DE3614546A1 - Amorphe solarzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine amorphe Solarzelle gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art.

Ein Querschnitt einer konventionellen amorphen Solarzelle ist in Fig. 3 dargestellt. Diese konventionelle Solar­ zelle enthält entsprechend der Fig. 3 ein Substrat 1, das von einer Halbleiterschicht 2 vom n-Typ bzw. n-Leitungstyp bedeckt ist. Auf der Halbleiterschicht 2 befinden sich der Reihe nach eine Halbleiterschicht 3 vom i-Typ bzw. i-Leitungstyp, eine Halbleiterschicht 4 vom p-Typ bzw. p-Leitungstyp, eine transparente Elektrode 5 sowie eine Gitterelektrode 6. Für die Halbleiterschichten 2 und 4 vom n-Typ und p-Typ werden eine Halbleiterschicht im amorphen Zustand und eine mikrokristalline Halbleiter­ schicht verwendet. Verunreinigungen aufweisende amorphe Halbleiter vom p- oder n-Typ haben jedoch einen hohen spezifischen Widerstand und eine nur geringe Energieband­ lücke, so daß durch sie Licht leicht absorbiert werden kann und somit Verluste entstehen. Dementsprechend werden statt der amorphen Halbleiter mikrokristalline Halbleiter verwendet.

Im Nachfolgenden wird die Betriebsweise der in Fig. 3 dargestellten konventionellen amorphen Solarzelle näher beschrieben.

Fällt Licht auf die Oberfläche der transparenten Elektrode 5, so werden innerhalb des Halbleiters vom i-Typ, der sich im amorphen Zustand befindet, Paare von Elektronen und positiven Löchern erzeugt. Die Elektronen und positiven Löcher werden jeweils in Richtung der Halbleiter­ schichten 2 und 4 vom n- bzw. p-Typ transportiert, und zwar durch interne Feldeffekte aufgrund der Halbleiter­ schichten 2 und 4 vom p- und n-Typ. Das hat zur Folge, daß gegenüber einem thermischen Gleichgewichtszustand in den Halbleiterschichten 2 und 4 vom n- und p-Typ jeweils eine größere Anzahl von Elektronen oder positiven Löchern vorhanden ist. Diese zusätzlichen Elektronen oder positiven Löcher fließen zu einer Last, die über eine externe Schaltung mit der amorphen Solarzelle verbunden ist, um auf diese Weise die Last mit elektrischer Energie zu versorgen.

Bei einer Solarzelle mit einem amorphen Halbleiter wird nur die Halbleiterschicht 3 vom i-Typ als Hauptoperations­ bereich angesehen, da Elektronen und positive Löcher, die in den Halbleiterschichten vom p- und n-Typ erzeugt werden, sehr schnell wieder rekombinieren.

Um die genannten Nachteile bei einer konventionellen amorphen Solarzelle zu überwinden, wird der amorphe Halb­ leiter durch einen mikrokristallinen Halbleiter für die Halbleiterschichten 2 und 4 vom n- und p-Typ ersetzt. Hierdurch lassen sich der spezifische Widerstand verringern und die Energiebandlücke erhöhen. In diesem Fall werden jedoch Rekombinationszentren an der Grenze der mikro­ kristallinen Halbleiterschicht und der amorphen Halbleiter­ schicht erzeugt, so daß die Rekombinationszentren und die positiven Löcher oder Elektronen miteinander re­ kombinieren, wenn die zusätzlichen Elektronen und positiven Löcher, die in der i-Schicht erzeugt werden, sich jeweils in Richtung der Halbleiterschichten 2 und 4 vom n- bzw. p-Typ bewegen. Das hat zur Folge, daß der durch Lichteinfall erzeugte Strom vermindert wird, und zwar aufgrund der Reduktion der zusätzlichen Elektronen und positiven Löcher.

Eine weitere konventionelle amorphe Solarzelle ist von Y. Hamakawa, H. Okamoto und Y. Nitta in ihrem Aufsatz "A new type of amorphous silicon photovoltaic cell generating more than 2,0 V" beschrieben worden, der in Applied Physics Letters, Vol. 35 pp 187 bis 189, 1979 erschienen ist. Dort wird eine Einrichtung diskutiert, die durch Übereinanderschichten einer Vielzahl von p-i-n- Zellen erhalten wird, wobei die Verbindungen zwischen den Zellen durch p/n-Übergänge erfolgt. Bei dieser Ein­ richtung enthalten die p- und n-Schichten amorphes Silizium wobei innerhalb dieser amorphen Schichten eine Re­ kombination der Ladungsträger bzw. ein Wechsel der Ladungsträger zwischen Elektronen und positiven Löchern erfolgt.

