DE3408317A1 - Solarzelle aus amorphem silicium - Google Patents

Solarzelle aus amorphem silicium

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DE3408317A1
DE3408317A1 DE3408317A DE3408317A DE3408317A1 DE 3408317 A1 DE3408317 A1 DE 3408317A1 DE 3408317 A DE3408317 A DE 3408317A DE 3408317 A DE3408317 A DE 3408317A DE 3408317 A1 DE3408317 A1 DE 3408317A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle aus amorphem Silicium mit einer p-Typ-Schicht.
Anwendungszweck der erfindungsgemäßen Solarzelle aus amorphem Silicum ist die Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektr i sehe Ener g i e.
In neuerer Zeit sind Solarzellen aus amorphem Silicium, die mit niedrigen Kosten behaftet sind, zur Nutzbarmachung von sauberer und unerschöpflicher Energie von Interesse geworden. Die Herstellungskosten von Solarzellen aus amorphem Silicium sind gering, weil diese aus einem Substrat geringer Kosten und einer dünnen Schicht von weniger als 1 L/m Durchmesser, die im Niedrigtemperaturverfahr en herstellbar ist, zusammengesetzt sind. Zur optimalen Ausnutzung des Vorteils geringer Kosten ist es erforderlich, den Wirkungsgrad der photoelektrischen Urnwandlung von Solarzellen aus amorphem Silicium zu steigern, so daß diese in der Praxis verwendbar sind.
copy
Es gibt bereits verschiedene Vorschläge zur Verbesserung der Leistung von Solarzellen dieser Art. Viele Solarzellen mit einer pin-Struktur sind in der Weise aufgebaut, daß an der Lichteinstrahiseite eine p-Typ-Schicht vorgesehen ist, die bei kürzerer Diffusions 1änge die Defektelektronen oder Löcher Von Elektron-Loch-Paaren einsarmnelt, die durch Sonnenbzw. Lichteinstrahlung in hoher Dichte gebildet werden, so daß der Gesamtwirkungsgrad der Umwand 1 ung der Strahlungsenergie erhöht wird.
Eine p-Typ-Sch icht , die ein Element der Gruppe 11 I '_> des Periodischen Systems wie Bor (B) enthält, weist jedoch im allgemeinen einen derart hohen Lichtabsorptionskoeffizienten auf, daß viele Photonen die i-Schicht, in der die Träger gebildet werden, nicht erreichen. In einer pin-Struktur, in der an der Einstrahlseite eine p-Typ-Schicht vorgesehen ist, wird somit als p-Typ-Schicht amorphes Silicium mit zugegebenem Kohlenstoff oder Stickstoff (a-Si:C:H oder a-Si:N:H), das eine größere verbotene Bandlücke aufweis, verwendet, um das Licht kurzer Wellenlängen wirksamer auszunutzen. Ferner läßt sich durch Verbesserung des Füllfaktors der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung weiter erhöhen. In diesem Fall ist zu erwarten, daß durch Verringerung des elektrischen Widerstandes der Grenzfläche zwischen einer p-Typ-Schicht und einer Elektrodenschicht der Serienwiderstand der Solarzelle
und der Fülliaktor verbessert und der Wirkungsgrad der photoelektrischen Urnwandlung erhöht werden.
Die US-PS Ii 064 521 beschreibt ein Beispiel einer pin-Solarzelle mit einem Körper aus amorphem Silicium, die eine erste, mit Bor dotierte p-Typ-Schicht, eine I ntrinsic-5chicht und eine zweite, mit Phosphor dotierte n-Typ-Schicht umfaßt. Hierbei ist jedoch die in Kontakt mit einer leitenden Elektrode stehende p-Typ-Schicht gleichmäßig dotiert. Somit weist diese Solarzeile einen nicht ausreichenden Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung auf.
Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, eine pin-5o1 arzel 1 e aus amorphem Silicium vorzusehen, die eine größere Lichtempfindlichkeit und einen geringeren Serienwiderstand und somit einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenstrahlung in brauchbare elektrische Energie aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb der p-Typ-Schicht die elektrische Leitfähigkeit einer in Kontakt mit einer Elektrode stehenden Zone größer ist als diejenige einer anderen, in Kontakt mit einer i-Typ-Schicht stehenden Zone.
Es wurde gefunden, daß in einer Solarzelle mit einer pin-Flächenstruktur , die an der Einfallseite eine p-Typ-Schicht aufweist, eine erhöhte Leitfähigkeit einer in Kontakt mit einer Elektrode stehenden Zone der p-Typ-Schicht gegenüber der Leitfähigkeit einer anderen, in Berührung mit der i-Typ-Schicht stehenden Zone zu einer Verringerung des Serienwiderstandes der Solarzelle und zu einer Verbesserung des Füllfaktors führt, so daß der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung erhöht wird.
Anhand der Feststellung, daß durch Ändern der Zusammensetzung oder Herstellen der Bedingungen einer a-Si:C:H-Dünnschicht oder einer a-Si:N:H-Dünnschicht vom p-Typ die Eigenschaften der Dünnschicht innerhalb eines breiten Bereiches steuerbar sind, wurde gefunden, daß bei einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit einer in Kontakt mit einer Elektrode befindlichen Zone einer a-Si:C:H-Dünnschicht oder einer a-Si:N:A-Dünnschicht gegenüber derjenigen einer anderen, in Kontakt mit der i-Typ-Schicht stehenden Zone der Serienwiderstand der Solarzelle verringert, der Füllfaktor verbessert und die Wirksamkeit der photoelektrischen Umwandlung erhöht wird.
Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es ze i gen :
COPY
Bad original
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausiührungsform einer erίindungsgemäßen Solarzelle und -
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine bekannte Solarzelle.
Die in der Figur 1 im Querschnitt dargestellte Ausiührungsform einer erfindungsgemäßen a-Si-Solarze 11e umfaßt ein lichtdurchlässiges Glassubstrat 1, eine lichtdurchlässige und elektrisch leitende Dünnschicht oder Elektrode 2, eine amorphe Si-1iciumschicht 3, deren Leitfähigkeitstyp zusammengesetzt ist aus derjenigen einer p-Typ-Schicht 4,einer i-Typ-Schicht 5 und einer n-Typ-Schicht 6, die in dieser Reihenfolge von der Subs tr at seite an angeordnet sind, und eine Metallelektrode Die p-Typ-Schicht h besteht aus zwei Schichten, nämlich einer ρ -Schicht 7 und einer ρ -Schicht 8, die sich bezüglich
1 2
der Menge enthaltenen Kohlenstoffs oder Stickstoffs voneinander unterscheiden, wobei die ρ -Schicht 7 eine geringere
1
Menge an Kohlenstoff oder Stickstoff aufweist als die ρ -
2 .
Schicht 8. Die Dicken der ρ -Schicht, ρ -Schicht,
1 2 "■■■■-■
i-Typ-Schicht und n-Typ-Schicht betragen 8, 15, 500 bzw. nm. Die Meta 11e1ektrode 9 besteht aus Aluminium und weist eine Dicke von 500 nm auf. Die einfallende Solar strahlung ist mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
COPY ÖAD ORIGINAL
Bei einer anderen Ausfuhrungsform besteht die p-Typ-Schicht aus einer ρ -Schicht 7 und einer ρ -Schicht 8, die Koh-
1 2
lenstoff oder Stickstoff und verschiedene Mengen an einem Element der Gruppe MIb des Periodischen Systems, wie Bor oder Aluminium enthalten. Die Menge des Elementes der Gruppe Illb des Periodischen Systems in der ρ -Schicht 7 in der
1 Nähe des Substrats ist größer als diejenige in der
ρ Schicht 8.
