DE3854773T2 - Dünnschichtsolarzelle mit räumlich modulierter intrinsischer Schicht - Google Patents

Dünnschichtsolarzelle mit räumlich modulierter intrinsischer Schicht

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Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein Solarzellen und insbesondere Dünnfilmsperrschichtfotostrukturen bzw. fotovoltaische Strukturen, die aus einer oder mehreren gestapelten Solarzellen gebildet sind, die elektrisch und optisch in Reihe geschaltet sind. Die intrinsische Schicht wenigstens einer aus den mehreren Solarzellen ist über einen wesentlichen Abschnitt der Massendicke "räumlich abgestuft", wobei dieser Abschnitt von den Grenzflächen zwischen der intrinsischen Schicht und der Dotierstoffschicht entfernt ist, um die Leerlaufspannung und/oder die Fülldichte zu verbessern.
  • Es sei bemerkt, daß der Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung den nachgewiesen höchsten Wirkungsgrad der Fotokonversion einer Dünnschichtsolarzelle, nämlich einen Wirkungsgrad von etwa dreizehn Prozent erreicht hat. Dieser Rekord wurde durch Verwendung einer Sperrschichtfotostruktur erreicht, bei der drei diskrete Solarzellen des pin-Typs optisch und elektrisch in Reihe gestapelt wurden, wobei jede Zelle der Absorption eines speziellen Abschnitts des Sonnenspektrums zugewiesen wurde. Durch diese Technik der "Spektrumspaltung" wird es möglich, die gestapelte Sperrschichtfotostruktur mit mehreren relativ dünnen fotogenerativen Schichten herzustellen, so daß das durch die dotierten Schichten vorgesehene, eingebaute elektrische Feld wirksam durch Photonen erzeugte Ladungsträger sammelt und dadurch die rekombinativen Verluste aufgrund des "Staebler/ Wronski"-Abbaus minimiert. Die Art und Weise, wie gestapelte Zellen arbeiten, um rekombinative Verluste zu minimieren, wird in einem späteren Abschnitt dieser Beschreibung des Hintergrunds erläutert.
  • Das Konzept der Verwendung mehrfach gestapelter Zellen zur Verbesserung des Wirkungsgrades von fotovoltaischen Vorrichtungen wurde bereits 1955 offenbart. Die 1955 offenbarten Strukturen waren auf die Verwendung von pn-Übergängen begrenzt, die durch einzelne kristalline Halbleitervorrichtungen gebildet waren. Das Konzept der gestapelten Zelle verwendet im wesentlichen unterschiedliche Bandlückenvorrichtungen, um verschiedene Abschnitte des Sonnenspektrums wirksamer einzufangen und Voc (die Leerlaufspannung) zu erhöhen. In der obersten oder der Lichteinfallsschicht absorbiert ein Halbleitermaterial mit relativ breiter Bandlücke nur das hochenergetische Licht mit kurzer Wellenlänge, während in den nachfolgenden Zellen Materialien mit nacheinander kleinerer Bandlücke die längeren, weniger energetischen Lichtwellenlängen absorbieren, die durch die erste Zelle hindurchgehen. Indem die fotoerzeugten Ströme von jeder in Reihe geschalteten Zelle im wesentlichen abgestimmt werden, wird die Gesamtleerlaufspannung die Summe der Leerlaufspannungen jeder Zelle, während der Kurzschlußstrom (Isc) jeder Zelle im wesentlichen konstant bleibt. Solche Tandemstrukturen werden nun vom Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung bei den oben erwähnten fotovoltaischen Vorrichtungen mit großer Fläche kommerziell verwendet, indem die oben erwähnten kontinuierlichen Verarbeitungstechniken zum Aufbringen von auf einanderfolgenden Dünnfilmschichten aus amorphen und mikrokristallinen Halbleiterlegierungsmaterialien.
