DE3635944A1 - Tandem-solarzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf photovoltaische Solarzellen, und insbesondere auf eine einen hohen Wirkungsgrad besitzende, mehrere Grenzschichten aufweisen photovoltaische Solarzellenvorrichtung. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Tandem-Solarzelle, die Strom und Gitter angepaßt ist.

Photovoltaische Zellen sind im allgemeinen als Solarzellen bekannt, und sie weisen im wesentlichen Halbleiter auf, die in der Lage sind, elektromagnetisdhe Energie, wie beispielsweise Licht oder Sonnenstrahlung, direkt in Elektrizität umzuwandeln. Solche Halbleiter sind normalerweise durch solide oder feste kristalline Strukturen gekennzeichnet, die Energiebandspalte aufweisen, und zwar zwischen ihren Valenzelektronenbändern (im folgenden kurz Valenzbänder genannt) und ihren Leitungselektronenbändern (im folgenden kurz Leitungsbänder genannt). Normalerweise können freie Elektronen in diesen Bandspalten (verbotene Bänder) nicht existieren oder verbleiben. Derartige photovoltaische Zellen sind jedoch auch gekennzeichnet durch Materialien einer Art, die dann, wenn durch sie Licht absorbiert wird, Elektronen in ihren niedrigen Energiezuständen zum Überspringen des Bandspaltes in nicht besetzte, höhere Energiezustände anregen. Wenn beispielsweise Elektronen im Valenzband eines Halbleiters hinreichend viel Energie aus den Photonen der Solarstrahlung absorbieren, so können sie den Bandspalt zu einem Leitungsband höherer Energie überspringen.

Die auf diese Weise zu höheren Energiezuständen angeregten Elektronen lassen nicht besetzte Niedrigenergiepositionen oder "Löcher" zurück. Solche "Löcher" können sich von Atom zu Atom im Kristallgitter bewegen. Die Löcher wirken somit als Ladungsträger, wie dies die freien Elektronen im Leitungsband tun, und sie tragen zur Leitfähigkeit des Kristalls bei. Daher bewirken die meisten der im Halbleiter absorbierten Photonen das Entstehen solcher Elektron-Loch-Paare. Es sind diese Elektron-Loch-Paare, die den Photostrom erzeugen und dieser wiederum die an der Solarzelle auftretende Photospannung.

Diese durch das Licht erzeugten Elektronen-Loch-Paare würden sich schließlich rekombinieren, wodurch diejenige Energie, die anfangs zum überspringen des Bandspaltes verwendet wurde, in Wärme oder ein Photon umgewandelt wird, wenn dieser Vorgang nicht verhindert wird. Es wird daher ein örtliches elektrisches Feld in dem Halbleiter durch "Dotieren" erzeugt, oder aber durch "Interfacing" unähnlicher Materialien zur Erzeugung einer Raumladungsschicht; mit Interfacing ist dabei die Bildung eines Interface oder einer Zwischenschicht gemeint. Die Raumladungsschicht dient zur Trennung der Löcher und Elektronen zur Verwendung als Ladungsträger. Sobald sie getrennt sind, erzeugen die gesammelten Loch- und Elektronen- Ladungsträger eine Raumladung, die eine Spannung an der Zwischenschicht zur Folge hat, wobei diese Spannung die Photospannung ist. Wenn man zuläßt, daß diese voneinander getrennten Loch- und Elektronen-Ladungsträger durch eine externe Last fließen, bevor sie sich rekombinieren, so bilden sie einen Photostrom.

Es ist bekannt, daß Photonenenergien, welche den Schwellwertenergiespalt (d. h. den Schwellwert-Bandabstand) oder den Bandspalt zwischen den Valenz- und Leitungsbändern übersteigen, normalerweise als Wärme verlorengehen und somit verschwendet werden und keine brauchbare Arbeit leisten. Darüber hinaus gibt es ein festes Quantum an potentieller Energiedifferenz am Bandspalt im Halbleiter. Damit ein Elektron in einem niedrigeren Energievalenzband zum Überspringen des Bandspalts zu einem Leitungsband höherer Energie angeregt werden kann, muß es ein hinreichendes Energiequantum absorbieren, normalerweise aus einem absorbierten Photon, und zwar mit einem Wert mindestens gleich der Potentialenergiedifferenz an dem Bandspalt.

Der Halbleiter ist gegenüber Strahlung mit einer Photonenenergie kleiner als dem Bandspalt transparent. Wenn andererseits das Elektron mehr als das Schwellwertquantum an Energie absorbiert, beispielsweise aus einem Photon mit größerer Energie, so kann es den Bandspalt überspringen. Der Überschuß dieser absorbierten Energie über das Schwellquantum hinaus, welches für das Elektron zum Überspringen des Bandspaltes erforderlich ist, hat zur Folge, daß sich das Elektron in einem höheren Energiezustand befindet als die meisten anderen Elektronen im Leitungsband. Solche Elektronen, die Energieniveaus aufweisen, die höher liegen als die untere Kante des Leitungsbandes, d. h. höher liegen als die obere Kante des Bandspaltes oder des verbotenen Bandes, werden als "heiß Elektronen" bezeichnet. Für jedes aus einem normalen Energieniveau heraus angeregte Elektron gibt es ein entsprechendes Loch. Somit kann es für jedes heiße Elektron ein entsprechendes heißes Loch geben, wobei beide im allgemeinen als "heiße Träger" bezeichnet werden.

