DE3720750A1 - Gallium arsenide solar cell and method for the fabrication thereof - Google Patents
Gallium arsenide solar cell and method for the fabrication thereofInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gallium arsenid-Solarzelle mit verbessertem Wandlerwirkungsgrad und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen.The present invention relates to a gallium arsenide solar cell with improved converter efficiency and a method of making one.
In den letzten Jahren sind die Untersuchungen und For schungen im Zusammenhang mit Solarzellen darauf gerichtet worden, den Umwandlungswirkungsgrad von Solarzellen zu steigern, die aus Silizium und Verbindungen der Gruppen III bis V des periodischen Systems bestehen. Diese Unter suchungen und Forschungen haben ergeben, daß Gallium arsenid einen höheren Umwandlungswirkungsgrad erzielen läßt, als Silizium, und daß dieser Effekt durch Verwendung von ternären Verbindungen der Gruppen III bis V des perio dischen Systems zusammen mit Galliumarsenid bei der Her stellung von Solarzellen weiter gesteigert werden kann. In letzterem Falle werden Solarzellen im allgemeinen durch epitaxiales Aufwachsen von Aluminium-Galliumarsenid (Al x Ga1-x As) auf ein Galliumarsenidsubstrat vom n-Typ und anschließendes Ausbilden eines Bereiches vom p-Typ zwi schen dem Substrat und der epitaxial aufgewachsenen Schicht zur Erzeugung eines p-n-Übergangs hergestellt. Eine solche Vorrichtung wird mit der Flüssigphase-Epitaxialaufwachs technik (LPE) hergestellt.In recent years, research and research related to solar cells have been directed to increasing the conversion efficiency of solar cells composed of silicon and group III to V compounds of the periodic system. These examinations and researches have shown that gallium arsenide can achieve a higher conversion efficiency than silicon, and that this effect can be further increased by using ternary compounds of groups III to V of the periodic system together with gallium arsenide in the manufacture of solar cells can. In the latter case, solar cells are generally produced by epitaxially growing aluminum gallium arsenide (Al x Ga 1- x As) on an n-type gallium arsenide substrate and then forming a p-type region between the substrate and the epitaxially grown layer of a pn junction. Such a device is manufactured using the liquid phase epitaxial growth technique (LPE).
Beispielsweise wird durch Bedecken des GaAs-Substrats vom n-Typ mit geschmolzener Kristallflüssigkeit aus Ga, GaAs, Al und einem Dotierungsmittel vom p-Typ, wie beispiels weise Zink (Zn) oder Germanium (Ge) bei einer vorbestimm ten Epitaxialaufwachstemperatur, und Halten des Substrats mit der es bedeckenden Flüssigkeit für eine vorbestimmte Zeitdauer auf dieser vorbestimmten Temperatur und an schließendes Absenken der Temperatur auf einen vorbestimm ten Pegel Zink oder Germanium als Dotierungsmittel vom p-Typ in das GaAs-Substrat vom n-Typ und die Epitaxial schicht aus AlGaAs eingeführt. Ein Beispiel einer mit Zink dotierten Solarzelle ist in dem Artikel "Ga1-x Al x As- GaAs PPN hetero-Junction Solar Cells" von H.J. Hovel et al. (Journal of the Electrochemical Society, September 1973, Seiten 1246 bis 1252) beschrieben. Diese Dotierungsmittel dienen dazu, die Trägerdichte zu steigern und daher den Bahnwiderstand auf der Seite der p-Typ-Schicht im p-n- Übergang zu vermindern. Wenn diese Spezialdotierungsmittel vom p-Typ, wie beispielsweise Zink oder Germanium, verwen det werden, dann lassen sich bei der Herstellung von GaAs- Solarzellen eines vorbestimmten Typs zufriedenstellende Ergebnisse erzielen. Diese zwei Dotierungsmittel haben jedoch die folgenden Nachteile.For example, by covering the n-type GaAs substrate with molten crystal liquid of Ga, GaAs, Al and a p-type dopant such as zinc (Zn) or germanium (Ge) at a predetermined epitaxial growth temperature, and holding the Substrate with the liquid covering it for a predetermined period of time at this predetermined temperature and then lowering the temperature to a predetermined level of zinc or germanium as p-type dopant in the n-type GaAs substrate and the epitaxial layer made of AlGaAs . An example of a zinc-doped solar cell is described in the article "Ga 1- x Al x As- GaAs PPN hetero-junction solar cells" by HJ Hovel et al. (Journal of the Electrochemical Society, September 1973, pages 1246 to 1252). These dopants serve to increase the carrier density and therefore to reduce the sheet resistance on the p-type layer side in the pn junction. If these special p-type dopants such as zinc or germanium are used, satisfactory results can be obtained in the manufacture of GaAs solar cells of a predetermined type. However, these two dopants have the following disadvantages.
