DE3431603C2 - Photoelektrischer Wandler - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen photoelektrischen Wandler gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Ein solcher photoelektrischer Wandler wurde in der älteren nicht vorveröffentlichten
europäischen Anmeldung mit der Nennung Deutschland gemäß Veröffentlichung
EP 0 102 204 A1 vorgeschlagen und ist dem Prinzip nach nämlich ohne die zweite lichtdurchlässige leitende Schicht an der Rückseite auch aus JP 57-49 278 A bekannt. Derartige
photoelektrische Wandler werden auch bei Solarbatterien verwendet. Wesentlich ist,
daß die einfallende Energie weitestgehend umgewandelt wird und Reflexion vermieden
wird. Ergänzend ist es bei derartigen photoelektrischen Wandlern bekannt (US-Z:
J. Vac. Sci. Technol., Bd. A1 (2), Apr.-June 1983, S. 578-582), zur Verringerung der
parasitären Absorption am Reflektor eine lichtdurchlässige leitende Schicht zwischen
Halbleiterschicht und Metallschicht vorzusehen sowie die optimalen Abmessungen bei
den Unebenheiten etwas größer zu machen als die Wellenlänge des Lichtes im
Halbleiter.
Bei diesen bekannten photoelektrischen Wandlern ist jedoch der Wirkungsgrad der
photoelektrischen Umwandlung fü praktische Zwecke noch nicht befriedigend.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den bekannten photoelektrischen Wandler so
weiterzubilden, daß auf einfache Weise der Wirkungsgrad der photoelektrischen
Umwandlung noch weiter erhöht ist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß dies durch Verlängerung des optischen
Weges erzielt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1
gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Anspruch 2
angegeben.
Durch das Zusammenwirken des stumpfen Scheitelwinkels und der besonderen
Bemessung der Höhe der vorspringenden Abschnitte wird alles in die Wandlerschicht
einfallende Licht reflektiert und in dieser vereinigt, wodurch die Lichtabsorption stark
erhöht und der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung stark verbessert
werden.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 im Schnitt den grundlegenden Aufbau eines gattungsgemäßen
photoelektrischen Wandlers,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung ähnlich Fig. 1 zur Erläuterung der erfindungswesentlichen
Merkmale.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 40 eine photoelektrische Wandlerschicht, und
das Bezugszeichen 100 bezeichnet ein lichtdurchlässiges Substrat. Das lichtdurchlässige
Substrat 100 hat eine lichtaufnehmende Oberfläche 120, die mit einem darauf
ausgebildeten reflexionsmindernden Film 110 versehen ist, der im Hinblick auf den
Brechungsindex näher bei demjenigen von Luft aos das Substrat 100 liegt. Das
lichtdurchlässige Substrat 100 hat auf seiner der lichtaufnehmenden Oberfläche 120
abgewandten Seite eine unebene Oberfläche 140, die aus unzähligen vorstehenden
Abschnitten 130 besteht, und kann eine Glasplatte, eine Kunststoffolie oder dgl. sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann nicht nur ein lichtdurchlässiges Substrat,
das für das menschliche Auge durchsichtig ist, sondern auch ein lichtdurchlässiges
Substrat verwendet werden, das aus einem Aufbau oder Material derart besteht, daß es
Licht einer beliebigen Wellenlänge, das in elektrische Energie umgesetzt werden kann,
hindurchläßt.