  • Es sei daran erinnert, daß in der folgenden Beschreibung spezielle Definitionen von Amorphizität und Mikrokristallinität verwendet werden. Der Begriff "amorph" ist in der vorliegenden Verwendung so definiert, daß er Legierungen oder Materialien umfaßt, die eine Fernbereichsfehlordnung zeigen, obwohl diese Legierungen oder Materialien eine Kurz- oder Mittelbereichsordnung oder sogar kristalline Einschlüsse aufweisen können. Der Begriff "mikrokristallin" ist in der vorliegenden Verwendung als eine einzige Klasse der amorphen Materialien definiert, die durch einen Volumenanteil kristalliner Einschlüsse gekennzeichnet ist, wobei der Volumenanteil größer als ein Schwellenwert ist, ab dem dann wesentliche Änderungen bestimmter Schlüsselparameter wie der elektrischen Leitfähigkeit, der optischen Bandlücke und der Absorptionskonstante auftreten. Speziell sei bemerkt, daß nach den obigen Definitionen das mikrokristalline Material unter die generische Klasse amorpher Materialien fällt.
  • Der Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung war auch bei der Entwicklung (1) verbesserter Halbleiterlegierungsmaterialien sowohl mit breiter und engerer Bandlücke aktiv, wobei die Materialien durch eine reduzierte Dichte von Defektzustände gekennzeichnet sind (so niedrig wie etwa 10¹&sup6; cm&supmin;³ eV&supmin;³); (2) verbesserter Rückreflektormaterialien einschließlich hochreflektiver Doppelschichtmaterialien (wie Silber, das durch eine Zinkoxidschicht gepuffert ist); und (3) verbesserter dotierter Schichten aus Halbleiterlegierungsmaterial mit breiter Bandlükke, die durch eine hohe Leitfähigkeit gekennzeichnet sind, um das eingebaute elektrische Feld der Solarzellen zu verstärken, in die sie eingebettet sind. Alle diese Entwicklungen waren wesentlich für die Entwicklung der oben erwähnten, dreifach gestapelten Sperrschichtfotovorrichtung, die den Fotokonversionswirkungsgrad von 13%, also Weltrekord zeigt. Allerdings reicht, wie oben beschrieben, selbst dieser Weltrekordwirkungsgrad nicht aus, um für einen kostenwirksamen Wettbewerb zwischen fotovoltaisch erzeugter Elektrizität und Elektrizität zu sorgen, die aus herkömmlichen, erschöpfbaren Energiequellen stammen.
  • Gerade aus dem Bemühen, den fotovoltaischen Konversionswirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen, wurde die Entwicklungsarbeit unternommen, die zur verbesserten Zellenleistung führte, wie sie durch die vorliegende Erfindung erreicht wurde. Die vorliegenden Erfinder benutzten die Strategie, zu grundlegenden Überlegungen zurückzukehren, die Auswirkungen auf die Auslegung der Dünnschichtsolarzelle haben, wobei diese Überlegung aktuell von den Forschern auf diesem Gebiet akzeptiert sind, und die "herkömmliche Weisheit" oder gegebene Wahrheiten bezüglich der operationellen Wechselwirkungen der Mehrschichtstruktur der Zelle zu überprüfen. Die Erfinder interessierten sich besonders für die Prüfung der Operationsphysik der intrinsischen Schicht aus Halbleiterlegierungsmaterial von Einzel- und Tandemsolarzellen, um ein Mittel zur Verbesserung der daraus abgeleiteten Leerlaufspannung zu finden, ohne das wirksame Einfangen von fotoerzeugten Ladungsträgern zu opfern. Es sei als Grundlagenreferenz bemerkt, daß die photovoltaische Auslegung bis dahin die Anwesenheit einer homogenen Dünnfilmschicht aus amorphem Siliciumlegierungsmaterial (für ein Material mit einer optischen Bandlücke von 1,7 eV) oder einem amorphen Silicium-Germanium- Legierungsmaterial (für ein Material mit einer optischen Bandlücke von weniger als 1,7 eV) erforderte, die zwischen Schichten aus p- und n-leitendem Halbleitermaterial sandwichartig angeordnet ist. Vor der Zusammenfassung des hier offenbarten erfinderischen Konzepts ist es hilfreich, die Bemühungen der Forscher auf diesem Gebiet genauer anzugeben, nämlich den Solarzellenwirkungsgrad zu verbessern, indem die homogene Beschaffenheit der intrinsischen Schicht aus Halbleiterlegierungsmaterial modifiziert wird, die durch diese "Referenz" dargestellt ist.