Zink erfordert einen höheren Dampfdruck und verhält sich als eine diffundierte Substanz im GaAs-Substrat unregel mäßig, was unvermeidbar Probleme in Bezug auf die Steuer barkeit und die Stabilität bei der Herstellung der Vor richtung aufwirft. Germanium andererseits ist für die Ver wendung als Dotierungsmittel vom p-Typ nicht geeignet, wenn die p-Typ-Schicht aus Al x Ga1-x As eine hohe Aluminium konzentration aufweist. Mit anderen Worten, wenn der Index "x" im Al x Ga1-x As größer als etwa 0,85 ist, dann bildet Germanium eine Verunreinigung in einem tiefen Niveau in dem Bandzwischenraum des GaAs-Substrats, die die Anzahl der ionisierten Träger, die in dem Halbleiter verfügbar sind, vermindert, sodaß es als Mittel zur Ver minderung des Widerstandes auf der Seite der p-Typ-Schicht im p-n-Übergang der Vorrichtung ungeeignet wird.Zinc requires a higher vapor pressure and behaves irregularly as a diffused substance in the GaAs substrate, which inevitably poses problems in terms of controllability and stability in the manufacture of the device. Germanium, on the other hand, is not suitable for use as a p-type dopant if the p-type layer made of Al x Ga 1- x As has a high aluminum concentration. In other words, if the index "x" in Al x Ga 1- x As is greater than about 0.85, then germanium forms a low level impurity in the band gap of the GaAs substrate, which is the number of ionized carriers, available in the semiconductor is reduced so that it becomes unsuitable as a means of reducing the resistance on the p-type layer side in the pn junction of the device.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick darauf geschaf fen worden, die oben erwähnten, verschiedenen Probleme zu lösen, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine GaAs-Solar zelle anzugeben, die mit guter Steuerbarkeit und Stabilität bei der Ausbildung des p-n-Übergangs hergestellt werden kann und einen hohen Umwandlungswirkungsgrad hat. Weiter hin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle anzugeben.The present invention has been made in view of this various problems mentioned above solve, and it is based on the task of a GaAs solar cell indicate that with good controllability and stability in the formation of the p-n junction can and has a high conversion efficiency. Next hin the invention has for its object a Ver drive to manufacture such a solar cell.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Er findung gelöst. Weitere, dem gleichen Grundgedanken fol gende Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Erfindung durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.This task is by the He specified in claim 1 finding solved. Further, the same basic idea fol ing embodiments of the invention are the subject further claims. With regard to the procedure Invention by the features specified in claim 9 solved.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Solarzelle vorgesehen, die in Kombination enthält: ein Galliumarsenidsubstrat vom n-Typ, eine auf dem Substrat angeordnete Galliumarsenidschicht vom p-Typ mit einem p-n-Übergang zwischen dem Substrat und der genannten Schicht, und einer epitaxial aufgewachsenen Schicht aus einem Aluminium-Galliumarsensid (Al x Ga1-x As) vom p-Typ, das auf der Galliumarsenidschicht vom p-Typ ausgebildet ist, wobei Magnesium als Dotierungsmittel vom p-Typ ein geschlossen ist, um den spezifischen Widerstand der Galliumarsenidschicht vom p-Typ und der epitaxial aufge wachsenen Schicht zu vermindern.According to one exemplary embodiment of the invention, a solar cell is provided which contains in combination: an n-type gallium arsenide substrate, a p-type gallium arsenide layer arranged on the substrate with a pn junction between the substrate and said layer, and an epitaxially grown layer from a p-type aluminum gallium arsenide (Al x