Heiße Träger verlieren normalerweise ihre Überschußenergie sehr schnell an das Gastgitter in Form von Wärme. Dieser Vorgang, bei dem die heißen Träger ihre überschüssige Energie an das Gastgitter abgeben und mit dem Gitter bei Umgebungstemperatur ins Gleichgewicht kommen, ist als Thermalisation bekannt. Diese Thermalisation der heißen Träger hat zur Folge, daß die Trägerenergie auf das Energieniveau an der Kante des Leitungsbandes reduziert werden. Da eine derartige Thermalisation normalerweise in ungefähr 10¹² Sekunden erfolgt, besteht der an eine Last gelieferte Photostrom aus Trägern mit Energieniveau an der unteren Kante des Leitungsbandes. Anders ausgedrückt ist die effektive Photospannung eines Einzelbandspalthalbleiters durch den Bandspalt (verbotenes Band) begrenzt.

Die praktische auswirkung dieser Begrenzung hatte vor dieser Erfindung zur Folge, daß der Halbleiterkonstrukteur auf Effizienz in einem Gebiet verzichten mußte, um Effizienz in einem anderen Gebiet zu erreichen. Speziell kann man sagen, daß zum Einfangen von möglichst vielen Photonen aus dem Spektrum der Solarstrahlung der Halbleiter mit einem kleinen Bandspalt konstruiert werden muß, so daß selbst kleine Photonen aus Strahlen niedrigerer Energie Elektronen zum Überspringen des Bandspaltes anregen können. Wenn man dies jedoch tut, so nimmt man dafür mindestens zwei negative Effekte in Kauf. Als erste hat der Schmalbandspalt eine Vorrichtung mit niedriger Photospannung zur Folge, und somit mit einer niedrigeren Leistungsausgangsgröße. Zum zweiten werden die größeren Photonen aus der Strahlung höherer Energie viele heiße Träger erzeugen, die viel Überschußenergie besitzen, die als Wärme bei der nahezu unmittelbaren Thermalisation dieser heißen Träger zur Kante des Leitungsbandes verlorengeht. Wenn andererseits der Halbleiter mit einem größeren Bandspalt konstruiert wird, um die Photospannung zu erhöhen und den Energieverlust infolge der Thermalisation heißer Träger zu vermindern, so werden Photonen aus Strahlen niedrigerer Energie nicht absorbiert. Wenn konventionelle Einzel- oder Single- Grenzschicht-Solarzellen konstruiert werden, so ist es demzufolge notwendig, diese Betrachtungen ins Gleichgewicht zu bringen und zu versuchen, einen Halbleiter mit einem optimalen Bandspalt zu konstruieren, wobei im Gleichgewicht ein signifikanter Energieverlust von sowohl großen und kleinen Energiephotonen, d. h. Photonen mit großer und kleiner Energie, auftritt. Materialien, wei beispielsweise Silizium mit einem Bandspalt von 1,1 eV und GaAs mit einem Bandspalt im Bereich von etwa 1,4 eV sind relativ preiswert und werden als die optimalen Solarenergie-Umwandlungshalbleiter für konventionelle Einzelgrenzschicht-Solarzellen angesehen. Es verbleibt jedoch ein Bedürfnis für eine Vorrichtung, die einen größeren Berich von Photonenenergien aus dem solaren Strahlungsspektrum einfangen und ausnutzen kann, wobei jedoch weder Abstriche hinsichtlich der Photospannung gemacht werden müssen noch hinsichtlich eines Energieverlustes an die Erwärmung durch die Thermalisation heißer Träger.

In den vergangenen Jahren wurde viel Arbei in eine Lösung dieses Problems investiert, und zwar in Richtung auf die Herstellung von Tandem- oder Mehrfachgrenzschicht (Kaskaden)- Solarzellenstrukturen, in denen die obere Zelle einen größeren Bandspalt aufweist und die Photonen höhere Energien höherer Energien absorbiert, während die Photonen niedriggerer Energie durch die obere Zelle in eine untere oder Bodenzelle laufen, die einen kleineren Bandspalt besitzt, um die Strahlung niedrigerer Energie zu absorbieren. Die beiden Zellen sind elektrisch in Serie geschaltet. In einem gewissen Umfang wurden auch Untersuchungen an Mehrfachgrenzschicht (multÿunktion)- photovoltaischen Zellen vorgenommen, die mehr als zwei in Seire geschaltete Zellen aufweisen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf zwei Zellen-Multÿunction-Vorrichtungen.

Es gibt eine Anzahl von Eigenschaften oder Charakteristika, die notwendig sind für das Erreichen effizienter Mehrfachgrenzschicht- oder photovoltaischer Vorrichtungen, wobei eine optimale Kombination bislang nicht erreichbar war. Solche erwünschten Eigenschaften umfassen eine monolithische Mehrfachgrenzschichtvorrichtung, in der die oberen und unteren Zellen stromangepaßt sind, d. h. sie absorbieren Photonen mit der gleichen Rate oder Geschwindigkeit und erzeugen so den gleichen Strom. Ferner sollten die obere Zelle und die Grenzschicht (junction) zwischen den oberen und unteren Zellen optisch für die Strahlung niedriger Energie transparent sein, während der elektrische Stromfluß zwischen den oberen und unteren Zellen im wesentlichen ungestört sein sollte. Es ist ferner außerordentlich erwünscht, wenn nicht aus ökonomischen Betrachtungen heraus wesentlich, daß die Zellenmaterialien ohne weiteres verfügbar, preiswert und relativ leicht herstellbar sind.

