DE3330541A1

DE3330541A1 - Solarzelle und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3330541A1
Application number: DE19833330541
Authority: DE
Inventors: Kotaro Itami Hyogo Mitsui; Yoshinori Yukimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-08-24
Filing date: 1983-08-24
Publication date: 1984-03-15
Also published as: US4493941A; JPS5936977A

Description

39122

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo / Japan 5

Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt, und insbesondere eine Solarzelle mit Hetero-Frontflache, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Fig. 1A zeigt als schematische Schnittdarstellung eine

herkömmliche AlGaAS/GaAs-Solarzelle mit Heterofrontflächenaufbau, die als sehr effektive Solarzelle bekannt ist. Auf einem n-GaAs-Substrat 1 ist eine p-GaAs-Schicht durch Diffusion von p-Störstellen, durch Ioneninjektion oder epitaxiales Aufwachsen gebildet, auf welcher wiederum

eine p-AlGaAs-Schicht durch epitaxiales Aufwachsen hergestellt ist. Es ist bekannt, daß die so ausgebildete Solarzelle ein in Fig. 1B gezeigtes Bandendiagramm besitzt. Außerdem besteht ein Energieabstand faE zwischen der p-GaAs-Schicht 2 und der p-AlGaAs-Schicht 3, das

dem Bandabstand E _Λ - E „ gleich ist. Das Vorhandensein

g1 g2

dieses Energieabstandes spielt eine wesentliche Rolle in dieser Solarzelle.

Die Solarzelle mit Heterofrontflächenaufbau nach Fig. 1A 30 verringert sehr wirkungsvoll die Rekombination von Trägern an der Oberfläche der p-GaAs-Schicht 2, so daß eine sehr wirksame Solarzelle vorhanden ist. Es wird jedoch in dieser Solarzelle eine p-GaAs-Schicht 2 mit hoher Trägermobilität als hauptaktiver Bereich eingesetzt.

Das n-GaAs-Substrat 1 besitzt niedrige Mobilität, und die das Substrat 1 erreichende einfallende Lichtmenge ist klein, so daß das Substrat 1 nicht wirksam ausgenutzt wird. In Sonderheit trägt eine Verarmungsschicht 12, die im Bereich der pn-übergangstrennflache besteht, kaum zur Erzeugung eines Fotostroms bei. Elektronen, die aufgrund einfallenden Sonnenlichtes erzeugt werden, befinden sich hauptsächlich in der p-GaAs-Schicht 2. Die Elektronen erreichen durch Diffusion den übergang und treten nach Durchdringen der Verarmungsschichtzone 12 durch eine hohe Spannung, die an den pn-übergang angelegt wird, in das n-GaAs-Substrat 1 ein. Auch Löcher, die im n-Substrat 1 entstehen, dringen in die p-GaAs-Schicht 2 ein, indem sie sich in der entgegengesetzten Richtung wie die Elektronen bewegen. Auf diese Weise fließt ein fotoerregter Strom durch die Diffusion der Elektronen in der p-GaAs-Schicht 2 und der Löcher im n-GaAs-Substrat in die entsprechenden Bereiche. Folglich hängen die Eigenschaften der Solarzelle in hohem Maße von der Diffusionsstrecke der Minoritätenträger in den jeweiligen Bereichen ab.

Durch Gegebenheiten, durch die die Diffusionsstrecken der Minoritätenträger verringert werden, z. B. im Weltraum, wo Strahlung von Elektronen, Protonen und Gammastrahlen auf die Solarzelle einwirkt, kann die Wirksamkeit sprunghaft herabgesetzt werden . Wenn die Dicke der p-GaAs-Schicht 2 ansteigt, verschwinden die Minoritätenträger, die in der Nähe der Oberfläche des Elementes erzeugt werden, wenn ihre Diffusionsstrecke kurz ist, bis sie am pn-übergang ankommen, so daß die Wirksamkeit merkbar herabgesetzt werden kann.

Die Erfindung dient dazu, oben aufgeführte Nachteile zu beseitigen. Es liegt ihr deshalb die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Aufbau für eine Solarzelle und ein Herstellungsverfahren dafür zu schaffen, bei der die Effektivität nicht stark durch Einwirken von Strahlung

herabgesetzt wird. Mit anderen Worten, durch die Verwendung eines neuartigen Aufbaus, der nur geringfügig beeinflusst wird, auch wenn die Diffusionslänge der Träger durch das Einwirken von Strahlung verringert wird, kann die Auswirkung der Verringerung der Diffusionslänge des Trägers in der p-GaAs-Schicht 2 und im n-GaAs-Substrat 1 herabgesetzt werden.

Die Zeichnung zeigt im einzelnen in 10

Fig. 1A einen schematisierten Schnitt durch eine herkömmliche Solarzelle mit Heterofrontflächenaufbau;

Fig. 1B ein Bandendiagramm der Solarzelle nach Fig. 1A; Fig. 2A einen schematisierten Schnitt einer Solarzelle

nach einer Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2B ein Bandendiagramm der Solarzelle nach Fig. 2A.

Abweichend von einer herkömmlichen Solarzelle nach Fig. 1A weist die p-GaAs-Schicht 2a in der Fig. 2A nicht den früheren Einfachaufbau auf. Mit anderen Worten, die Störstellenkonzentrationsverteilung ist in der p-GaAs-Schicht 2a so, daß ein elektrisches Beschleunigungsfeld für Elektronen in einem Leitfähigkeitsband gegen den Fermipegel f erhalten wird, wie im Bandendiagramm der Fig. 2B dargestellt.

