Metallplatte als Substrat verwendet. Das Substrat kann jedoch auch aus einer durchsichtigen isolierenden Platte wie einer Glasplatte bestehen. Es wird dann ein durchsichtiger JO leitender Film 21 auf einer Fläche einer Glasplatte 20 abgeschieden, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Darauf wird dann eine amorphe Halbleiterschicht (PIN/PIN-Struktur) 22 auf übliche Art und Welse abgeschieden. Im Vakuum wird noch
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eine Metallschicht (Al) abgeschieden und auf chemische Art und Weise mit einem Muster versehen, wodurch Rückelektroden 23 und 25 gebildet sind. Auf diesen werden Elektrodenanschlüsse 24 und 26 mit Silberpaste aufgedruckt. Die Rückelektroden werden bis auf die Elektrodenanschlüsse mit Epoxyharz 27 bedeckt. Abschließend wird ein Dünnfilmbereich 28 niedrigen Widerstandes auf dieselbe Art und Weise, wie oben beschrieben, hergestellt, wodurch das Herstellverfahren abgeschlossen ist. In Fig. 10 ist ein solches Halbleiterbauteil perspektivische schematisch dargestellt.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen lag nur eine einzige Zelle vor. Es ist jedoch auch möglich, ein amorphes Solarzellen-Bauteil herzustellen,das eine Mehrzahl von Zellen beinhaltet, die elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind und auf demselben Substrat 20 aufgebracht sind, wie dies in Fig. 11 im Schnitt dargestellt ist.
Anmeldegemäß können also Elektroden zum Kontaktieren der beiden Seiten eines Halbleiter-Dünnfilms auf einer Seite des Dünnfilms angebracht werden. Im Bereich der einen Elektrode wird jedoch der Widerstand des Dünnfilms erniedrigt. Auf diese Art und Weise werden Zellen erzielt, die auf einfache Art und Weise zu größeren Einheiten zusammengebaut werden können, was die Automatisierung erleichtert und dadurch die Herstellkosten erheblich verringert. Außerdem ist der Platz, der zum Zusammenbau benötigt wird, erheblich verringert, wodurch sich auf gleicher Baufläche eine größere Solarzellen-Fläche erzielen läßt als bisher.

Claims (11)

  1. • - · t ι
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    TER MEER-MULLER-STEINMEISTEf
    PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
    DipL-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister SSÄe f; MÜIIer Artur-Ladebeok-Strasse ö,
    D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1
    Mü/J/ho
    2057-GER-H 10. Mai 1983
    SHARP KABUSHIKI KAISHA 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka Japan
    Dünnfilm-Halbleiterbauteil
    Priorität: 10. Mai 1982, Japan, Nr. 57-78851 10. Mai I982, Japan, Nr. 57-78852
    PATENTANSPRÜCHE
    Dünnfilm-Halbleiterbauteil mit
    - einem leitfähigen Substrat (11; 20, 21),
    - einem Halbleiter-Dünnfilm (12; 22), mit mindestens einem Zonenübergang auf dem Substrat, - einer ersten Elektrode (13; 23) auf dem Dünnfilm mit einem ersten Elektrodenanschluß (14; 24), und
    - einem zweiten Elektrodenanschluß (16; 26), geken. η zeichnet durch
    - eine zweite Elektrode (15; 25) auf dem Dünnfilm und - einen Dünnfilm-Berelch (18; 28) niedrigen Widerstands zwischen der zweiten Elektrode und dem leitfähigen Substrat.
    , .« ··.:·" ."· Sharp K.K. - 2057
  2. 2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm einen Übergang wie einen PN, PIN, MIS oder Schottkybarrieren-Übergang oder eine Mehrzahl von Schichten mit solchen Übergängen aufweist.
  3. 3· Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Substrat einen isolierenden durchsichtigen Substratteil (20) und auf diesem einen durchsichtigen leitfähigen Film (21) aufweist.
  4. 4. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Dünnfilmbereichen (18; 28), ersten Elektroden (13; 23) und zweiten Elektroden (15; 25).
  5. 5· Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (15; 25) durch den Dünnfilmbereich (18; 28) niedrigen Widerstands mit einem Dünnfilmbereich gegenüber der Elektrode verbunden ist.
  6. 6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen amorphen Halbleiter-Dünnfilm.
  7. 7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Solarzelle ist.
    .:"/ .">'SJiarp K. K. - 2057
  8. 8. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
    - einen Verfahrensschritt, in dem dem Halbleiter-Dünnfilm lokal genügend Energie zugeführt wird* um den Zonenübergang an dieser Stelle zu zerstören und so den Dünnfilmbereich (l8;28) niedrigen Widerstands zu erzeugen, und
    - einen anderen Verfahrensschritt (b in Fig. J>), in dem im Gebiet des Dünnfilmbereichs niedrigen Widerstands die zweite Elektrode (15;25) aufgebracht wird.
  9. 9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch mindestens einen Puls aufgebracht wird, der gegenüber der Zonenübergangsspannung umgekehrte Spannung aufweist.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch elektrische Pulse positiver und negativer Polarität aufgebracht wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch einen Elektronenstrahl, einen Laserstrahl oder einen fokussierten Lichtstrahl aufgebracht wird.
DE19833317108 1982-05-10 1983-05-10 Duennfilm-halbleiterbauteil Granted DE3317108A1 (de)

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JP57078851A JPS58196060A (ja) 1982-05-10 1982-05-10 薄膜半導体装置
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DE3317108A1 true DE3317108A1 (de) 1983-11-10
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