Es wurde im weiten Umfange publiziert, und es ist allgemein von Fachleuten, basierend auf Computermodellen und Berechnungen akzeptiert, daß die effizientesten stromangepaßten Merhfachgrenzschicht-Tandem-photvoltaischen Vorrichtungen dann erreicht werden, wenn die obere Zelle einen Bandspalt im Bereich von 1,50 bis 1,75 eV besitzt, und die unter Zelle einen Bandspalt im Bereich von 1,00 bis 1,25 eV besitzt. Vgl. dazu beispielsweise die folgenden Literaturstellen: J.A.Hutchby, Robert J.Markunas und Salah M.Bedair "Material Aspects of the Fabrication of Multÿunciton Soalr Cells", Center for Semiconductor Research, Research Triangle Park, NC S.P.I.E.Journal (Juli 1985), und Fan, et al., "Optimal Design of High-Efficiency Tandem Cells", IEEE, S.692-701 (1982). Der Graph in Fig. 4 wurde in den beiden obengenannten Artikeln veröffentlicht, um diesen "Ziel"- oder "Target"- Banspaltbereich für Multÿunction Tandem photovoltaische Vorrichtungen zu illustrieren.

Es gilt ebenfalls als allgemein von Fachleuten auf diesem Gebiet anerkannt, daß die gewünschte optische Transparenz und die Stromleitfähigkeit zwischen den oberen und unteren Zellen in monolithischen Multÿunction Tandem-Vorrichtungen am besten erreicht würde durch die Gitteranpassung des oberen Zellenmaterials an das untere Zellenmaterial. Fehlanpassungen in den Gitterkonstanten erzeugen Defekte und Versetzungen im Kristallgitter, wo Rekombinationszentren auftreten können, die einen Verlust von photoerzeugten Minoritätsträgern hervorrufen und auf diese Weise in signifikanter Art die photovoltaische Qualität der Vorrichtung verschlechtern. Insbesondere vermindert solche Effekte die Leerlaufspannung (V _OC ), den Kurzschlußstrom (J _SC ) und den Füllfaktor (FF), Größen, die die Beziehung oder das Gleichgewicht zwischen Strom und Spannung für eine effektive Leistungsausgangsgröße repräsentieren.

Im allgemeinen beziehen sich die Bemühungen des Standes der Technik und der Entwicklungen auf Multÿunction Tandem-Zellen, die aus Halbleitermaterialien in dem oben beschriebenen "Ziel"- Bandspaltbereichen von 1,50 bis 1,75 eV für die obere Zelle und 1,00 bis 1,25 eV für die untere Zelle liegen, und zwar in dem Glauben, daß solche Bereiche für hocheffiziente Vorrichtungen am meisten versprechen. Beispielsweise schlägt der oben genannte Artikel von Hutchby et al auf Seite 4 AlGaAS, GaAsP und AlAsAb für die oberen Zellen und Si, InGaAs, GaAsSb, InAsP, AlGaSb und AllnSb für die unteren Zellen vor. Für quaternäre Legierungen schlägt dieser Hutchby-Artikel AlGaInP, AlGaInAs und AlGaAsSb für die oberen Zellen und InGaAsP, AlGaAsSb und AlGaInSb für die unteren Zellen vor. Obwohl jedoch diese Legierungen Bandspalte in den Zielbereichen aufweisen, so sind sie doch nicht sehr gut gitterangepaßt, und zwar weder zwischen diesen Materialien selbst noch mit irgendwelchem preiswerten, ohne weiteres verfügbaren Substratmaterial.

In gleicher Weise enthält der oben genannte Artikel von Fan et al eine lange Diskussion des potentiellen Gebrauchs von Zusammensetzungen mit Bandspalten in diesen "Ziel"- Bandspaltbereichen. FAN et al richtet nämlich wie Hutchby et al seine primären Bemühungen auf die Minimierung der Effekte von Gitterfehlanpassungen, die bei diesen Materialien mit Bandspalten in den "Ziel"-Bereichen nicht vermieden werden können.