Wenngleich ein sogenannter gestufter Bandabstandaufbau vorgeschlagen worden ist, um ein derartiges elektrisches Beschleunigungsfeld zu erhalten, ist die Realisierung schwierig und wurde praktisch noch nicht verwirklicht.

Bei der Erfindung wird nach der anfänglichen Ausbildung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, die Störstellenkonzentrationsverteilung unter Verwendung von Störstellendiffusion oder von Ioneninjektionstechnik oder dgl. so vorgenommen, daß darin ein elektrisches Beschleunigungsfeld erzeugt wird. Somit ist die Realisierung der Vorrichtung

vergleichsweise einfach.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt die p-GaAs-Schicht 2A eine gestufte Konzentrationsverteilung im Hinblick auf die p-Störstellen. Dadurch wird ein elektrisches Feld, das Elektronen in Richtung des pnüberganges beschleunigt, so hervorgerufen, daß die Träger (Elektronen) durch die Verarmungsschicht 12 hindurch abrupter in das n-GaAs-Substrat 1 eintreten als im Falle der üblichen Diffusionserscheinung. Somit werden die Ladungsträger auch dann, wenn ihre Lebensdauer durch Strahlungseinwirkung verringert ist, derart beschleunigt, daß ihr Driftvorgang beendet wird, ohne daß das Verschwinden der Ladungsträger zunimmt.

Die Ausbildung der Solarzelle ist, nachdem ein Element mit einem Aufbau gemäß Fig. 1A zunächst hergestellt worden ist, einfach, indem die p-GaAs-Schicht 2a mit gestufter Störstellenkonzentrationsverteilung durch Diffusion von p-Störstellen hergestellt wird, z. B. indem Zink durch die dünne (0,1 - 0,5 μ ) AlGaAs-Schicht 3 in die GaAs-Schicht 2 eingebracht wird. Außerdem kann eine Störstellenkonzentrationsverteilung mit einem Profil gemäß Fig. 2B leicht durch Steuerung der Injektionsenergie unter Verwendung einer Ioneninjektionsapparatur erhalten werden.

Darüber hinaus kann als Anwendung der Erfindung z.B. durch Ändern von Art und Konzentration der Störstellen die Verarmungsschicht 12 verbreitert werden, indem ein Teil der p-Leitfähigkeit in einem Bereich in der Nähe des pn-übergangs der p-GaAs-Schicht 2a im Bandenprofil gemäß Fig. 2B durch Dotierung kompensiert wird. Darüber hinaus kann die Erfindung auch bei anderen als GaAs-Solarzellen eingesetzt werden.

Gemäß der Erfindung wird in einer Solarzelle mit Heterofrontflächenaufbau, welche ein Halbleitersubstrat einer ersten Leitfähigkeitstype, eine erste, darauf erzeugte Halbleiterschicht einer zweiten Leitfähigkeitstype mit einem verbotenen Bandabstand, der gleich dem des Substrats ist, und eine auf der ersten Halbleiterschicht ausgebildete zweite Halbleiterschicht der zweiten Leitfähigkeitstype mit einem breiten verbotenen Bandabstand aufweist, ein Konzentrationsgradient von StOrstellen der zweiten Leitfähigkeitstype in der ersten Halbleiterschicht so erzeugt, daß eine Verteilung mit hoher Konzentration auf der Seite der zweiten Halbleiterschicht und mit geringer Konzentration zum Substrat hin entsteht, womit eine hochwirksame Solarzelle auch unter der Einwirkung von Strahlung aufgrund der elektrischen Beschleunigung der Ladungsträger erhalten wird.

Nach Bildung der zweiten Halbleiterschicht können die Störstellen der zweiten Leitfähigkeitstype durch die zweite Halbleiterschicht hindurch in die erste Halbleiterschicht injiziert werden, so daß auf einfache Weise eine Kontrolle der Störstellen erhalten wird und ein bestimmtes Bandenprofil auf einfache Weise erreicht wird.

Leerseite

Claims

39122 MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo / Japan 5 Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung PATENTANSPRÜCHE

1.J Solarzelle, bestehend aus einem Halbleitersubstrat einer ersten Leitfähigkeitstype, einer darauf erzeugten ersten Halbleiterschicht einer zweiten Leitfähigkeitstype und einer wiederum darauf erzeugten
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zweiten Halbleiterschicht der zweiten Leitfähigkeitstype, deren verbotener Bandabstand breiter als der der ersten Halbleiterschicht ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Störstellenkonzentration der Störstellen der
zweiten Leitfähigkeitstype in der ersten Halbleiterschicht (2a) so verteilt ist, daß zur zweiten Halbleiterschicht (3) hin eine hohe Konzentration besteht und die Konzentration mit steigendem Abstand von der zweiten Halbleiterschicht (3) abnimmt.

2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration so abgestuft ist, daß ein elektrisches Beschleunigungsfeld in Richtung auf den Übergang zwischen der ersten Halbleiterschicht (2a)

₃q und dem Substrat (1) entsteht,

3. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, bei welchem auf einem Halbleitersubstrat einer ersten
Leitfähigkeitstype eine erste Halbleiterschicht und

darauf eine zweite Halbleiterschicht ausgebildet werden, wobei der verbotene Bandabstand der zweiten Halbleiterschicht breiter als der der ersten Halbleiterschicht

auf dem Substrat in der angegebenen Reihenfolge ist, dadurch gekennzeichnet, daß von der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht her in die erste Halbleiterschicht Störstellen der zweiten Leitfähigkeitstype eingebracht und derart verteilt werden, daß die Störstellenkonzentration darin zur zweiten Halbleiterschicht höher ist und mit zunehmendem Abstand von dieser abnimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen durch Diffusionstechnik eingebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen durch Ioneninjektion eingebracht werden.