Eine andere konventionelle amorphe Solarzelle ist in der offengelegten japanischen Patentschrift No. 55-1 41 765 beschrieben. Bei dieser Solarzelle enthält eine Ver­ bindungsschicht der p-i-n-Zelle eine Pt-Schicht, die beispielsweise thermisch aufgebracht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine amorphe Solarzelle der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Anzahl der Rekombinationszentren an den p-i und n-i Grenzflächen, der spezifische Widerstand ent­ lang der Bahnen der Elektronen und positiven Löcher und die Lichtabsorptionsverluste vermindert sind.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die amorphe Solarzelle nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie wenigstens eine p-i-n oder n-i-p Schichtstruktur enthält, in der jede der p- oder n-Schichten aus einer Doppelschichtstruktur mit einer amorphen Halb­ leiterschicht und einer mikrokristallinen Halbleiterschicht besteht, beide Schichten einer jeweiligen Doppelschicht­ struktur vom selben Leitfähigkeitstyp sind, und daß die amorphen Halbleiterschichten jeweils an der Seite der i-Schicht liegen.

Eine derartige amorphe Solarzelle läßt sich mit nur geringen Kosten herstellen und weist einen sehr hohen Wirkungsgrad auf.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die amorphe Solarzelle mehrere p-i-n oder n-i-p Schichtstrukturen, wobei alle p- und n-Schichten eine Doppelschichtstruktur aufweisen.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die amorphe Solarzelle mehrere p-i-n oder n-i-p Schichtstrukturen, wobei die i-Schicht einer jeweiligen p-i-n Schichtstruktur oder n-i-p Schichtstruktur eine umso kleinere Energiebandlücke aufweist, je weiter sie von derjenigen Oberfläche entfernt ist, auf die das Sonnenlicht auftrifft.

Die p-i-n oder n-i-p Schichtstruktur kann vorteilhaft einen integrierten Aufbau haben.

Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Aus­ führungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine amorphe Solar­ zelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine amorphe Solar­ zelle mit Tandemstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine konventionelle amorphe Solarzelle.

Im Nachfolgenden wird zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der gleiche Teile wie in Fig. 3 mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen sind. Gemäß Fig. 1 besteht eine Doppelschicht­ struktur aus einer mikrokristallinen Halbleiterschicht 21 vom n-Typ bzw. n-Leitungstyp und aus einer amorphen Halb­ leiterschicht 22 vom n-Typ bzw. n-Leitungstyp, so daß beide Schichten 21 und 22 miteinander eine n-Schicht­ struktur bilden. Die mikrokristalline Halbleitschicht 21 vom n-Typ enthält 0,1 bis 1 Mol % Phosphoratome und weist eine Dicke auf, die im Bereich von 100 bis 500 Å (10 bis 50 Nanometer) liegt. Die amorphe Halbleiterschicht 22 vom n-Typ enthält ebenfalls 0,1 bis 1 Mol % Phosphor­ atome, während ihre Dicke im Bereich von 10 bis 50 Å liegt (1 bis 5 Nanometer). Eine zweite Doppelschichtstruktur wird durch die Schichten 41 und 42 gebildet. Die Schicht 41 ist eine amorphe Halbleiterschicht vom p-Typ bzw. p-Leitungstyp, während die Schicht 42 eine mikrokristalline Halbleiterschicht vom p-Typ bzw. p-Leitungstyp ist. Beide Schichten 41 und 42 bilden zusammen eine p-Schicht­ struktur. Die amorphe Halbleiterschicht 41 vom p-Typ enthält 0,1 bis 1 Mol % Boratome und weist eine Dicke auf, die im Bereich von 10 bis 50 Å (1 bis 5 Nanometer) liegt. Auch die mikrokristalline Halbleiterschicht 42 vom p-Typ enthält 0,1 bis 1 Mol % Boratome, weist jedoch eine Dicke im Bereich von 20 bis 100 Å (2 bis 10 Nanometer) auf.

Im Nachfolgenden wird die Funktion der Doppelschicht­ struktur näher beschrieben, die die amorphe Schicht und die mikrokristalline Schicht enthält. Obwohl ein kleiner Unterschied in der Funktion der Doppelschichtstrukturen vom n- und p-Typ besteht, wird hierauf im Folgenden nicht eingegangen, da dieser Unterschied den nach der Erfindung erzielten Effekt praktisch nicht wesentlich beeinflußt.

Der amorphe Halbleiter mit einer Dicke im Bereich von 2 bis 3 Interatomabständen weist eine innere Struktur auf, die im wesentlichen derjenigen innerhalb einer mono­ kristallinen Schicht entspricht. Wird andererseits diese genannte Dicke bei einem amorphen Halbleiter überschritten, so werden sowohl der Interatomabstand als auch der Kombinationswinkel bzw. Zusammensetzungswinkel irregulär.