Die US-Patente 42 55 211 und 43 32 974 von L.Fraas beschreiben die Verwendung eines Germaniumsubstrats mit einer Ga_0,88In_0,12As (1,25 eV) Bodenzelle und einer Ga_0,43In_0,57P (1,75 eV) oberen Zelle, abgeschieden darauf. Diese bekannten, von Fraas konstruierten Tandem-Vorrichtungen sind wiederum auf die oben beschriebenen "Ziel"-Bereichbandspalte von 1,00 bis 1,25 eV für die untere oder Bodenzelle und 1,50 bis 1,75 eV für die obere Zelle gerichtet, wobei die Gitteranpassung offensichtlich als sekundär angesehen wird. Beispielsweise ergeben die beiden oben genannten US-Patente ′211 und ′974 an, daß diese Materialien nur auf einen Bereich von ±1% Gitter angepaßt sind, und zwar selbst in der dreischichtigen quaternären Legierung Ga_0,88In_0,12As/Ga_0,69In_0.31As_0,5 P_0,5/In_0,5Ga_0,5P-Struktur beschrieben in US-PS 43 32 974. Es wurde jedoch nunmehr festgestellt, daß selbst bei einer Gitterfehlanpassung von einer Größe von nur ±0,01% eine signifikante Verschlechterung der photovoltaischen Qualität auftritt, was eine gewisse Anzeige dafür liefert, warum solche Vorrichtungen des Standes der Technik, die auf die oben beschriebenen "Ziel"-Bandspaltbereiche ausgerichtet sind, nicht so effizient arbeiten, wie dies anfangs von Fachleuten erwartet wurde, und zwar trotz der oben beschriebenen Bemühungen, diese Effekte zu minimieren.

Der oben genannte Hutchby et al-Artikel diskutiert auch die nahezu perfekt gitterangepaßten Zellen/Substratstrukturen aus AlGaAs/GaAs und GaAs/Ge, die die Probleme von nicht gitterangepaßten Strukturen vermeiden. GaAs und Ge sind jedoch nicht stromangepaßt, so daß sie nicht die gewünschten Wirkungsgrade liefern. Durch die Natur der Serienverbindung ist der Ausgangsstrom der Vorrichtung begrenzt auf die kleinere der Stromerzeugungsfähigkeiten der beiden Zellen. Die GaAs/AlGaAs sind andererseits sowohl gitterangepaßt als auch stromangepaßt; die Effizienz oder Wirkungsgradergebnisse sind jedoch inkonsistent, und zwar infolge von Problemen mit dem AlGaAs nahe der Tandem-direkt-zu-indirekt-Zusammensetzung an der Hetero-Junction-Interface (der Hetero-Grenzschicht-Zwischenschicht).

Wegen der Gitterfehlanpassung und/oder der Stromfehlanpassung der bekannten photovoltaischen Mehrfach-Grenzschichtvorrichtungen der oben beschriebenen Art konnten die erreichten Wirkungsgrade nicht das theoretische Maximum oder Ziel von 30 bis 36% AM1 erreichen. Es verbleibt daher ein Bedürfnis, eine gitterangepaßte Mehrfach-Grenzschicht-Solarzellenvorrichtung zu schaffen, die die oben aufgezeigten Probleme nicht aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung. Es ist ein allgemeines Zielt der vorliegenden Erfindung, eine effizientere Multÿunction- Tandem-photovoltaische-Solarzelle, d. h. eine Mehrfach-Grenzschicht- Photovoltarzelle zu schaffen, als dies bisher der Fall war. Speziell bbeabsichtigt die Erfindung, eine einen hohen Wirkungsgrad aufweisende Mehrfach-Grenzschicht-Tandem-Photovoltar- Solarzelle zu schaffen, die obere und untere Zellenstrukturen aufweist, die beide gitterangepaßt und stromangepaßt sind. Speziell sieht die Erfindung ferner eine mehrere Grenzschichten aujfweisende Tandem-Solarzelle vor, und zwar mit hohem Wirkungsgrad, wobei die oberen und unteren zellen sowohl gitterangepaßt wie auch stromangepaßt sind, um in konsistenter Weise eine Leerlaufspannung von mindestens 2,1 bis 2,3 V und einem Füllfaktor von mindestens 0,7 bis 0,8 oder größer zu erzeugen.

Ein weiteres spezielles Ziel der erfindung besteht darin, eine derartige hocheffiziente Mehrfach-Grenzschicht-Tandem- Solarzelle zu schaffen, die in konsistenter Weise eine Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie im Bereich von 13% AM1 bis 30% AM1 vorsieht.

Ein weiters Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einen hohen Wirkungsgrad aufweisende Mehrfach-Grenzschicht- Tandem-Solarzelle anzugeben, die relativ leicht herstellbar ist, und zwar mit konsistenten Hochqualitätsergebnissen durch Verwendung von Materialien und Verfahren, die im allgemeinen wohlbekannt sind und innerhalb gängiger Fähigkeiten verarbeitet werden können. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine GaInP₂/GaAs (obere Zelle/untere Zelle) Kaskaden-Solarzellen-Struktur anzugeben, sie sowohl gitterangepaßt wie auch stromangepaßt ist.

Zur Erreichung der genannten sowie weiterer Ziele können die erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung eine hocheffiziente Mehrfach-Grenzschicht-photovoltaische Solarzelle vorsehen, die folgendes aufweist: eine obere GaInP₂- Halbleiterzelle mit einer n/p- oder einer p/n-Homo-Grenzschicht darinnen zur Absorption P otonen höherer Energie und eine untere FaAs-Halbleiterzelle mit einer n/p- oder einer p/n- Homo-Grenzschicht darinnen, wobei GaInP₂ und GaAs gitterangepaßt und stromangepaßt sind und miteinander verbunden sind, und zwar durch eine einen niedrigen Widerstandswert aufweisende gitterangepaßte Hetero-Grenzschicht, wie beispielsweise eine p+/n+-Tunnel-Grenzschicht, und wobei die Herstellung die Verwendung einer solchen Struktur für die Umwandlung von Solarstrahlung in elektrische Energie vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Solarzelle kann mit einer Last durch elektrische Kontakte verbunden werden, die an entgegengesetzten Seiten der Solarzelle vorgesehen sind.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Multÿunction-Tandem-Solarzelle;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der relativen Gitterkonstanten und der Gitterfehlanpassungs-Kennlinien von GaAs- und GaInP-Zellen der Erfindung in Abscheidungs- und Umgebungstemperaturbereichen;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der bekannten oberen Zellen und unteren Zellen-Bandspalt-Zielbereiche und der Bandspalte der oberen und unteren Zellen gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des theoretischen maximalen sonnenstrahlungs/elektrische Energie-Umwandlungswirkungsgrades der Tandem-solarzelle gemäß der Erfindung.