Im einfachsten Fall hat ein photoelektrischer Wandler einen Aufbau derart, daß die
photoelektrische Wandlerschicht 40 aus einer einzigen Halbleiterschicht besteht, die in
einem vorbestimmten Bereich mit einer Elektrode versehen ist. Dies ist derjenige Typ
von photoelektrischem Wandler, der die Änderung der photoelektrischen Leitung in
Abhängigkeit von dem einfallenden Licht ausnutzt, wie beispielsweise eine
photoleitende Zelle oder dgl. Im Falle einer amorphen Silizium-Solarbatterie hat
indessen deren photoelektrische Wandlerschicht typischerweise einen
Mehrschichtenaufbau, der, wie in Fig. 1 gezeigt, aus einer lichtdurchlässigen, leitenden
Schicht 42, einer Halbleiterschicht 43, die aus drei Lagen, nämlich einer amorphen p-
Lage 43a, einer amorphen Siliziumlage 43b ohne Zusatz von irgendeiner
Verunreinigungssubstanz und einer amorphen n-Lage 43c zusammengesetzt ist, sowie
einer rückseitig leitenden Elektrodenschicht 44 besteht. Des weiteren kann die
Halbleiterschicht 43 ein Mehrlagenaufbau des sog. Tandemtyps oder "pin, pin . . ."-Typs
sein, der aus unterschiedlichen Arten von amorphen Lagen aus einem amorphen
Siliziumkarbid, einem amorphen stickstoffhaltigen Silizium, einem amorphen Siliziumgermanium
oder dgl. besteht. Die lichtdurchlässige, leitende Schicht 42 muß nicht grundsätzlich
eine solche sein, die für das menschliche Auge durchsichtig ist. Es kann ausreichend
sein, daß sie derart beschaffen ist, daß Licht der tatsächlich vorliegenden Wellenlänge
hindurchtreten kann. Daher wird in der vorliegenden Anmeldung der Ausdruck "eine
lichtdurchlässige, leitende Schicht" benutzt, um jede der zuvor genannten Arten
einzubeziehen. Für die rückseitige Elektrodenschicht 44 wird ein
metallischer Dünnfilm verwendet, wobei
eine zweite lichtdurchlässige leitende Schicht
44a zwischen dem metallischen Dünnfilm 44b und der Halbleiterschicht 43 angeordnet
ist, so daß die Reflexionsrate an der hinteren Oberfläche verbessert werden kann und
zusätzlich eine Begrenzung des Scheitelwinkels eines vorstehenden Abschnitts
freizügiger gehandhabt werden kann, wie dies im einzelnen im folgenden näher erläutert wird.
Wie oben ausgeführt, wird bei Erfindung der photoelektrische Wandlungswirkungsgrad
durch Verlängern des optischen Weges für das einfallende Licht verbessert. Im
folgenden wird eine Erläuterung insbesondere bezüglich einer dreieckigen Form des
vorstehenden Abschnittes gegeben, die wirksam für eine Verlängerung des optischen
Weges ist.
Das Vorsehen eines stumpfen Scheitelwinkels ist für die Verwendung eines
Aufdampfprozesses vorteilhaft. Darüber hinaus ist ferner vorteilhaft die
Verschmutzungsgefahr durch Staubteilchen und dgl. herabgesetzt.
Allerdings ist durch Vorsehen eines stumpfen Scheitelwinkels alleine noch nicht
sichergestellt, daß in das lichtdurchlässige Substrat 100 rückkehrendes Licht wieder in
die photoelektrische Wandlerschicht 40 eintritt.
Dies wird anhand Fig. 2 mit Bezug auf einen vorstehenden Abschnitt näher erläutert,
der eine größere Höhe H als eine vorbestimmte Höhe h besitzt, wie dies in Fig. 2 durch
Strichlinien angedeutet ist.
Es wird ein Vergleich mit einem solchen Weg der Lichtstrahlen angestellt, die auf eine
Seitenkante des vorstehenden Abschnitts 130 auftreffen, der
die vorbestimmte Höhe h hat, so daß das auftreffende Licht
veranlaßt wird, in die photoelektrische Wandlerschicht 40
über optische Wege und für einfallendes und reflektiertes
Licht zu laufen und zu dem lichtdurchlässigen Substrat
100 zurückzukehren, wonach das rückgekehrte Licht
wieder in die Wandlerschicht 40 eintritt, um den verlängerten
optischen Lichtweg in der Wandlerschicht 40 zu erzielen.
Dementsprechend muß, da der Scheitelwinkel
2R ein stumpfer Winkel ist, die Höhe h des vorstehenden
Abschnitts proportional unter einem vorbestimmten
Wert liegen, und nur unter dieser Bedingung können alle der
auftreffenden Lichtstrahlen, die zu dem Substrat 100 zurückkehren,
veranlaßt werden, wieder in die Wandlerschicht
40 einzutreten, so daß der optische Weg in der photoelektrischen
Wandlerschicht 40 länger als der optische Weg +
werden kann.
Dieser vorbestimmte Wert der Höhe h kann durch die folgende
Formel (1) erhalten werden:
Dabei sind
und
Hierbei sind d₂, d₃ . . . di und n₁, n₂, n₃ . . . ni Dicken
und Brechungsindizes der jeweiligen Schichten, wie der
lichtdurchlässigen, leitenden Schicht 42, der Halbleiterschicht
43 und anderer Schichten in der photoelektrischen
Wandlerschicht 40. Außerdem ist n₁ der Brechungsindex des
lichtdurchlässigen Substrats 100.