  • Im Laufe dieser Analyse befaßten sich die vorliegenden Erfinder nochmals mit anderen Arbeiten auf dem Gebiet der Solarzellenherstellung, um den Typ von "unüblichen" intrinsischen Schichtauslegungen zu betrachten, die vorher bereits betrachtet worden waren. Eine fotovoltaische Vorrichtung, die beispielsweise mit einer sich ändernden Bandlücke in einem engen Abschnitt der intrinsischen Schicht konstruiert ist, ist in einem Referat mit dem Titel "Achievement of Higher Efficiency Amorphous Silicon- Germanium Solar Cells Using Affinity Gradients" offenbart, das auf der siebzehnten jährlichen IEEE Photovoltaic Conference vom 01. bis 04. Mai 1984 in Kissimmee, Florida von S.Wiedeman and E.A.Fagen vorgelegt wurde. Dort ist eine fotovoltaische Vorrichtung des nip-Typs offenbart, die aus einer amorphen Silicium-Germanium-Legierung gebildet ist, wobei die Zusammensetzung der intrinsischen Schicht über die ersten paar hundert Ångström von der Lichteinfallsschicht profiliert war. Diese Bandlückenveränderung wurde durch die schrittweise Änderung des Verhältnisses zwischen Silicium und Germanium in diesen paar hundert Ångström erreicht. Das Ziel einer solchen Bandlückenveränderung lag darin, angrenzend an die Lichteinfallsfläche der intrinsichen Schicht aus Halbleiterlegierungsmaterial ein elektrisches Feld mit veränderlicher Stärke aufzubauen, das dazu geeignet war, die Ladungsträgerverluste an der Grenzfläche zwischen der n-leitenden und der intrinsischen Schicht zu vermindern oder sogar aufzuheben. Solche Verluste wurden durch die Rückdiffusion von Ladungsträgern über die Grenzfläche zwischen der nleitenden Schicht und der intrinsischen Schicht verursacht. Die Autoren des Referats behaupteten, daß aufgrund der Anwesenheit des elektrischen Feldes eine 29%ige Verbesserung des anfänglichen Fotokonversionswirkungsgrades der fotovoltaischen Vorrichtungen erreicht wurde.
  • In der gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 3 547 621 mit dem Titel "Stabl. Photovoltaic Devices and Method of Producing Same" (deren Offenbarung hier als Referenz aufgenommen ist) stuften M.Hack und S.Guna die Bandlücke der intrinsischen Schicht aus Siliciumlegierungsmaterial einer fotovoltaischen Lichteinfallsvorrichtung des nip-Typs derart ab, daß der Abschnitt mit der breiteren Bandlücke in der Nähe der Lichteinfallsfläche angeordnet war. Der breite Bandlückenabschnitt (a) war so ausgebildet, daß er weniger als halb so dick wie der restliche engere Bandlückenabschnitt war und (b) wenigstens ein Bandlückenweitungselement umfaßte, das in dem engeren Bandlükkenabschnitt nicht vorhanden war. Auf diese Weise versuchten die Autoren, für die gleichmäßige Absorption von Photonen mit kurzer, hoch energetischer Einfallsstrahlung über wenigstens einen wesentlichen Abschnitt der Masse der intrinsischen Schicht zu sorgen, so daß die Fotoerzeugung von Elektron-Loch- Paaren über den wesentlichen Bereich der intrinsischen Schicht gefördert und dadurch die Ladungsträgerrekombination dort reduziert wird. Die Autoren behaupteten, sie würden auf diese Weise die langfristige Stabilität verbessern.
  • In der gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 4 379 943 mit dem Titel "Current Enhanced Photovoltaic Device" (deren Offenbarung hier als Referenz aufgenommen ist), offenbarten C.Yang, A.Madan, S.Ovshinsky und D.Adler die Herstellung einer neuen fotovoltaischen Struktur, bei der die intrinsische Schicht aus Halbleiterlegierungsmaterial eine erste intrinsische Schicht aus einem nicht ätzenden (nicht fluorierten) Vorläufergasgemisch und eine zweite intrinsische Schicht umfaßt, die bevorzugt aus Silicium und Fluor gebildet ist. Die Dicken der ersten und der zweiten intrinsischen Schicht wurden so eingestellt, daß die jeweiligen Potentialabfälle abgeglichen wurden, wobei die erste intrinsische Schicht relativ dünn und die zweite intrinsische Schicht relativ dick ist. Der Kurzschlußstrom der fotovoltaischen Vorrichtung galt als verbessert, da die erste und die zweite intrinsische Schicht mit unterschiedlichen Bandlücken hergestellt wurden, so daß ein Feld über die Gesamtheit dieser Schichten vorgesehen ist.
