DE3408317C2 - Solarzelle aus amorphem Silicium - Google Patents

Solarzelle aus amorphem Silicium

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Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Solarzelle ist aus der US 4 342 044 bekannt.
Von Interesse geworden sind Solarzellen aus amorphem Silicium, die mit niedrigen Kosten behaftet sind. Die Herstellungskosten dieser Solarzellen sind gering, weil sie aus einem Substrat geringer Kosten und einer dünnen Schicht von weniger als 1 µm Dicke, die im Niedrigtemperaturverfahren herstellbar ist, zusammengesetzt sind. Zur optimalen Ausnutzung des Vorteils geringer Kosten ist es erforderlich, den Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung von Solarzellen aus amorphem Silicium zu steigern, so daß diese in der Praxis verwendbar sind.
Zur Verbesserung der Leistung von Solarzellen dieser Art sind viele Solarzellen mit einer pin-Struktur in der Weise aufgebaut, daß an der Lichteinstrahlseite eine p-Typ-Schicht vorgesehen ist, die bei kürzerer Diffusionslänge die Defektelektronen oder Löcher von Elektronen-Loch-Paaren einsammelt, die durch Sonnen- bzw. Lichteinstrahlung in hoher Dichte gebildet werden, so daß der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung der Strahlungsenergie erhöht wird.
Eine p-Typ-Schicht, die ein Element der Gruppe IIIb 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 deshalb als p-Typ-Schicht amorphes Silicium mit zugegebenem Kohlenstoff oder Stickstoff (a-Si : C : H oder a-Si : N : H) verwendet, das eine größere verbotene Bandlücke aufweist, um das Licht kurzer Wellenlängen wirksamer zu nutzen. Ferner läßt sich durch Verbesserung des Füllfaktors der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung weiter erhöhen. In diesem Fall ist zu erwarten, daß durch eine Verringerung des elektrischen Widerstandes der Grenzfläche zwischen einer p-Typ-Schicht und einer Elektrodenschicht der Reihenwiderstand der Solarzelle und der Füllfaktor verbessert und der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung erhöht werden.
Die eingangs genannte US 4 342 044 betrifft die Verbesserung der spektralen Empfindlichkeit von auf Licht ansprechenden, amorphes Silicium enthaltenden Vorrichtungen, wie Solarzellen, durch Zugabe von Elementen zum Einstellen der Bandlücke zu einer lichtempfindlichen Legierung mindestens in dem einen Photostrom erzeugenden Bereich, ohne die Anzahl sich nachteilig auswirkender lokalisierter Zustände in der Bandlücke zu erhöhen. Hierbei wird zur Verringerung der Dichte der lokalisierten Zustände Fluor und gegebenenfalls Wasserstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff und zum Einstellen der Bandlücke Germanium oder Zinn zugegeben. Es wird eine als Solarzelle verwendbare Ausführungsform einer Vorrichtung beschrieben, bei der zwischen zwei Elektroden eine amorphe oder kristalline n⁺-Schicht, eine amorphe oder kristalline n-Schicht, eine amorphe i-Schicht, welcher Elemente zum Einstellen der Bandlücke zugegeben sind, und eine amorphe oder kristalline p⁺-Schicht angeordnet sind. Eine umgekehrte Struktur, bei der die Schichten aus einer amorphen oder kristallinen p⁺- Schicht, einer amoprhen oder kristallinen p-Schicht, einer amorphen i-Schicht und einer amorphen oder kristallinen n⁺- Schicht bestehen, wird als ebenfalls verwendbar bezeichnet. Der Beschreibung einer ähnlichen Ausführungsform ist entnehmbar, daß die äußeren Schichten, die p⁺- oder n⁺-Schichten sein können, zur Verringerung einer Absorption von Licht möglichst dünn gehalten werden und im allgemeinen keine Elemente zum Einstellen der Bandlücke enthalten.
Die als Buch veröffentlichte Literaturstelle "The Conference Record of the Fifteenth IEEE Photovoltaic Specialists Conference - 1981", S. 698 bis 703 beschreibt die Herstellung einer Solarzelle, die eine transparente Elektrode und p-, i- und n-Schichten aus amorphem Silicium auf einer Glasschicht enthält. Die die i-Schicht kontaktierende p-Schicht wird zuerst auf dem Substrat abgeschieden und dabei mit Bor dotiert, und die n-Schicht wird zuletzt abgeschieden und dabei mit Phosphor dotiert. Zum Vergleich erfolgt das Aufbringen der Schichten einmal in derselben Reaktionskammer und einmal in getrennten Reaktionskammern. Eine Untersuchung der Schichten mit einem Ionen-Mikroanalysator ergibt, daß im ersten Fall Bor in der i-Schicht als Verunreinigung in erheblich größeren Mengen vorhanden ist, als im zweiten Fall. Für den zweiten Fall angegebene Ergebnisse zeigen, daß in allen aufgebrachten Schichten Kohlenstoff und Stickstoff als Verunreinigungen vorhanden sind, wobei deren jeweilige Konzentration unterhalb der des Bors in der i-Schicht liegt, d. h. sehr gering ist.