2
In der in der Fig. 2 im Querschnitt dargestellten bekannten Solarzelle besteht die p-Typ-5chicht aus einer" einzigen Schicht .
In der Tabelle 1 sind die Eigenschaften einer Solarzelle angegeben, in der die Schicht aus amorphem Silicium eine p-Typ-Schicht umfaßt, der Kohlenstoff zugegeben worden ist. In der Tabelle 2 sind die Eigenschaften einer anderen Solarzelle angegeben, in der die Schicht aus amorphem Silicium . eine p-Typ-Schicht umfaßt, der Stickstoff zugegeben worden ist. Wie aus diesen Ergebnissen hervorgeht, wird durch die Zugabe von Kohlenstoff oder Stickstoff zu der in Kontakt mit einer Elektrode stehenden Zone der p-Typ-Schicht in einer ge ringeren Konzentration als zu der in Kontakt mit der i-Typ-Schicht stehenden Zone der Füllfaktor in bemerkenswerter Weise verbessert und die lichtelektrische Umwandlung yer
gr ölier t
Tabelle 1
Lichtelektri
sche Umwand
lung		 Kurz
schluß
strom -
dichte ?
(mA/cm )		 Leerlauf
spannung
(V)		 Fün
faktor		 Zusammensetzung de:
ρ-Typ-Schicht
Vergleichs
beispiel 1		 6,6 12,9 0,85 60 SiO, 7C0, 3
11 2 7,3 14,3 0,89 57 Si0, 5 C0, 5
Beispiel 1 7,2 12,6 0,85 I
67 Si( 		\ P2
), 9U0,1 01O, 7^0, 3
11 2 8,0 13,7 0,90 65 Si( ), 75C0, 25 Sl0, 5C0, 5
(Bestrahlung: AM-I (100 mW/cm))
Tabelle 2
Lichtelektri- Kurz- Leerlauf- Füll- Zusammensetzung άψτ
sehe Umwand- Schluß- spannung faktor p-Typ-Schicht
lung strom
dichte 2
(mA/cm ) (V)
Vergleichs 3 6,0 12,0 0,84 60 - Si0. P1 7N0, 3 3
beispiel 4 6,9 13,3 0,89 58 S1o, 3i0, 9N0, 5N0, 5 5
3iO,8NO, P2
3 7,2 12,9 0,84 66 ί lS10,7C0,
Beispiel 4 7,8 13,5 0,89 65 ί 2Si0,5N0,
(Bestrahlung: AM-I (100 mW/cm2))
Im allgemeinen wird der Kohlenstoff der ρ -Schicht in
1 einem Anteil von 0 bis 25 Atom-% und der ρ -Schicht in
2 einem Anteil von 10 bis 50 Atom-% zugesetzt, und es wird
der Stickstoff der ρ -Schicht in einem Anteil von 0 bis 25
1
Atom-% und der ρ -Schicht in einem Anteil von 10 bis 50
2
Atom-% zugesetzt.