Ga 1- x As) formed on the p-type gallium arsenide layer, magnesium being included as a p-type dopant to measure the resistivity of the p-type gallium arsenide layer -Type and to reduce the epitaxially grown layer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Solarzelle vorgesehen, die in Kombination enthält: ein Galliumarsensidsubstrat vom n-Typ, auf dessen einer Hauptfläche eine Elektrode ausgebildet worden ist, eine Galliumarsensid-Epitaxialschicht vom n-Typ auf der anderen Hauptfläche des Galliumarsenidsubstrats, eine Gallium arsensid-Epitaxialschicht vom p-Typ auf der einen Haupt fläche der Galliumarsenid-Epitaxialschicht vom n-Typ zur Ausbildung eines p-n-Übergangs, die Magnesium als Dotie rungsmittel vom p-Typ enthält und mit deren einer Haupt fläche die andere Elektrode verbunden ist, und eine Alu minium-Galliumarsenid-Epitaxialschicht vom p-Typ, die auf der einen Hauptfläche der Galliumarsenid-Epitaxialschicht vom p-Typ ausgebildet ist und Magnesium als Dotierungs mittel vom p-Typ enthält.According to a further embodiment of the invention a solar cell is provided, which in combination contains: an n-type gallium arsenic substrate, on one of which Main surface an electrode has been formed, a N-type gallium arsenide epitaxial layer on the other Main surface of the gallium arsenide substrate, a gallium p-type arsenic epitaxial layer on one main area of the n-type gallium arsenide epitaxial layer Formation of a p-n junction, the magnesium as a dotie contains p-type agents and a main one the other electrode is connected, and an aluminum p-type minium gallium arsenide epitaxial layer based on one major surface of the gallium arsenide epitaxial layer is of the p-type and magnesium as doping contains p-type agents.
Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird Magnesium als Dotierungsmittel vom p-Typ verwendet, weil es im Vergleich zu Zink einen niedrigeren Dampfdruck auf weist und weil es vorteilhafte Leitfähigkeit vom p-Typ in den GaAs-Kristallen hervorruft mit der Folge, daß die Steuerbarkeit und Stabilität des p-n-Übergangs des Gallium arsenidsubstrats verbessert werden können und man eine Galliumarsenid-Solarzelle von hohem Umwandlungswirkungs grad erhält.In the method according to the present invention Magnesium used as a p-type dopant because it has a lower vapor pressure compared to zinc and because it has advantageous conductivity of the p-type in the GaAs crystals with the result that the Controllability and stability of the p-n junction of the gallium arsenide substrates can be improved and one Gallium arsenide solar cell with high conversion efficiency degree received.
Die Erfindung, ihre Merkmale und Vorteile sowie der Aufbau und die Funktion derselben und das Verfahren zur Herstel lung einer Solarzelle werden nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbei spiel näher erläutert. Es zeigt:The invention, its features and advantages as well as the structure and the function thereof and the method of manufacture development of a solar cell are referred to below to an embodiment shown in the drawings game explained in more detail. It shows:
Fig. 1(a) bis 1(c) schematische Darstellungen des Ver fahrens zum Herstellen einer GaAs-Solarzelle nach der vorliegenden Erfindung, und Fig. 1 (a) to 1 (c) are schematic illustrations of the proceedings of manufacturing a GaAs solar cell of the present invention, and
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Schiffchens für die Epitaxialaufwachsung in Flüssigphase, das bei der Herstellung eines Solarzellenelementes nach der vorliegenden Er findung nach Fig. 1 verwendet wird. Fig. 2 is a schematic representation of the structure of a boat for epitaxial growth in the liquid phase, which is used in the manufacture of a solar cell element according to the present invention according to FIG. 1.