Im Gegensatz dazu weist eine mikrokristalline Schicht mit einer Dicke im Bereich von mehreren Zehn bis mehreren Hundert Angström eine ganz ähnliche Struktur wie eine monokristalline Schicht auf, wobei es Bereiche gibt, in denen die Regelmäßigkeit des Kristalls ziemlich gestört bzw. turbulent ist, und zwar an den Grenzflächen zwischen den Kristalldomänen. In diesen turbulenten Bereichen sind nicht paarweise verbundene Atome bzw. einzelne Atome durch Wasserstoffatome deaktiviert. Werden die amorphe Schicht und die mikrokristalline Schicht miteinander in Kontakt gebracht, so kann erwartet werden, daß die turbulenten Bereiche durch Wasserstoffatome nicht perfekt deaktiviert sind, so daß Defekte entstehen. Tatsächlich sind die Eigenschaften im Bereich des Übergangs bzw. der Verbindung nicht besonders gut. Defekte werden darüber hinaus dadurch hervorgerufen, daß die Eigenschaften des amorphen Films durch starke Schwankungen der Wachstumsbedingungen gestört werden, beispielsweise durch ein Ansteigen der Hochfrequenz­ leistung bei einem Aufwachsen der mikrokristallinen Schicht nach Bildung der amorphen Schicht.

Sind derartige Defekte in den p-i oder n-i Übergangsgrenz­ flächen bei der konventionellen amorphen Solarzelle vorhanden, so wirken diese Defekte als Rekombinationszentren, durch die verhindert wird, daß positive Löcher oder Elektronen in die i-Schicht fließen können. Eine Reduzierung des durch Licht erzeugten Stromes ist die Folge.

Im Gegensatz dazu, sind nach der Erfindung die p-i und n-i Übergänge durch zwei amorphe Halbleiter gebildet, wobei der Übergang zwischen dem amorphen Halbleiter und dem mikrokristallinen Halbleiter ein p-p oder n-n Übergang ist. Bei einem derartigen Aufbau kann der Einfluß von Grenzflächendefekten an der Grenzfläche zwischen der amorphen Schicht und der mikrokristallinen Schicht vernachlässigt werden, da eine große Anzahl von Re­ kombinationszentren bereits an der p-p oder n-n übergangs­ grenzfläche vorhanden ist. Durch die mikrokristallinen Filme mit kleinem spezifischen Widerstand und hoher Energie­ bandlücke wird darüber hinaus erreicht, daß Licht­ absorptionsverluste verringert und gute elektrische Eigen­ schaften erhalten werden.

Wie oben bereits beschrieben, enthält jede Doppelschicht­ struktur vom p- und n-Typ der amorphen Solarzelle eine amorphe Halbleiterschicht und eine mikrokristalline Halb­ leiterschicht, wobei die p-i und n-i Übergänge nur durch amorphe Halbleiter gebildet werden, so daß innerhalb der p-i und n-i Übergänge nur sehr wenige Rekombinations­ zentren vorhanden sind. Die amorphen Schichten 22 und 41 vom p- und n-Typ werden darüber hinaus relativ dünn hergestellt, vorzugsweise mit Dicken, die im Bereich von 10 bis 50 Å (1 bis 5 Nanometer) liegen, so daß auch dadurch Lichtstromverluste stark reduziert werden können. Die Einrichtung weist einen hinreichend kleinen spezifischen Widerstand aufgrund der Verwendung der mikrokristallinen Halbleiterschichten vom n- und p-Typ auf. Hierdurch wird erreicht, daß die Fermioberflächen in der Nachbarschaft von Leitungs- und Valenzband positioniert werden können, so daß eine Solarzelle mit hoher Ausgangsleistung bzw. hoher Klemmspannung erhalten wird, die der Differenz der Fermioberflächen (Fermipegel) an den p-i und n-i Übergängen entspricht.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Doppel­ schichtstrukturen vom p- und n-Leitungstyp jeweils durch eine amorphe Schicht und eine mikrokristalline Schicht aufgebaut. Abweichend hiervon ist es aber auch möglich, die Schicht vom n-Leitungstyp an der Seite des Substrats 1 nur durch eine amorphe Schicht zu bilden.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer amorphen Solarzelle nach der Erfindung dargestellt, die eine Tandemstruktur (pin/pin/pin... oder nip/nip/...) aufweist. In einer Solarzelle mit einer derartigen Tandem­ struktur ist es erforderlich, daß der p-n Übergang im Zentralbereich einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist, so daß ein großer Leckstrom erhalten wird. Darüber hinaus muß er eine große Energiebandlücke aufweisen und dünn ausgebildet sein, so daß nur geringe Licht­ absorptionsverluste auftreten. Obwohl sich eine mikro­ kristalline Schicht für eine derartige Schicht eignen würde, tritt doch das Problem des Stromverlustes auf, der durch Rekombinationszentren hervorgerufen wird, die an der Grenzfläche der mikrokristallinen Schicht und der amorphen i-Schicht vorhanden sind.