In der Tabelle 3 sind Eigenschaften einer Solarzelle angegeben, in der die Schicht aus amorphem Silicium eine p-Typ-Schicht aufweist, der Kohlenstoff und Bor zugegeben worden sind, und in der Tabelle 4 sind Eigenschaften einer anderen Solarzelle angegeben, deren Schicht aus amorphem Silicium Stickstoff und Bor zugegeben worden sind. Kohlenstoff oder Stickstoff sind in einem Anteil von 30 Atom-% in der Dünnschicht enthalten und legiert. Wie aus diesen Ergebnissen hervorgeht, wird durch die Zugabe von Bor zu einer in Kontakt mit einer Elektrode stehenden Zone der p-Typ-Schicht in einer größeren Menge als zu einer in Kontakt mit der i-Typ-Schicht stehenden Zone der Füllfaktor in bemerkenswerter Weise verbessert und die photoelektrische Umwandlung vergrößert. Im allgemeinen werden die Elemente der Gruppe Illb in einem Anteil von 10 bis 0,1 Atom-% und 1 bis 0,05
Atom-% der ρ -Schicht bzw. der ρ -Schicht zugegeben. 1 2
Copy-
Tabelle 3
Lichtelektri 6,5 Kurz Leerlauf Füll- B or anteil der
sche Umwand schluß spannung faktor p-Typ-Schicht
lung 7,5 strom -
dichte η
(mA/cm ) (V) (%) <%)
Vergleichs
beispiel 5 13,3 0,88 56 0,1
V P2
Beispiel 5 13,2 0,88 65 0, 5 0, 1
(Bestrahlung: AM-I (100 mW/cm'2))
Tabelle 4
Lichtelektri Kurz Leerlauf - Fün Boranteil der
sche Umwand schluß spannung faktor ρ-Typ-Schicht
lung strom -
dichte 2
(%) (mA/cm ) (V) (%) (%)
Vergleichs
beispiel 6 6,2 13,2 0,87 55 0,1
Pl P2
Beispiel 6 7,3 13,0 0, 87 ' 65 0, 5 " 0, 1
(Bestrahlung: AM-I (100 mW/cm))
Copy
Die Zugabe von mindestens einem der Elemente Kohlenstoff und Stickstoff zur p-Typ-Schient dient dazu, die■photoelektrische Urrr.vand 1 ung mittels des sogenannten Fens ter ei f ekt s zu verbessern, wobei die verbotene Bandlücke der p-Typ-Schicht vergrößert wird, um die Lichtabsorption zu verringern und der i-Typ-Schicht, in der die zur photoelektrischen Umwandlung wirksamen Träger entstehen, mehr Photonen zuzuführen.
Durch Erhöhen der Menge an Kohlenstoff oder Stickstoff kann die verbotene Bandlücke vergrößert und die Lichtabsorption in der p-Typ-Schicht verringert werden. Mit Erhöhung der Menge an Kohlenstoff oder Stickstoff wird jedoch die elektrische Leitfähigkeit der p-Typ-Schicht verringert, und es wird insbesondere der durch den elektrischen Widerstand an der Verbindungsfläche zwi sehen der p-Typ-Schicht und der Elektrode bedingte Serienwiderstand der Solarzelle vergrößert.
Zur Verringerung des durch den elektrischen Widerstand an der Verbindungsfläche zwischen der p-Typ-Schicht und der Elektrode bedingten Serienwiderstandes der Solarzelle kann die Menge des Elementes der Gruppe I.I Ib des Periodischen Systems wie Bor oder Aluminium vergrößert werden. Durch die Vergrößerung dieser Menge wird jedoch die verbotene Bandlücke geschmälert und die Lichtabsorption in der p-Typ-Schicht vergrößert.
Auf jeden Fall wird der Wirkungsgrad der lichtelektrischen Urnwandlung verkleinert. Zur Überwindung dieses Nachteils wird die Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit der in Kontakt mit einer Elektrode stehenden Zone innerhalb der p-Typ-Schicht auf einen Wert, der unterhalb des Werts der elektrischen Leitfähigkeit der im Kontakt mit der i-Typ-Schicht stehenden Zone liegt, dadurch erzielt, daß. die p-Typ-Schicht in eine zur Verbindung mit einer Elektrode geeigneten ρ -Schicht mit einer relativ schmaleren verbotenen
1
Bandlücke, jedoch einer höheren elektrischen Leitfähigkeit und
eine ρ -Schicht mit einer relativ breiteren verbotenen Band-
2
lücke und geringeren Lichtabsorption aufgeteilt wird.