Die Fig. 1(a) bis 1(c) sind schematische Querschnitts darstellungen, die die Verfahrensschritte bei der Her stellung der GaAs-Solarzelle nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.The Fig. 1 (a) to 1 (c) are diagrams showing schematic cross-section, the position of the process steps in the forth of the GaAs solar cell according to the embodiment of the present invention exhibit.
Gemäß Fig 1(a) wird ein Galliumarsensidsubstrat 1 vom n-Typ mit Silizium (Si) dotiert mit einer Trägerdichte von 1×1017 cm-3 bis 2×1018 cm-3 und eine Galliumarsensid- Epitaxialschicht 2 vom n-Typ, die mit Zinn (Sn) dotiert ist in einer Menge von 1×1017 cm-3 bis 2×1017 cm-3, ist auf dem Substrat 1 angeordnet, um mit diesem ein Gallium arsensidsubstrat 10 vom n-Typ auszubilden.According to Figure 1 (a) a Galliumarsensidsubstrat 1 is n-type with silicon (Si) doped with a carrier density of 1 × 10 17 cm -3 to 2 × 10 18 cm -3 and a Galliumarsensid- epitaxial layer 2 of n-type, which is doped with tin (Sn) in an amount of 1 × 10 17 cm -3 to 2 × 10 17 cm -3 , is arranged on the substrate 1 in order to form an n-type gallium arsenide substrate 10 therewith.
Nachfolgend wird das Verfahren zum Herstellen der GaAs- Solarzelle detailliert erläutert, die Magnesium (Mg) als Verunreinigung enthält, wobei das oben erwähnte GaAs-Sub strat 10 verwendet wird und das erwähnte LPE-Aufwachsver fahren mittels des in Fig. 2 dargestellten Schiffchens als Beispiel dient.In the following, the method for producing the GaAs solar cell containing magnesium (Mg) as an impurity will be explained in detail, using the above-mentioned GaAs substrate 10 and the above-mentioned LPE growth method using the boat shown in FIG. 2 as an example serves.
Gemäß Fig. 2 werden Trennwände 26 und 27 derart verschoben, daß sie ihre entsprechenden, in der Zeichnung dargestellten Stellungen einnehmen, und sodann wird das GaAs-Substrat 10 vom n-Typ in eine von den beiden Wänden 26 und 27 be grenzte zweite Kammer eingebracht. Geschmolzene Kristall flüssigkeit 28 wird in einer ersten Kammer 22 gespeichert, wonach der Hauptkörper des Schiffchens 20 in eine vorbe stimmte Position in einen Ofen (nicht dargestellt) einge führt wird, worauf eine Anhebung der Temperatur auf einen vorbestimmten Pegel für das epitaxiale Aufwachsen folgt. Im vorliegenden Falle ist die erwähnte geschmolzene Kristallflüssigkeit eine Lösung, bestehend aus Gallium (Ga), das darin Aluminum-Galliumarsenid (Al x Ga1-x As) in einem gesättigten Zustand enthält, Galliumarsenid (GaAs) und Aluminium (Al), in die 1 bis 10 mg Magnesium pro 1000 g Gallium inkorporiert ist. Im oben beschriebenen Zu stand erhöhter Temperatur für das epitaxiale Aufwachsen wird im Innern des Ofens nach Erreichen eines Ausgleichs zustandes die Trennwand 26 in Richtung des Pfeiles A in Fig. 2 verschoben, woraufhin die in der ersten Kammer 22 enthaltene geschmolzene Kristallflüssigkeit 28 durch eine Offnung 29 in die darunterliegende zweite Kammer 23 strömt, in der sich das GaAs-Substrat 10 befindet.According to Fig. 2 dividing walls 26 and 27 are shifted so that they assume their respective, shown in the drawing positions, and then, the GaAs substrate 10 is introduced from the n-type in a 26 and 27 be of the two walls bordering second chamber . Melted crystal liquid 28 is stored in a first chamber 22 , after which the main body of the boat 20 is introduced into a predetermined position in an oven (not shown), followed by an increase in temperature to a predetermined level for epitaxial growth. In the present case, the mentioned molten crystal liquid is a solution consisting of gallium (Ga) containing therein aluminum-gallium arsenide (Al x Ga 1- x As) in a saturated state, gallium arsenide (GaAs) and aluminum (Al) in which 1 to 10 mg of magnesium is incorporated per 1000 g of gallium. In the above-described state of increased temperature for the epitaxial growth, the partition 26 is moved in the interior of the furnace after reaching a state of equilibrium in the direction of arrow A in FIG. 2, whereupon the molten crystal liquid 28 contained in the first chamber 22 through an opening 29 flows into the underlying second chamber 23 , in which the GaAs substrate 10 is located.