Im folgenden sei die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Die Multÿunction (Kaskaden)-Tandem-Solarzelle 10 der Erfindung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt, und zwar mit stark übertriebenen Abmessungen und Proportionen aus Gründen der Klarheit, was dem Fachmann ohne weiteres verständlich ist. Die Solarzelle 10 ist eine monolithische Tandemvorrichtung, in der die obere Zelle 20 epitaxial auf der unteren oder Bodenzelle 30 abgeschieden ist. Die Bodenzelle 30 weist das Substrat 32 auf.

Erfindungsgemäß weist die obere Zelle 20 einen n+pp+GaInP₂- Halbleiter auf, und die untere Zelle 30 weist einen n+pp+ GaAs-Halbleiter auf. Für die Zwecke dieser Beschreibung bezeichnet ein p+ oder ein n+ eine Trägerkonzentration von ungefähr 5 bis 10 × 10¹⁸ cm^-3, und ein p oder ein n bezeichnet eine Trägerkonzentration von ungefähr 10¹⁶ bis 10¹⁷ cm^-3. Speziell wird ein GaAs-Substrat 32 als die strukturelle Basis der Vorrichtung 10 verwendet. Für "Konzentrator"- Anwendungsfälle ist GaAs relativ billig und ohne weiteres verfügbar, so daß es wirtschaftlich als ein dickes Substrat 32 eingesetzt werden kann, wobei es gleichzeitig als die Bodenzelle arbeitet.

Das GaAs-Substrat ist vorzugsweise p+dotiert, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann die GaInP₂/GaAs Kaskadensolarzelle 10 in einem (nicht gzeigten) MOCVD-Reaktor gewachsen werden. Die Bodenzellenabsorptionsschicht 34 aus p-dotiertem GaAs wird ungefähr 3,0 Micron dick bei ungefähr 750°C auf das p-dotierte Substrat 32 aufgewachsen. Sodann wir die Bodenzellenemitterschicht aus n+-dotiertem GaAs aufgewachsen, und zwar beginnend bei ungefähr 750°C zu einer Dicke von ungefähr 0,2 Micron.

Zu diesem Punkt wird das System schnell auf das Wachstum von p+dotiertem GaInP₂ um die Tunnelheterojunction 38 zwischen der oberen Zelle 20 und der unteren Zelle 30 zu bilden. Diese p+dotierte GainP₂ Junctionschicht 22 ist vorzugsweise auf ungefähr 0,2 Micron aufgewachsen. Sodann wird das darauffolgende Wachstum der p-dotierten GaInP₂-Absorberschicht 20 bei ungefähr 625°C auf ungefähr 0,3 Micron aufgewachsen. Schließlich wird die obere Zelle 20 mit einer n+-dotierten GaInP₂-Emitterschicht 26 auf ungefährt 0,1 Micron bei ungefähr 625°C fertiggestellt. Natürlich wird auf der Emitterschicht 26 ein elektrischer Netzkontakt hergestellt und ein Ohmscher Plattierkontakt 42 wird auf dem Substrat 42 üblicherweise vorgesehen.

Das Verfahren des Aufwachsens einer gitterangepaßten InGaP/GaAS- Heterostruktur ist für Heterostruktur in J. Yoshino, T. Iwamoto und H. Kukimotor beschrieben, und zwar in "Metal- Organic Vapor Phase Epitaxial Growth of the In_1-x Ga _x P" 55 Jounal of Crystal Growth, Seiten 75-78 (1981). Wo die vorschliegende Beschreibung eine n+pp+-dotierte obere Zelle und eine n+pp+-dotierte untere Zelle beschreibt, so ist dem Fachmann doch klar, daß auch eine Umkehrdotierung genauso gut arbeiten würde. Es wird daher eine ü+nn+-dotierte obere Zelle und eine p+nn+-dotierte untere Zelle als ein funktionelles Äquivalent der speziellen beschriebenen Struktur angesehen und ist hier nur mit einer umgekehrten Stromrichtung dargestellt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, und basierend auf einer Untersuchung der Ausdehnungstemperaturkoeffizienten, veröffentlicht von S. Minagawa et al in 71 Journal of Crystal Growth auf Seite 377 (1985), ändert sich die Gitteranpassungskonstante zwischen GainP₂ und GaAs abhängig von der Temperatur. Die optimale Gitteranpassung für den Temperaturbereich zwischen 900°K (627°C) Abscheidungstemperatur und 300°K (27°C) Umgebungstemperatur wird erhalten für Ga _x In_1-x P, wo 0,505 x 0,515 ist, wie dies durch die gestrichelten Linien 60, 62 angegeben ist. Anders ausgedrückt ist die beste Gitteranpassung bei der Abscheidungstemperatur beim Punkt 64 gezeigt, wo x ungefähr 0,505, und die beste Gitteranpassung für die Umgebungstemperatur ist beim Punkt 66 gezeigt, wo x ungefähr 0,515 ist. Daher ist die optimale Gitteranpassung dort wo x ungefähr 0,51 und somit ergibt sich eine Ga_0,51In_0,49 P/GaAs obere Zelle/untere Zelle-Struktur.