Die ρ -Schicht weist vorzugsweise eine Dicke von 5 bis 15
1
nm auf. Ist die Dicke kleiner als 5 nm, dann ist es nicht
möglich, eine gleichmäßige ρ -Schicht und eine einwandfreie
1
Verbindung zur Elektrode zu erzielen. Beträgt die Dicke mehr
als 15 nm, dann ist die Lichtabsorption in der ρ -Schicht
1 so groß, daß der Fenstereffekt beeinträchtigt wird. Die
ρ -Schicht weist vorzugsweise eine Dicke von 5 bis 30 nm
2
auf. Beträgt die Schichtdicke weniger als 5 nm, dann läßt
sich keine gleichmäßige ρ -Schicht erzielen. Beträgt die
2
Dicke mehr als 30 nm, dann ist die Lichtabsorption so groß,
BAD ORIGINAL
Copy
daß der Fenstereffekt beeinträchtigt wird._
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Solarzelle umfaßt die p-Typ-Schicht zwei Schichten, bestehend aus einer ρ -Schicht von hoher elek-
1
irischer Leitfähigkeit und eine ρ -Schicht mit breiter ver-
botener bandlücke. Falls erforderlich, können jedoch erfindungsgemäß drei oder mehr Schichten vorgesehen sein. In zusätzlicher Weise kann sich die Konzentration des Kohlenstoffes oder Stickstoffes innerhalb der p-Typ-Schicht beim Übergang von der in Kontakt mit der Elektrode stehenden Zone zu der in Kontakt mit der i-Typ-Schicht stehenden Zone kontinuierlich, d. h. stetig oder mit kontinuierlich verlaufendem Gradienten, ändern, wobei die elektrische Leitfähigkeit der in Kontakt mit.der Elektrode stehenden Zone größer ist als die elektrische Leitfähigkeit der in Kontakt mit der i-Typ-Schicht stehenden Zone. Auf ähnliche Weise kann sich die Konzentration des Elementes der Gruppe Illb des Periodischen Systems wie Bor oder Aluminium innerhalb der p-Typ-Schicht kontinuierlich ändern, wobei die elektrische Leitfähigkeit der in Kontakt mit der Elektrode stehenden Zone größer ist als die elektrische Leitfähigkeit der in Kontakt mit der i-Typ-Schicht stehenden Zone.
Die Zusammensetzung der i-Typ-Schicht und der nicht in Kontakt mit einer Elektrode stehenden Schicht aus amorphem Silicium in einer Mehr schichtenstruktur unterliegt keiner Einschränkung, sondern kann an jegliche, eine p-Typ-Schicht aufweisende Struktur angepaßt werden.
Copy
BAD ORIGINAL
- Leerseite -

Claims (1)

  1. Patentanwälte
    Steinsdorfstr. 21-22 · D-8000 München 22 · Tel. 089 / 22 94 41 · Telex: 5 22208
    TELEFAX: GR.3 89/2716063 · GR.3 + RAPIFAX+ RICOH 89/2720480 · ÜR.2 +■ INIOTEC 6000 89/2720481
    10950 - 3/Li
    Director General of Agency of Industrial Science and Technology Michio Kawada
    Patentansprüche:
    Solarzelle aus amorphem Silicium mit einer p-Typ-Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der p-Typ-Schicht (^) die elektrische Leitfähigkeit einer in Kontakt mit einer Elektrode (2) stehenden Zone größer ist als diejenige einer anderen, in Kontakt mit einer i-Typ-Schicht (5) stehenden Zone.
    2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der p-Typ-Schicht (4) mindestens eines der Elemente Kohlenstoff und Stickstoff zugegeben worden ist'.
    3. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Leitfähigkeit der in Kontakt mit der Elektrode (2) stehenden Zone durch die Menge mindestens eines der Elemente Kohlenstoff und Stickstoff gesteuert bzw. bestimmt ist.
    4. Solarzelle nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet , daß die p-Typ-Schicht (Ψ) als Laminatschichten verschiedenen Gehalts an Kohlenstoff oder Stickstoff best-eht.
    5. SolarzelIe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Typ-Schicht (4) eine sich kontinuierlich ändernde Konzentration an Kohlenstoff oder Stickstoff aufweist.