Damit das einfallende Licht an dem vorstehenden Abschnitt 130
mit stumpfem Winkel 2R gebrochen werden kann, muß die Basis
des vorstehenden Abschnitts oberhalb von λ/4n₁ liegen
(wobei hier λ die Wellenlänge des Lichts in Luft ist), und
dementsprechend muß die Höhe h des vorstehenden Abschnitts
oberhalb von λ/(8n₁ tan R) liegen.
In dem Falle einer derartigen amorphen Silizium-
Solarbatterie, die das lichtdurchlässige Substrat 100, das
aus Glas hergestellt ist, und die zuvor genannten jeweiligen
Lagen oder Schichten der zuvor genannten Dicken, die wie
zuvor erläutert hergestellt sind, enthält, liegt, wenn der
Scheitelwinkel 2R des vorstehenden Abschnitts 120° beträgt,
die obere Grenze der Höhe davon bei ungefähr 0,35 µm. Wenn
indessen die lichtdurchlässige, leitende Schicht 44a zwischen
der Halbleiterschicht 43 und der rückleitenden Elektrodenschicht
44b angeordnet ist, kann die obere Grenze der
Höhe h davon freizügiger bemessen werden. Beispielsweise kann,
wenn ein Indiumoxidfilm mit einer Dicke von 300 nm dazwischen
angeordnet ist, die obere Grenze davon auf 0,58 µm
erhöht werden.
Wenn die Filmdicke der photoelektrischen Wandlerschicht 40
so groß ist oder die Höhe der vorstehenden Abschnitte so
gering ist, daß der optische Weg nicht in den vorstehenden
Abschnitt 130 hinein, sondern unter dem vorstehenden Abschnitt
130 verläuft, kann der optische Weg , d. h. der des
reflektierten Lichtstrahls, der in die photoelektrische
Wandlerschicht 40 eintritt, kein verlängerter sein.
Wenn die Unebenheit der rückwärtigen Oberfläche der photoelektrischen
Wandlerschicht 40 kleiner gemacht wird, wird
alles in die Wandlerschicht 40 einfallende Licht reflektiert
und in der Wandlerschicht 40 durch deren rückwärtige Oberfläche
vereinigt. Als Ergebnis kann die Lichtabsorption in
der Wandlerschicht 40 stark erhöht werden, und dementsprechend
kann der photoelektrische Wandlungswirkungsgrad in
starkem Maße verbessert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konnte wie folgt erreicht werden:
Es wurde ein Glassubstrat von
0,5 mm Dicke mit einem Schleifmittel aus Aluminiumpartikeln
geschliffen, deren Durchmesser unterhalb von 1 µm liegt, und
danach wurden die Scheitelpunkte der vorstehenden Abschnitte,
die auf diese Weise darauf ausgebildet wurden, mit einer
ätzenden Lösung abgerundet, die durch Verdünnen von Flußsäure
mit reinem Wasser hergestellt wurde. Die Oberfläche
wurde durch ein Elektronenmikroskop betrachtet, und es wurde
als Ergebnis herausgefunden, daß die Höhen der vorstehenden
Abschnitte in dem Bereich von 0,1-1 µm, die Basen der vorstehenden
Abschnitte (eine Seite der quadratischen Böden der
pyramidenförmigen vorstehenden Abschnitte) in dem Bereich
von 0,1-1 µm und die Scheitelwinkel der vorstehenden Abschnitte
in dem Bereich von ungefähr 60-120°C lagen. Alle
der vorstehenden Abschnitte enthielten 15% solcher mit
spitzem Scheitelwinkel in dem Bereich von 60° bis 90° und 85%
solcher mit einem stumpfen Scheitelwinkel in dem Bereich von
oberhalb 90° bis 120°, und unter diesen waren die vorstehenden
Abschnitte mit dem zuvor genannten stumpfen Winkel
0,1-0,5 µm hoch.
Eine Lösung, die durch Auslaugen von SnCl₄ · 5 H₂O und SbCl₄ in
Alkohol hergestellt wurde, wurde auf zwei wie zuvor ausgeführt
hergestellte Glassubstrate, und ein Glassubstrat, das
nicht mit dem Schleifmittel geschliffen wurde, gesprüht, und
es wurde ein Zinnoxidfilm mit 150 nm Dicke bei einer Substrattemperatur
von 400°C darauf aufgebracht. Dann wurde
eine amorphe Siliziumschicht auf jedes dieser drei Substrate
in einem Paralleltyp-Glühentladungs-Zerlegungsapparat aufgebracht.