Es wird, wenn möglich, bevorzugt, obwohl dies nicht wesentlich ist, die Ga _x In_1-x P Legierung so vorzusehen, daß x näher an der 0,505 Seite des oberen geannten Bereiches liegt. Diese Bevorzugung ist am besten an der Bezugnahme wiederum auf Fig. 1 zu erläutern. Die gepunkteten Gebiete 70 zeigen Bereiche an, wo die Gitterfehlanpassungen die Struktur unter Kompression bringen und die gestrichelten Gebiete 72 zeigen Bereiche an, wo die Struktur unter Zug steht. Brüche und Defekte können wahrscheinlicher an der Hetero-Grenzschicht oder Junction entstehen, wenn die Struktur sich im Zugzustand befindet, als dann wenn sie unter leichter Kompression sich befindet. Es ist somit vorzuziehen, so viel wie möglich von dem Zuggebiet 72 zwischen den Linien 60, 62 in dem höheren Abscheidungstemperaturbereich zu vermeiden, selbst wenn eine geringfügige Kompression in dem Gebiet 70 zwischen den Linien 60, 62 in dem niedrigeren Umgebungstemperaturbereich auftritt.

Diese Ga _x In_1-x P/GaAs obere Zelle/untere Zelle-Kaskaden- Solarzelle mit x = 0,51 ± 0,005 ist nicht nur gitterangepaßt, wie oben beschrieben, sondern stromangepaßt. Anders ausgedrückt ist der durch die obere Ga_0,51In_0,49P-Zelle 20 erzeugte Strom ungefähr der gleiche wie der durch die untere GaAs-Zelle 30 erzeugte elektrische Strom. Da der Strom in einer Serienschaltung auf den kleinsten in der ein oder anderen Zelle erzeugten Strom begrenzt ist, wird keine dieser Zellen den Stromfluß durch die andere behindern.

Keine der Zellen in dieser Ga_0,51In_0,49P/GaAs-Tandemzelle liegt innerhalb des gewünschten Zielbandspaltbereichs, vorgeschrieben vom Stand der Technik. Wie Fig. 3 zeigt, lagen die bevorzugten Zielbandspaltbereiche vor der Erfindung zwischen 1,0 und 1,25 eV für die untere Zelle und zwischen 1,5 und 1,25 eV für die obere Zelle. Vergleiche dazu beispielweise den oben geannten Artikel von Hutchby et al und den Artikel von Fan et al, wie auch die oben geannten US- Patente 42 55 221 und 43 32 974. Der Bandspalt der unteren Zelle 30 der vorliegenden Erfindung ist jedoch, wie oben beschrieben, ungefähr 1,4 eV und der Bandspalt (verbotenes Band) der untere Zelle ist ungefähr 1,9 eV, wie dies durch die Linien 84 bzw. 86 in Fig. 3 angegeben ist.

Obwohl die Bandspalte der oberen und unteren Zellen 20, 30 der Erfindung nicht innerhalb der erwünschten Bereiche liegen, die durch den von der Technik als Zielbereiche vorgegeben sind, so ist doch die Umwandlungseffizienz von Solarstrahlung in elektrische Energie der erfindungsgemäßen Tandemzelle sehr hoch. Obwohl der Stromfluß in dieser Serienschaltung auf die Kapazität der niedrigesten Stromzelle beschränkt ist (was hier wegen der Stromanpassung kein Problem ist), so addieren sich die Spannungen. Experimentelle gemäß der Erfindung hergestellte Kaskadensolarzellen erzeugten Leerlaufspannungen (V _oc ) im Bereich von 2,17 V, was sehr nahe der 2,26 V Summe typischer GaAs (0,98 V) und GeinP₂(1,28 V) Flachhomogrenzschichten liegt.

Die experimentellen Solarzellen haben bislang einen Füllfaktor (FF) von 0,78 erzeugt und einen Kurzschlußstrom (J _SC ) vom 5 mA/cm² mit keinem antireflektierenden Überzug (ARC). (Mit einem ARC würde J _SC um 45% bis 50% ansteigen). Diese Parameter zeigen eine experimentelle Effizienz und einen experimentellen Wirkungsgrad von ungefähr 13% AM1.