Da in diesem Augenblick eine ausreichende Menge geschmol zener Kristallflüssigkeit 28 in der ersten Kammer 22 ge speichert ist, wird das gesamte GaAs-Substrat 10 in der geschmolzenen Kristallflüssigkeit 28 untergetaucht, wo durch das in der geschmolzenen Kristallflüssigkeit 28 ent haltene Magnesium vom p-Typ in die GaAs-Epitaxialschicht 2 diffundiert, sodaß nach einer vorbestimmten Zeitdauer die mit Zinn dotierte Epitaxtialschicht 2 teilweise in den p-Typ umgewandelt wird, wodurch eine GaAs-Schicht vom p-Typ gebildet (siehe Fig. 1b) und somit ein p-n-Übergang 3 ausgebildet wird. Dieser Übergang bildet den p-n-Über gang für die Grundfotozelle der Solarzelle.At this moment, since a sufficient amount of molten crystal liquid 28 is stored in the first chamber 22 , the entire GaAs substrate 10 is immersed in the molten crystal liquid 28 , where by the p-type magnesium contained in the molten crystal liquid 28 is in the GaAs epitaxial layer 2 diffuses, so that after a predetermined period of time the tin-doped epitaxial layer 2 is partially converted into the p-type, thereby forming a p-type GaAs layer (see FIG. 1 b) and thus a pn junction 3 is trained. This transition forms the pn transition for the basic photo cell of the solar cell.
Um die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit dieses p-n-Überganges 3 zu vermindern, wird anschließend eine Aufwachsung einer Epitaxialschicht 5 aus Al x Ga1-x As vom p-Typ ausgeführt, die die Rolle eines Fensters übernimmt. Im einzelnen wird hierzu die Temperatur des Ofens für das epitaxiale Aufwachsen auf einen vorbestimmten Pegel abge senkt, und sobald eine gewünschte Dicke der Epitaxial schicht erhalten worden ist, wird die Trennwand 26 in Richtung des Pfeiles A, wie in Fig. 2 gezeigt, verschoben, woraufhin die Trennwand 27 sich zusammen mit der Trennwand 26 wegen der L-förmig abgewinkelten Platte 33 bewegt, und die geschmolzene Kristallflüssigkeit 28 fließt aus der zweiten Kammer 23 in eine dritte, darunterliegende Kammer 32 durch eine in der Trennwand 27 ausgebildete Öffnung 31 ab. Als Folge erhält man ein Epitaxialplättchen 30 für die GaAs-Solarzelle, die eine GaAs-Schicht 4 vom p-Typ hoher Qualität und eine Al x Ga1-x As-Schicht 5 vom p-Typ auf weist, die durch Diffusion des Magnesiums vom p-Typ aus gebildet wurde (Fig. 1b).In order to reduce the surface recombination speed of this pn junction 3 , an epitaxial layer 5 made of Al x Ga 1- x As of p-type is subsequently grown, which takes on the role of a window. In particular, the temperature of the furnace for the epitaxial growth is lowered to a predetermined level, and as soon as a desired thickness of the epitaxial layer has been obtained, the partition wall 26 is shifted in the direction of arrow A , as shown in FIG. 2, whereupon the partition wall 27 moves together with the partition wall 26 because of the L-shaped angled plate 33 , and the molten crystal liquid 28 flows out of the second chamber 23 into a third, underlying chamber 32 through an opening 31 formed in the partition wall 27 . As a result, an epitaxial plate 30 is obtained for the GaAs solar cell, which has a high quality p-type GaAs layer 4 and a p-type Al x Ga 1 x As layer 5 , which by diffusion of the magnesium from p-type was formed from ( Fig. 1b).