Dabei wurde eine p-Lage unter einer Bedingung
derart, daß der Prozentsatz von B₂H₆/SiH₄ 0,5% betrug und
das Verhältnis von SiH₄ : CH₄ 7 : 3 war, unter Benutzung eines
Rohmaterialgases 10% SiH₄, verdünnt mit Wasserstoff, und
1000 ppm von B₂H₆, verdünnt mit CH₄ und Wasserstoff,
erzeugt. Danach wurde eine Si-Lage aus 10% SiH₄,
verdünnt mit Wasserstoff, und eine n-Lage unter einer Bedingung
derart, daß der Prozentsatz von PH₃/SiH₄ 0,5% betrug,
unter Benutzung eines Rohmaterialgases mit 1000 ppm
PH₃, verdünnt mit Wasserstoff, aufgebracht.
Die Filmdicken der jeweiligen Lagen, die auf diese Weise
gewonnen wurden, betrugen 10 nm, 500 nm u. 30 nm. Im vorliegenden
Fall betrug die Temperatur jedes Substrats 250°C,
und die elektrische Leistungsdichte der Glühentladung betrug
0,1 W/cm².
Von diesen drei Substraten, die wie zuvor beschrieben hergestellt
wurden, wurden zwei Substrate (ein Substrat, das
dem Schleifvorgang unterzogen wurde, und ein Substrat, das
keinem Schleifvorgang unterzogen wurde) so weiterbehandelt,
daß ein Film aus Indiumoxid (enthaltend 5% Zinn) von 300 nm
Dicke auf jedem dieser beiden Substrate durch einen Elektronen-
Aufdampfungsprozeß gebildet wurde. Zusätzlich wurden
diese beiden Substrate und das verbliebene Substrat so weiterbehandelt,
daß ein Ag-Film von ungefähr 1 µm Dicke
darauf durch einen Aufdampfungsprozeß ausgebildet wurde, um
die jeweiligen Wandler herzustellen. Diese Wandler - jeder
von ihnen 2 mm² groß - wurden gemessen, wodurch die folgenden
charakteristischen Eigenschaften gewonnen wurden. Das
Licht, das für die Messungen benutzt wurde, war ein künstliches
Sonnenlicht mit 100 mW/cm² Lichtdichte, das ein sog.
AMI-Spektrum hat.
Der Wandler 3 ist derart beschaffen, daß dessen Glassubstrat
keine unebene Oberfläche hat. Der Wandler 1 und der Wandler
2 sind derart beschaffen, daß deren Glassubstrat unebene
Oberflächen haben. Ferner ist der Wandler 1 derart beschaffen,
daß die lichtdurchlässige, leitende Schicht aus dem
zuvor erläuterten Indiumoxid zwischen der amorphen Siliziumlage
und der Silberelektrode angeordnet ist. Auf diese
Weise ist in jedem der Fälle der Wandler 1 und 2 der optische
Weg für langwelliges Licht stark bei den vorstehenden
Abschnitten, von denen die Scheitelwinkel spitze Winkel
sind, und bei den vorstehenden Abschnitten, deren Scheitelwinkel
stumpfe Winkel sind, die jedoch eine kleine Höhe
haben, verlängert, so daß eine Erhöhung des Kurzschlußstroms
erreicht werden kann. In diesem Fall ist, da der Wandler 1
mit der zweiten lichtdurchlässigen, leitenden Schicht versehen
ist, der Kurzschlußstrom höher als der des Wandlers 2.
Das Querschnittsprofil der unebenen Oberflächen des Glassubstrats
jedes der Wandler 1 und 2 wurde durch das Elektronenmikroskop
betrachtet, und es wurde dabei herausgefunden,
daß die Höhen und die Scheitelwinkel von nahezu allen der
vorstehenden Abschnitte der Formel (1) genügen.
Daher kann der photoelektrische Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung
verschiedene Wirkungen, wie sie im folgenden beschrieben werden, erzielen, aufgrund
derer ein photoelektrischer Wandler hergestellt werden kann,
der einen hohen Wandlungswirkungsgrad hat und einen stabilen
Betrieb gewährleistet.