Obwohl die experimentellen Ergebnisse noch verbessert werden müssen, sind sie bereits so gut und in manchen Fällen besser als die besten soweit gemäß dem Stand der Technik erzeugten Multÿunctionkaskadezellen mit "Ziel"-Bandspaltbereich. Wie durch die Linie 90, 92 in Fig. 4 gezeigt ist, die aus dem obigen Artikel von Fan et al abgeleitet ist, liefern die Bandspalten der oberen und unteren Zellen 20, 30 der Erfindung auch nicht die maximale theoretische Effizienz von 36,2%, aber sie liefern eine theoretische Effizienz von ungefähr 34,0%. Die experimentellen Ergebnisse der gitterangepaßten und stromangepaßten GainP/GaAs Multÿunctionsolarzellen sind also überraschend gut, insbesondere im Hinblick auf die vorausgegangenen Aussagen des Standes der Technik, daß Ga_0,48In_0,52P weniger zweckmäßig war, als Zusammensetzungen wie GaAs_0,77P_0,23 und Al_0,27Ga_0,80As. Vergleiche beispielsweise C. R. Lewis "Advanced High Efficiency Concentrator Cells -- Final Report", Solar Energy Research Institute (1984).

Es ist ferner erfolgversprechend den Füllfaktor FF und den J _SC dieser erfindungsgemäßen gitterangepaßten und stromangepaßten Kaskadensolarzelle 20 weiterzuverbessern, als dies für die fehlangepaßten Gitterstrukturen gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Es ist beispielsweise wahrscheinlich, daß ein unterschiedliches P-Type-Dotiermittel, wie beispielsweise Magnesium anstelle von Zink, und eine reinere Quelle von Indium ein wesentliches besseres J _SC zur Folge haben wird, wahrscheinlich im Bereich von 10 bis 15 mA/cm², ohne ARC, ferner mit einem V _OC im Bereich von 2,4 V und einem FF von ungefähr 0,80. Solche Ergebnisse würden einen tatsächlichen 29% AM1 Wirkungsgrad ergeben.

Die gitterangepaßte und stromangepaßte GainP/GaAs Multÿunction 20 dieser Erfindung hat also den Vorteil einer einfachen relativ leicht herstellbaren Struktur mit nur sechs Schichten und es ist keine Gradierung erforderlich zwischen dem Substrat und den unteren Zellen. Es ist auch von signifikanter Bedeutung, daß die Erfindung zeigt, daß diese gitterangepaßten und stromangepaßten GainP/GaAs-Strukturen in effektiver Weise dotiert werden können.

Die vorstehende Beschreibung ist nur als ein Ausführungsbeispiel zu versehen und der Fachmann kann weitere Modifikationen vornehmen.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

eine Multÿunction (Kaskade) Tandemsolarzellen wird hergestellt aus einer Ga _x In_1-x P(0,505 x 0,515) oberen Zelle Halbleitergitter angepaßt an einen GaAs unteren Zellenhalbleiter mit einer Niedrigwiderstandsheterojunction, vorzugsweise einer p+/n+ Heterojunction zwischen den Zellen. Die oberen und unteren Zellen sind beide gitterangepaßt und stromangepaßt für einen hohen Wirkungsgrad, der Umwandlung von Solarstrahlung in elektrische Energie.

Claims (13)

1. Hocheffiziente Mehrfachgrenzschicht-photovoltaische Solarzelle, die folgendes aufweist:
eine obere Halbleiterzelle, hergestellt aus GaInP₂ mit einer darinnen vorgesehenen lichtempfindlichen n/p Homo- Grenzschicht zum Absorbieren Photonen höherer Energie,
eine untere oder Boden-Halbleiterzelle, hergestellt aus GaAs mit einer lichtempfindlichen n/p Homo-Grenzschicht darinnen zum Absorbieren von Photonen niedriger Energie,
eine einen niedrigen Widerstandswert aufweisende Anordnung zwischen der oberen Zelle und der unteren Zelle, wobei das GaInP₂ an das GaAs Gitter-angepaßt ist, und
elektrische Kontaktmittel, angebracht an entgegengesetzt liegenden Seiten der Solarzelle zur Leitung des Stroms von der Solarzelle und in die Solarzelle.

2. Die mehrere Grenzschichten aufweisende photovoitaische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das GaInP₂ von Ga _x In_1-x P vorliegt mit 0,50 ≦ X ≦ 0,515.

3. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das GaAs einen Bandspalt von ungefähr 1,4 eV besitzt, und das das Ga _x In_1-x P einen Bandspalt von ungefähr 1,9 eV aufweist.

4. Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Zelle ein p+GaAs- Substrat aufweist, und zwar mit einer auf dem Substrat abgeschiedenen p-GaAs-Absorberschicht, und eine n+GaAs- Emitterschicht, abgeschieden auf der p-GaAs-Absorberschicht.

5. Solarzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Zelle folgendes aufweist: eine p+Ga _x In_1-x P-Zwischen- oder Interfaceschicht, abgeschieden auf dem n-GaAs-Emitter, eine p-Ga _x In_1-x P-Absorberschicht, abgeschieden auf der p+Ga _x In_1-x P-Zwischenschicht, und eine n+Ga _x In_1-x P- Emitterschicht, abgeschieden auf der p+Ga _x In_1-x P- Absorberschicht.

6. Solarzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Zelle und die untere Zelle GaInP₂ und GaAs Kompositions- oder Zusammensetzungsstrukturen sind, die zusammengewachsen sind in einer p+/n+-Tunnelheterogrenzschicht (heterojuncition).

7. Solarzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die p-GaAs-Absorberschicht ungefähr 2,9 bis 3,1 Mikron dick ist, daß die n+GaAs- Emitterschicht ungefähr 0,1 bis 0,3 Mikron dick ist, daß die p+Ga _x In_1-x P-Absorberschicht ungefähr 2,9 bis 3,1 Mikron dick ist, und daß die n+Ga _x In_1-x P-Emitterschicht ungefähr 0,05 bis 0,15 Mikron dick ist.

8. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie dann, wenn sie gegenüber Solarstrahlung ausgesetzt ist, eine Leerlaufspannung, d. h. eine Spannung bei offenem Kreis von V _OC gleich mindestens 2,19 V besitzt, einens Kurzschlußstrom J _SC von mindestens 5 mA/cm², und zwar ohne einen anti-reflektierenden Überzug (ARC), einen Füllfaktor (FF) von mindestens 0,78 und einen Wirkungsgrad von mindestens 13% AM1.

9. Verfahren zur Umwandlung von Solarstrahlung in elektrische Energie, wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Leiten von Solarstrahlung in eine erste Zelle, die folgendes aufweist: Ga _x In_1-x As, wobei X = 0,51 ± 0,005 ist, und zwar mit einem Bandspalt von ungefähr 1,9 eV und mit einer n/p-Homogrenzschicht darinnen zur Absorption und Umwandlung in elektrische Energie von Solarstrahlung mit einer Wellenlänge von mehr als ungefähr 0,85 Mikron zur Erzeugung von ungefähr 1,3 bis 1,4 eV Leerlaufspannung, Leiten der nicht absorbierten Solarstrahlung in eine zweite Zelle, die folgendes aufweist: GaAs, das integral mit dem Ga _x In_1-x P gewachsen und gitterverbunden ist und darinnen eine n/p-Homogrenzschicht aufweist, und zwar zur Absorption und zur Umwandlung in elektrische Energie von der verbleibenden Solarstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 0,65 Mikron zur Erzeugung von ungefähr 0,9 bis 1,0 eV Leerlaufspannung, wobei die GaAs zweite Zelle gitterangepaßt ist mit der Ga _x In_1-x P ersten Zelle an einer niedrigen Widerstands-Hetero-Grenzschicht, und Verbinden der ersten und zweiten Zellen in Serie mit einer elektrischen Last.

10. Verfahren zur Umwandlung von Solarstrahlung in elektrische Energie, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Leiten von Solarstrahlung in eine Ga _x In_1-x P/GaAs (obere Zelle/untere Zelle) Mehrfachgrenzschicht-photovoltaische Halbleitervorrichtung, in der die Ga _x In_1-x P obere Zelle gitterangepaßt ist mit einer p+/n+-Hetero- Grenzschicht-Interface (Grenzfläche) mit der GaAs unteren Zelle, und in der eine n/p-Homo-Grenzschicht in der Ga _x In_1-x P oberen Zelle eine weitere n/p-Homo-Grenzschicht in der GaAs unteren Zelle ist,
Absorption der Solarstrahlung höherer Energie in der oberen Zelle, und zwar mit 0,65 Mikron und kleineren Wellenlängen und Umwandlung dieser Strahlung in der oberen Zelle in elektrische Energie, wobei gestattet wird, daß die niedrigere Energie aufweisende Solarstrahlung durch die obere Zelle in die unter Zelle läuft,
Absorption der niedrigeren Energiestrahlung in der unteren Zelle mit 0,85 Mikron und kleiner und Umwandlung der Strahlung in der unteren Zelle in elektrische Energie, und Verbindung der Vorrichtung mit einer elektrischen Last.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch den Schritt des Umwandelns der Solarstrahlung in elektrische Energie von mindestens V _OC = 2,19 V, J _SC = 0,5 A/cm² und FF = 0,78 mit einem Wirkungsgrad von mindestens 13% AMI.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Herstellung der Vorrichtung durch Schaffung einer niedrig-Energie-Absorptionsschicht in der unteren Zelle, Abscheiden einer Schicht aus p-GaAs auf einem p⁺-GaAs-Substrat, Erzeugung einer flachen Homo- Grenzschicht in der unteren Zelle durch Abscheiden einer Schicht von n⁺-GaAs auf der p-GaAs-Schicht, Erzeugung einer gitterangepaßten Tunnel-Hetero-Grenzschicht durch Abscheiden einer Schicht von p⁺-Ga _x In_1-x P auf der n⁺-GaAs-Schicht, wobei 0,505 ≦ X ≦ 0,515 ist, Schaffung einer Hochenergieabsorptionsschicht in der oberen Zelle durch Abscheiden von p-Ga _x In_1-x P auf dem p+Ga _x In_1-x P, und Erzeugung einer flachen Homo- Grenzschicht in der oberen Zelle durch Abscheiden von n- Ga _x In_1-x P auf dem p-Ga _x In_1-x P.

13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Abscheiden der p-GaAs-Schicht von ungefähr 2,9 bis 3,1 Mikron Dicke, Abscheiden der n⁺-GaAs-Schicht von ungefähr 0,1 bis 0,3 Mikron Dicke, Abscheiden der p⁺-Ga _x In_1-x P-Schicht von ungefähr 0,1 bis 0,3 Mikron Dicke und Abscheiden der n+- Ga _x In_1-x P von ungefähr 0,1 Mikron Dicke.