  • In der gemeinsam abgetretenen US-Patentschrift Nr. 4 471 15 mit dem Titel "Narrow Band Gap Photovoltaic Devices with Enhanced Open Circuit Voltage" (deren Offenbarung hier als Referenz aufgenommen ist) konstruierten R.Mohr und V.Cannella eine fotovoltaische Vorrichtung, die eine verbesserte Leerlaufspannung vorsah, indem das intrinsische Halbleiterlegierungsmaterial mit enger Bandlücke derart hergestellt wurde, daß es einen zweiten intrinsischen Bereich umfaßt, der eine breitere Bandlücke als der erste intrinsische Bereich besitzt. Der zweite Bandlückenbereich ist zwischen dem ersten Bandlückenbereich und einer der dotierten Schichten angeordnet. Diese Struktur zur Verbesserung der Leerlaufspannung kann auch einen dritten intrinsischen Bereich umfassen, der eine breitere Bandlücke als der erste intrinsische Bereich besitzt und an der Seite des ersten intrinsischen Bereichs gegenüber dem zweiten intrinsischen Bereich angeordnet ist. Im 3. Absatz, Z. 18-26 dieser Patentschrift ist ausdrücklich festgestellt, daß "eine Wirkung der höheren Defektzustandsdichte in amorphen Silicium-Germanium-Legierungen in der Reduzierung der Leerlaufspannung um einen Betrag liegt, der höher ist, als er vernünftigerweise durch die Reduzierung der Bandlücke zu erwarten ist. Diese Spannungsreduzierung wird der vermehrten Rekombination in den vermehrten Defektzuständen sowie Grenzflächenzuständen zugeschrieben, die durch die Nichtübereinstimmung der Bandlücken und Strukturen an der Grenze zwischen dem dotierten Bereich und dem intrinsischen Bereich eingebracht werden." (Die Unterstreichung wurde hinzugefügt, weil das unterstrichene Zitat die Schlußfolgerung impliziert, daß vor der vorliegenden Erfindung allgemein davon ausgegangen wurde, daß die von einer gegebenen Zelle abgegebene Leerlaufspannung durch die Bandlücke dieser Zelle begrenzt ist.)
  • Bei der Durchsicht der Auslegung dieser Dünnschichtsolarzellen machten die vorliegenden Erfinder auch Patente aus, die Solarzellen offenbarten, bei denen die intrinsischen Schichten aus Halbleiterlegierungsmaterial im wesentlichen über die gesamte Massendicke abgestuft waren. Insbesondere die folgenden zwei Patente von S.Yamazaki sind hier einschlägig: als erstes die US-Patentschrift Nr. 4 239 554 mit dem Titel "Semiconductor Photoelectric Conversion Device" und zweitens die US-Patentschrift Nr. 4 254 429 mit dem Titel "Heterojunction Semiconductor Devices." Es sei bemerkt, daß die Offenbarung der Patente von Yamazaki beschreibt, daß die Motivation der Erfinder zur Abstufung der intrinsischen Schicht darin lag, die Auskerbung oder die Spitze zu eliminieren, die am Heteroübergang (der für die Zwecke dieser Beschreibung als der Übergang zwischen zwei Bereichen aus dem intrinsischen Material definiert ist, der durch unterschiedliche Bandlücken gekennzeichnet ist), wobei die Spitze an der Absorption von Löchern oder Elektronen liegt, die sich aus einer von zwei angrenzenden Halbleiterbereichen über den Heteroübergang und in den anderen Bereich bewegen. Allerdings sei bemerkt, daß diese Abstufung bei den Patenten von Yamazaki darin begründet war, für einen Ladungsträgertransport von der breiten Bandlückenenergie einer der dotierten Schichten zu der engen Bandlückenenergie der entgegengesetzt dotierten Schicht zu sorgen, ohne daß dazwischen eine Spitze liegt, die die Ladungsträgermobilität verhindern oder zumindest stören würde. Yamazaki bemerkte also, daß ein solcher Transport am einfachsten durch eine sanfte, kontinuierliche Bandlückenveränderung über die intrinsische Schicht beeinflußt werden kann.