Unter diesem Gesichtspunkt ist jede Schicht einer p- und n-Schicht der Tandemstruktur bzw. jede Doppelschicht­ struktur aus einer amorphen Schicht und einer mikro­ kristallinen Schicht gebildet, wobei die amorphe Schicht auch bei diesem Ausführungsbeispiel an der Seite der i-Schicht liegt. Durch einen derartigen Aufbau wird eine Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad erhalten, wie er auch bei der Solarzelle nach Fig. 1 vorhanden ist.

In der Fig. 2 sind Halbleiterschichten vom i-Typ bzw. i-Leitungstyp mit 31 und 32 bezeichnet. Amorphe Halbleiter­ schichten vom p-Typ bzw. p-Leitungstyp sind mit 411 und 421 und mikrokristalline Halbleiterschichten vom p-Typ bzw. p-Leitungstyp mit 412 und 422 bezeichnet. Die Schichten 421 und 422 bilden eine Doppelschichtstruktur vom p-Typ, während auch die Schichten 411 und 412 eine Doppelschicht­ struktur vom p-Typ bilden. In jeder dieser so gebildeten Doppelschichtstrukturen vom p-Typ ist also eine amorphe Schicht 411 bzw. 421 vorhanden. Dagegen ist eine mikro­ kristalline Halbleiterschicht vom n-Typ bzw. n-Leitungs­ typ mit 413 und eine amorphe Halbleiterschicht vom n-Typ bzw. n-Leitungstyp mit 414 bezeichnet. Beide Schichten 413 und 414 bilden eine n-Schicht bzw. Doppelschicht­ struktur vom n-Typ.

Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf eine amorphe Solarzelle mit einer n-i-p Struktur, und ebenso anwendbar auf eine integrierte Struktur, bei der die p-i-n oder n-i-p Struktur unterteilt ist und die obere p (oder n) Schicht und die untere n (oder p) Schicht über eine Elektroden­ leitung miteinander verbunden sind, so daß derselbe Effekt wie oben beschrieben erhalten wird.

Darüber hinaus ist die Erfindung anwendbar auf eine Solarzelle, bei der die Energiebandlücke jeder Schicht vom i-Typ der pin/pin/.../pin Struktur umso kleiner wird, je weiter diese Schicht von derjenigen Oberfläche entfernt ist, auf die das Sonnenlicht auftrifft. Hierdurch wird erreicht, daß unterschiedliche Wellenlängenbereiche im Sonnenlichtspektrum ausgenutzt werden können.

Wie oben beschrieben, besteht nach der Erfindung jede p- und n-Schicht der amorphen Solarzelle aus einer Doppelschichtstruktur, die eine amorphe Halbleiterschicht und eine mikrokristalline Halbleiterschicht enthält.

Dabei liegt die amorphe Halbleiterschicht an der Seite der Schicht vom i-Typ. Durch einen derartigen Aufbau wird erreicht, daß die Rekombinationszentren an den p-i und n-i Übergangsgrenzen in großem Umfang reduziert werden. Darüber hinaus wird der spezifische Widerstand entlang der Wege für die Elektronen und positiven Löcher vermindert, so daß eine Solarzelle mit hohem Ausgangssignal erhalten wird.

Claims (4)

1. Amorphe Solarzelle dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine p-i-n oder n-i-p Schichtstruktur, in der jede der p- oder n-Schichten aus einer Doppelschicht­ struktur mit einer amorphen Halbleiterschicht (22, 41) und einer mikrokristallinen Halbleiterschicht (21, 42) besteht, enthält, beide Schichten (21, 22 und 41, 42) einer jeweiligen Doppelschichtstruktur vom selben Leitfähigkeitstyp sind und die amorphen Halbleiterschichten (22, 41) jeweils an der Seite der i-Schicht (3) liegen.

2. Amorphe Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere p-i-n oder n-i-p Schichtstrukturen enthält und alle p- und n-Schichten eine Doppelschichtstruktur aufweisen.

3. Amorphe Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere p-i-n oder n-i-p Schichtstrukturen enthält, und daß die i-Schicht einer jeweiligen p-i-n oder n-i-p Schicht­ struktur eine umso kleinere Energiebandlücke aufweist, je weiter sie von derjenigen Oberfläche entfernt ist, auf die das Sonnenlicht auftrifft.

4. Amorphe Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die p-i-n oder n-i-p Schichtstruktur einen integrierten Aufbau hat.