    6. Solarzeile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb der p-Typ-Schicht (4) in einer mit einer Elektrode (2) in Kontakt stehenden Zone mindestens eines der Elemente der Gruppe III-b des Periodi-
    Copy
    sehen Systems in höherer Konzentration enthalten ist, als in einer in Kontakt mit der i-Typ-Schicht (5) stehenden Zone.
    7. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i c h η e t , daß in der p-Typ-Schjcht (4) mindestens eines der Elemente Kohlenstoff und Stickstoff enthalten ist und mindestens eines der Elemente der Gruppe III-b des Periodischen Systems in einer mit der Elektrode (2) in Kontakt stehenden Schicht in höherer Konzentration enthalten ist, als in einer in Kontakt mit der i-Typ-Schicht (5) stehenden Zone.
    8. Solarzelle nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet , daß die p-Typ-Schicht (4) aus Lami natschichten aus einer ρ -Schicht (7) und einer ρ -Schicht (8) be-
    1 2
    steht, wobei die ρ -Schicht (7) eine geringere Konzentration
    • 1
    an Kohlenstoff oder Stickstoff als die ρ -Schicht (8) auf-
    2 we ist.
    9. Solarzelle nach Anspruch 6, dadurch gekenn-
    z e. i c h η e t , daß die p-Typ-Schicht (4) aus Lami natschichten aus einer ρ -Schicht (7) und einer ρ -Schicht (8) be-
    1 2
    steht, wobei die ρ -Schicht (7) eine höhere Konzentration
    an Elementen der Gruppe IIIb des Periodischen Systems aufweist als die ρ -Schicht (8).
    10. Solarzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ρ -Schicht (7) eine Dicke
    1
    von 5 bis 15 nm und die ρ -Schicht (8) eine Dicke von 5 bis
    2 .
    30.nm aufwe ist.
    11. Solarzelle nach Anspruch 9, d a d υ r c h gekennzeichnet , daß die ρ -Schicht (7) eine Dicke von
    5 bis 15 nm und die ρ -Schicht (8) eine Dicke von 5 bis 30
    nm aufwe ist.
    12. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die p-Typ-Schicht (4) eine sich kontinuierlich ändernde Konzentration an Elementen der Gruppe Illb des. Periodischen Systems aufweist.
    13. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht (3) aus amorphem Silicium von einem Leitfähigkeitstyp ist, der aus einem p-Typ, einem i-Typ und einem η-Typ in der angegebenen Reihenfolge von der Substrat seite her gebildet ist.
    If. Solarzelle aus amorphem Si 1iei um, g e k e η η ζ e ich ■ net durch ein lichtdurchlässiges Glassubstrat (1), eine lichtdurchlässige leitende Schicht oder Elektrode (2), eine amorphe Si 1ieiumschicht (3), die eine aus einer ρ -
    - *ι : c r
    Copy
    ""**--■ ·-" : 3Λ08317
    Schicht (7) und einer ρ -Schicht (8) bestehenden p-Typ-
    2
    Schicht (if), eine i-Typ-Schicht (5) und eine n-Typ-Schicht (6)
    umfaßt, und eine Metal lelektrode (9), wobei die in Kontakt mit
    der durchlässigen leitenden Schicht (2) stehende ρ -Schicht
    1 .
    (7) eine größere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die in
    Kontakt mit der i-Typ-Schicht (5) stehende ρ -Schicht (8).
    15. Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch g e k e η η -:
    zeichnet , daß die ρ -Schicht (7) eine geringere
    1
    Konzentration an mindestens einem der Elemente Kohlenstoff und
    Stickstoff aufweist als die ρ -Schicht (8).
    16. Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennz e i c h η e t ,daß die ρ -Schicht (7) eine höhere Kon- :
    '■'.'''■ ι ■ '■■-■
    zentration an mindestens einem der Elemente der Gruppe IIIb
    des Periodischen Systems aufweist als die ρ -Schicht (8).
    COPY
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