  • Vor dem Hintergrund dieser Analyse des Stands der Technik bei der Auslegung der intrinsischen Schicht und ferner wieder unter der Erkenntnis, daß eine Mehrübergangslösung bei der Entwicklung von hochwirksamen und stabilen amorphen Siliciumlegierungssolarzellen zu den besten Ergebnissen führt, können nun die kritischen Überlegungen für die Solarzellenauslegung zur Herstellung von einfachen sowie Tandemsperrschichtfotostrukturen aufgezählt werden. Bei dieser Lösung ist die intrinsische Schicht jeder diskreten Zelle relativ dünn, so daß die fotoerzeugten Ladungsträger eine relativ kurze Entfernung zurücklegen müssen, ehe sie die jeweiligen Elektroden erreichen. Durch die Stapelung mehrerer Zellen in optischer und elektrischer Reihenbeziehung werden gleichzeitig alle Photonen des einfallenden Solarspektrums absorbiert, wobei diskrete Zellen der Absorption eines speziellen Wellenlängenbereichs zugewiesen sind. Da der von jeder Zelle fotoerzeugte Strom abgeglichen werden muß,ist die obere Zelle dünn und zeigt deshalb Stabilität gegenüber den Abbauwirkungen der Aussetzung an das Licht. Die unteren Zellen empfangen immer weniger starke Beleuchtung, und da eine Zelle, die weniger starkes Licht über einen längeren Zeitraum empfängt, nicht so stark abbaut wie eine Zelle, die stärkere Licht über einen kürzeren Zeitraum empfängt, können die unteren Zellen zunehmend dicker gemacht werden, ohne ihre Stabilität zu beeinträchtigen.
  • Die p- und n-leitenden Schichten stellen das interne elektrische Feld über die intrinsische (fotogenerative) Schicht einer Solarzelle bereit. Es ist wichtig, daß die dotierten Schichten durch eine so hohe Leitfähigkeit wie möglich gekennzeichnet sind, so daß sich zwischen den p- und n-Schichten benachbarter Zellen kein gleichrichtender interner Übergang bildet. Ebenso wichtig ist ferner, daß hochleitfähige p- und n-Schichten das eingebaute elektrische Feld über die fotogenerative intrinsische Schicht erhöhen, wodurch die Leerlaufspannung und damit die Fülldichte der Zelle erhöht wird. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß die p- und n-Schichten aus Breitbandhalbleiterlegierungsmaterialien (sicherlich breiter als die Bandlücken der intrinsischen Schichten) hergestellt werden, so daß sie nur geringe oder keine optische Absorption fotogenerativer Photonen einer einfallenden Strahlung zeigen (die in den dotierten Schichten erzeugten Ladungsträger rekombinieren sofort).
  • Außerdem ist es erforderlich, daß das Halbleiterlegierungsmaterial mit enger Bandlücke eine so gute Qualität wie möglich besitzt (also eine so niedrige Dichte an Defektzuständen wie möglich). Selbstverständlich werden zusätzliche Defektzustände erzeugt, wenn die Bandlücke des amorphen Siliciumlegierungsmaterials durch die Beigabe von Zinn oder bevorzugt Germanium gesenkt wird. Dies liegt (1) an der Vorzugsanlagerung von Wasserstoffatomen, wodurch Baumelbindungen von Germanium in der Legierung erzeugt werden; (2) an der Tendenz von Germanium, bivalente Konfigurationen anzunehmen und dadurch zusätzliche Defektzustände einzuleiten, und (3) der Neigung von nicht kristallinen Germaniumfilmen, säulenartig zu wachsen, wodurch die Filmqualität abgebaut wird. Wie oben erwähnt, hat der Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung durch die Einbettung von Fluor in das Material mit enger Bandlücke wirksam die Dichte von Defektzuständen sowie den Grad der Subbandlückenabsorption in dem Material gesenkt, ohne die Steilheit der hinteren Flanke des Valenzbandes zu ändern, da die optische Bandlücke auf einen so niedrigen Wert wie etwa 1,25 eV gesenkt wird.