Wie Fig. 1(c) zeigt, wird anschließend ein Reflexion ver hindernder Film 6 für das einfallende Licht beispielsweise aus Si3N4 auf der Oberfläche der Schicht 5 durch chemi sche Aufdampfung (CVD) oder andere geeignete Techniken aufgebracht.As shown in Fig. 1 (c), a reflection preventing film 6 for the incident light such as Si 3 N 4 is then applied to the surface of the layer 5 by chemical vapor deposition (CVD) or other suitable techniques.
Im Anschluß daran wird eine Elektode 7 vom p-Typ auf der GaAs-Schicht 4 vom p-Typ und eine Elektrode 8 vom n-Typ auf der GaAs-Schicht 1 vom n-Typ mittels gewöhnlicher Fotoätztechniken aufgebracht, wodurch ein Element 40 für die GaAs-Solarzelle fertigstellt ist. Das so hergestellte GaAs-Solarzellenelement 40 hat einen Umwandlungswirkungs grad von 10% oder mehr, ausgedrückt in atmosphärischer Masse Null (AMO), mit einer nutzbaren Flächengröße von 2 cm×2 cm. Dieser Wert des Umwandlungswirkungsgrades ist höher als der eines üblichen Solarzellenelements, das unter Verwendung von Zink als Dotierungsmittel vom p-Typ hergestellt worden ist,und der bei 17% bis 18% liegt. Das GaAs-Solarzellenelement nach der vorliegenden Erfindung hat einen niedrigeren Dampfdruck als das mit Zink herge stellte, weshalb es fast keine Verdampfung während des epitaxialen Aufwachsens zeigt, sodaß Unregelmäßigkeiten unter den Fertigungslosen während des epitaxialen Auf wachsens der GaAs-Schicht 4 vom p-Typ auf die vorbestimmte Dicke vermieden werden, sodaß sich ein Zellenelement er gibt, das bei der Ausbildung des p-n-Übergangs einwandfrei steuerbar und stabil ist.Thereafter, a p-type electrode 7 is deposited on the p-type GaAs layer 4 and an n-type electrode 8 is deposited on the n-type GaAs layer 1 by ordinary photoetching techniques, thereby forming an element 40 for the GaAs solar cell is completed. The GaAs solar cell element 40 thus manufactured has a conversion efficiency of 10% or more, expressed in zero atmospheric mass (AMO), with a usable area size of 2 cm × 2 cm. This value of the conversion efficiency is higher than that of a conventional solar cell element made using zinc as a p-type dopant, which is 17% to 18%. The GaAs solar cell element according to the present invention has a lower vapor pressure than that produced with zinc, therefore it shows almost no evaporation during the epitaxial growth, so that irregularities among the batches during the epitaxial growth of the p-type GaAs layer 4 arise the predetermined thickness can be avoided, so that there is a cell element that is perfectly controllable and stable in the formation of the pn junction.
Anstelle des Einbringens von Magnesium in die geschmolzene Kristallflüssigkeit 28 kann die Dotierung mit Magnesium auch durch Ioneninjektionsverfahren nach dem epitaxialen Aufwachsen der Aluminium-Galliumarsenidschicht durchge führt werden.Instead of introducing magnesium into the molten crystal liquid 28 , the doping with magnesium can also be carried out by ion injection methods after the epitaxial growth of the aluminum gallium arsenide layer.
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