Zusammenfassend ergeben sich folgende Vorteile:
Da der Scheitelwinkel des vorstehenden Abschnitts
als stumpfer Winkel ausgebildet ist und gleichzeitig die
Höhe des vorstehenden Abschnitts unter einem bestimmten
Wert, der durch die zuvor angegebene Formel (1) gewonnen
wird, gelegt ist, können die Verlängerungen aller Strahlen
des Lichtes, das in die Wandlerschicht eintritt, sichergestellt
werden. Zusätzlich kann, wenn der stumpfe Scheitelwinkel
des vorstehenden Abschnitts größer gemacht wird, das
Ausbilden der rückseitigen Oberfläche der photoelektrischen
Wandlerschicht leichter durchgeführt werden. Gleichzeitig
kann die Reflexion des Lichtes an der rückseitigen Oberfläche
der photoelektrischen Wandlerschicht erhöht werden, und
es kann der Betrag des reflektierten Lichtes, das auf die
Wandlerschicht beschränkt ist, ohne Verlust nach außen erhöht
werden, so daß die optische Absorption in der Wandlerschicht
erhöht werden kann.
Durch Anordnung der lichtdurchlässigen, leitenden
Schicht zwischen der Halbleiterschicht und der rückseitigen
Elektrodenschicht kann die Reflexionsrate an der rückseitigen
Oberfläche der photoelektrischen lichtdurchlässigen
Schicht erhöht werden, und die obere Grenze der Höhe des
vorspringenden Abschnitts kann freizügiger bemessen werden,
was dazu führt, daß die Herstellung des erfindungsgemäßen
Wandlers erleichtert wird.
Claims (2)
1. Photoelektrischer Wandler mit
einem lichtdurchlässigen Substrat mit einer im wesentlichen flachen Oberfläche auf der Lichtempfangsseite und einer unebenen Oberfläche auf der der Lichtempfangsseite abgewandten Seite und
einer photoelektrischen Wandlerschicht auf der unebenen Oberfläche des Substrats, die zumindest eine Halbleiterschicht, eine erste lichtdurchlässige leitende Schicht zwischen der Halbleiterschicht und dem Substrat und eine rückseitige leitende Schicht aufweist,
wobei die rückseitige leitende Schicht eine zweite lichtdurchlässige leitende Schicht, die an der Halbleiterschicht anliegt, und eine Metallschicht aufweist und auf Seiten der Halbleiterschicht eine unebene Oberfläche besitzt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vorspringenden Abschnitte (130) der unebenen Oberfläche (140) in vertikaler Richtung einen Scheitelwinkel (2R) von über 90° aufweisen und
daß die Höhe (h) der vorspringenden Abschnitte (130) unter beträgt, mit und wobei
n₁ = Brechungsindex des lichtdurchlässigen Substrats (100),
n₂, n₃ . . . ni = Brechungsindex der Schichten der fotoelektrischen Wandlerschicht (40) und
d₂, d₃ . . . di = Dicke der Schichten der photoelektrischen Wandlerschicht (40).
einem lichtdurchlässigen Substrat mit einer im wesentlichen flachen Oberfläche auf der Lichtempfangsseite und einer unebenen Oberfläche auf der der Lichtempfangsseite abgewandten Seite und
einer photoelektrischen Wandlerschicht auf der unebenen Oberfläche des Substrats, die zumindest eine Halbleiterschicht, eine erste lichtdurchlässige leitende Schicht zwischen der Halbleiterschicht und dem Substrat und eine rückseitige leitende Schicht aufweist,
wobei die rückseitige leitende Schicht eine zweite lichtdurchlässige leitende Schicht, die an der Halbleiterschicht anliegt, und eine Metallschicht aufweist und auf Seiten der Halbleiterschicht eine unebene Oberfläche besitzt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vorspringenden Abschnitte (130) der unebenen Oberfläche (140) in vertikaler Richtung einen Scheitelwinkel (2R) von über 90° aufweisen und
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n₁ = Brechungsindex des lichtdurchlässigen Substrats (100),
n₂, n₃ . . . ni = Brechungsindex der Schichten der fotoelektrischen Wandlerschicht (40) und
d₂, d₃ . . . di = Dicke der Schichten der photoelektrischen Wandlerschicht (40).
2. Photoelektrischer Wandler
nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vorspringenden Abschnitte (130) der unebenen Oberfläche (140) in
vertikaler Richtung einen Scheitelwinkel (2R) von über 90° aufweisen und
daß die Höhe (h) der vorspringenden Abschnitte (130) über
beträgt, wobei n₁ = Brechungsindex des lichtdurchlässigen Substrats (100),
λ = Wellenlänge des Lichts in Luft.
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