Die EP 0 053 402 A2 beschreibt eine photovoltaische Zelle mit einer transparenten ersten Elektrode, einer p-Schicht, einer i-Schicht, einer n-Schicht und einer zweiten Elektrode. Auf der p- oder der n-Seite besteht die Schicht aus a-Si1-xCx oder a-Si1-yNy, welches mit Bor dotiert sein kann. Aus den angegebenen Eigenschaften der Zelle geht hervor, daß bei einer Erhöhung der Werte x oder y im Bereich von 0 bis 0,5 maximale Werte des Kurzschlußstromes, der Leerlaufspannung, des Füllfaktors und der lichtelektrischen Umwandlung erzielbar sind. Je nach Anteil an Kohlenstoff oder Stickstoff kann die Leitfähigkeit größer oder kleiner als die Leitfähigkeit von reinem a-Si sein.
Die aus einer älteren Patentanmeldung hervorgegangene, nachveröffentlichte DE 32 46 948 A1 beschreibt eine Photozelle mit einer p-i-n-Schichtenfolge aus Wasserstoff enthaltendem amorphem Silicium oder Wasserstoff enthaltender amorpher Siliciumlegierung, in der auf die Schichtenfolge eine weitere Halbleiterschicht mit gegenüber dem angrenzenden Material gleichen Leitungstyps breiterer Bandlücke aufgebracht ist. Die Photozelle kann eine erste Elektrode, eine p-leitende Breitbandlücken-Halbleiterschicht, die aus einer amorphen Si- C-Legierung mit einem Verhältnis von C zu Si zwischen 0,1 und 1 hergestellt ist, p-i-n-Schichten und eine zweite Elektrode umfassen. Die C- oder N-Konzentration in der Breitbandlücken- Halbleiterschicht kann gleich verteilt sein oder, beginnend mit einem Maximum angrenzend an die erste Elektrode, allmählich abnehmen bis zu einem Minimum oder bis zu einer Nullkonzentration an der Grenzschicht zur p-Schicht.
Die DE 30 32 158 A1 beschreibt unter anderem eine Solarzelle mit einer ersten Schicht aus p-leitendem Siliciumcarbid, einer Zwischenschicht aus eigenleitendem amorphem Silizium und einer dritten Schicht aus n-leitendem amorphem Siliciumcarbid. Der Dotierungsübergang zwischen zwei dieser Schichten kann allmählich erfolgen und eine abgestufte Wirkung ergeben. Ferner kann das p-leitende Siliciumcarbid zu eigenleitendem amorphem Silicium abgestuft werden, um einen gleichmäßigen Übergang zu schaffen. Dies bedeutet, daß die mit einer ersten Elektrode in Berührung stehende Zone der p-leitenden Schicht eine höhere Konzentration an C aufweist, als die mit der eigenleitenden Zwischenschicht in Berührung stehende Zone.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer Solarzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bei der Umwandlung von Sonnenstrahlung in brauchbare elektrische Energie zu verbessern.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.
In einer Solarzelle mit einer pin-Struktur, die an der Einfallseite eine p-Typ-Schicht aufweist, führt 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, so daß der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung erhöht wird.
Anhand der Feststellung, daß durch Ändern der Zusammensetzung oder Herstellungsbedingungen 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 a-Si : C : H-Dünnschicht oder einer a-Si : N : H- Dünnschicht gegenüber derjenigen einer anderen, in Kontakt mit der i-Typ-Schicht stehenden Zone der Reihenwiderstand der Solarzelle verringert, der Füllfaktor verbessert und die Wirksamkeit der photoelektrischen Umwandlung erhöht wird.
Anhand der Figuren soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle und
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine bekannte Solarzelle.
Die in der Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen a-Si-Solarzelle umfaßt ein lichtdurchlässiges Glassubstrat 1, eine lichtdurchlässige und elektrisch leitende Elektrode 2, eine amorphe Siliciumschicht 3, die zusammengesetzt ist aus einer p-Typ-Schicht 4, einer i-Typ-Schicht 5 und einer n-Typ-Schicht 6, die in dieser Reihenfolge von der Substratseite an angeordnet sind, und eine Metallelektrode 9. Die p-Typ-Schicht 4 besteht aus zwei Schichten, nämlich einer p₁-Schicht 7 und einer p₂-Schicht 8, die sich bezüglich der Menge enthaltenen Kohlenstoffs oder Stickstoffs voneinander unterscheiden, wobei die p₁-Schicht 7 eine geringere Menge an Kohlenstoff oder Stickstoff aufweist als die p₂- Schicht 8. Die Dicken der p₁-Schicht, p₂-Schicht, i-Typ-Schicht und n-Typ-Schicht betragen 8, 15, 500 bzw. 50 nm. Die Metallelektrode 9 besteht aus Aluminium und weist eine Dicke von 500 nm auf. Die einfallende Solarstrahlung ist mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Bei einer anderen Ausführungsform besteht die p-Typ-Schicht 4 aus einer p₁-Schicht 7 und einer p₂-Schicht 8, die Kohlenstoff oder Stickstoff und verschiedene Mengen an einem Element der Gruppe IIIb des Periodischen Systems, wie Bor oder Aluminium enthalten. Die Menge des Elementes der Gruppe IIIb des Periodischen Systems in der p₁-Schicht 7 in der Nähe des Substrats ist größer als diejenige in der p₂-Schicht 8.
In der in der Fig. 2 im Querschnitt dargestellten bekannten Solarzelle besteht die p-Typ-Schicht 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 geringeren Konzentration als zu der in Kontakt mit der i-Typ-Schicht stehenden Zone der Füllfaktor in bemerkenswerter Weise verbessert und die lichtelektrische Umwandlung vergrößert.
Im allgemeinen wird der Kohlenstoff der p₁-Schicht in einem Anteil von 0 bis 25 Atom-% und der p₂-Schicht in einem Anteil von 10 bis 50 Atom-% zugesetzt, und es wird der Stickstoff der p₁-Schicht in einem Anteil von 0 bis 25 Atom-% und der p₂-Schicht in einem Anteil von 10 bis 50 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 IIIb in einem Anteil von 10 bis 0,1 Atom-% und 1 bis 0,05 Atom-% der p₁-Schicht bzw. der p₂-Schicht zugegeben.
Die Zugabe von mindestens einem der Elemente Kohlenstoff und Stickstoff zur p-Typ-Schicht dient dazu, die photoelektrische Umwandlung mittels des sogenannten Fenstereffekts 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 zwischen 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 IIIb 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 Umwandlung verkleinert. Zur Überwindung dieses Nachteils wird die p-Typ-Schicht in eine zur Verbindung mit einer Elektrode geeigneten p₁-Schicht mit einer relativ schmaleren verbotenen Bandlücke, jedoch einer höheren elektrischen Leitfähigkeit und eine p₂-Schicht mit einer relativ breiteren verbotenen Bandlücke und geringeren Lichtabsorption aufgeteilt.
Die p₁-Schicht weist vorzugsweise eine Dicke von 5 bis 15 nm auf. Ist die Dicke kleiner als 5 nm, dann ist es nicht möglich, eine gleichmäßige p₁-Schicht und eine einwandfreie Verbindung zur Elektrode zu erzielen. Beträgt die Dicke mehr als 15 nm, dann ist die Lichtabsorption in der p₁-Schicht so groß, daß der Fenstereffekt beeinträchtigt wird. Die p₂-Schicht weist vorzugweise eine Dicke von 5 bis 30 nm auf. Beträgt die Schichtdicke weniger als 5 nm, dann läßt sich keine gleichmäßige p₂-Schicht erzielen. Beträgt die Dicke mehr als 30 nm, dann ist die Lichtabsorption so groß, daß der Fenstereffekt beeinträchtigt wird.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Solarzelle umfaßt die p-Typ-Schicht zwei Schichten, bestehend aus einer p₁-Schicht von hoher elektrischer Leitfähigkeit und eine p₂-Schicht mit breiter verbotener Bandlücke. Falls erforderlich, können jedoch 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 IIIb 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 Mehrschichtenstruktur unterliegt keiner Einschränkung, sondern kann an jegliche, eine p-Typ-Schicht aufweisende Struktur angepaßt werden.

Claims (6)

1. Solarzelle mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, zwischen denen eine Schicht aus amorphem Silicium, die eine p-Typ-Schicht, eine i-Typ-Schicht und eine n-Typ-Schicht umfaßt, angeordnet ist, wobei die p-Typ-Schicht eine p₁-Schicht und eine p₂-Schicht umfaßt und die in Kontakt mit der ersten Elektrode stehende p₁-Schicht eine größere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die in Kontakt mit der i-Typ-Schicht stehende p₂-Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoff oder Stickstoff in der p₁-Schicht (7) in einem Anteil von 0 bis 25 Atom-% und in der p₂-Schicht (8) in einem Anteil von 10 bis 50 Atom-% enthalten sind, wobei die p₁-Schicht (7) eine geringere Konzentration an Kohlenstoff oder Stickstoff aufweist als die p₂-Schicht (8).
2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Konzentration des Kohlenstoffes oder Stickstoffes innerhalb der p-Typ-Schicht (4) beim Übergang von der in Kontakt mit der Elektrode (2) stehenden Zone zu der in Kontakt mit der i-Typ-Schicht (5) stehenden Zone kontinuierlich ändert.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der p₁-Schicht (7) und in der p₂- Schicht (8) Elemente der Gruppe IIIb des Periodischen Systems in einem Anteil von 10 bis 0,1 Atom-% bzw. 1 bis 0,05 Atom-% enthalten sind, wobei die p₁-Schicht (7) eine höhere Konzentration an diesen Elementen aufweist als die p₂-Schicht (8).
4. Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Konzentration der Elemente der Gruppe III innerhalb der p-Typ-Schicht (4) kontinuierlich ändert.
5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die p₁-Schicht (7) eine Dicke von 5 bis 15 nm aufweist.
6. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die p₂-Schicht (8) eine Dicke von 5 bis 30 nm aufweist.
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