  • In den folgenden Beispielen haben die vorliegenden Erfinder demonstriert, auf welche Weise die intrinsischen Schichten von Dünnschichtsolarzellen aus amorphen Siliciumlegierungen speziell ausgelegt wurden, so daß die Leerlaufspannung deutlich erhöht wurde, ohne das Einfangen fotoerzeugter Ladungsträger ungünstig zu beeinflussen. Die im folgenden offenbarten Solarzellenauslegungen räumen zunächst mit dem traditionell akzeptierten Axiom auf, das besagt, daß die maximale Leerlaufspannung, die von einer einzigen Solarzelle, die aber mehrere Bandlücken besitzt, abgegeben werden kann, durch die Breite des engsten Abschnitts der Bandlücke ihrer intrinsischen Schicht bestimmt ist. Die Begründung für eine solche Annahme ist zwar naheliegend, nämlich daß die verfügbare Spannung auf den Grad der Spaltung des Quasi-Fermi-Niveaus der intrinsischen Schicht aus Halbleiterlegierungsmaterial bei Beleuchtung begrenzt ist; der vorliegende Satz von Experimenten weist aber schlüssig nach, daß eine solche Begrenzung nicht existiert. Hier wird eher spekuliert, daß der Betrag der zu erhaltenden Leerlaufspannung durch den Grad der Spaltung des Quasi-Ferminiveaus des breitesten Bandlückenabschnitts der intrinsischen Schicht aus Halbleiterlegierungsmaterial begrenzt ist. Dieses Ergebnis ist nicht nur für die Verbesserung der Leerlaufspannung von Bedeutung, die nachgewiesen wurde, sondern auch für die Unzahl von neuen Überlegungen zur Auslegung und neuen Strukturen, die erforscht werden können. Wie oben erwähnt, ist beispielsweise bekannt, daß sich die Qualität des Halbleiterlegierungsmaterials verschlechtert, wenn die Bandlücke des Materials abnimmt. Fotovoltaische Strukturen mit Spektrumspaltung erfordern allerdings die Verwendung eines Silicium-Germanium-Legierungsmaterials mit enger Bandlücke, obwohl das Einfangen der Ladungsträger in einem solchen Material durch die erhöhte Dichte der dort vorliegenden Defektzustände begrenzt ist. Genauer erfordert eine gute Fülldichte eine lange Diffusionsstrecke, die durch die hinzugefügte Dichte von Defektzuständen in Silicium-Germanium- Legierungsmaterial mit enger Bandlücke verkürzt wird. Deshalb kamen die Forscher nicht mehr aus der Sackgasse heraus, die durch die Bemühungen zur Entwicklung einer Solarzelle dargestellt ist, die durch die beste Kombination aus Wirkungsgrad und Stabilität gekennzeichnet ist. Um die maximale Anzahl von einfallenden Photonen einzufangen, muß ein Material mit niedriger Bandlücke verwendet werden; allerdings nimmt der Einfangwirkungsgrad mit der Verwendung eines solchen Materials mit enger Bandlücke ab.
  • Die hier offenbarte Erfindung bietet den Forschern ein Verfahren, um aus dieser Sackgasse herauszukommen, indem neue intrinsische Schichtstrukturen mit abgestufter Bandlücke verwendet werden. Solche Strukturen können eine beliebige von drei Grundformaten annehmen. Beim ersten dieser Formate ist die intrinsische Schicht derart strukturiert, daß der breiteste Bandlückenbereich aus Siliciumlegierungsmaterial an der Grenzfläche der p-leitenden Schicht angeordnet und davon über einen wesentlichen Abschnitt der Masse zum engsten Bandlückenbereich aus Silicium-Germanium-Legierungsmaterial angrenzend an die Grenzfläche der n-leitenden Schicht abgestuft ist. Beim zweiten dieser Formate ist die intrinsische Schicht derart strukturiert, daß der engste Bandlückenbereich des Silicium-Germanium-Legierungsmaterials an der Grenzfläche der p-leitenden Schicht angeordnet und davon über einen wesentlichen Bereich der Masse zum breitesten Bandlückenbereich aus Silicium-Germanium-Legierungsmaterial angrenzend an die Grenzfläche der n-leitenden Schicht abgestuft ist. Beim letzten dieser Formate ist die intrinsische Schicht derart strukturiert, daß der breiteste Bandlückenbereich aus Siliciumlegierungsmaterial von einem Maximum an beiden gegenüber angeordneten, dotierten Schichtgrenzflächen zu einem minimalen Bandlückenbereich aus Silicium-Germanium- Legierungsmaterial im Inneren abgestuft ist. Bei diesem letzten Format muß die Abstufungsrate, mit der der Germaniumgehalt der intrinsischen Schichten abgestuft ist, nicht die gleiche wie von den dotierten Schichten zum minimalen Bandlückenbereich sein, und sie ist es bevorzugt nicht. Selbstverständlich würden bei jeder obengenannten Auslegung pufferschichten zwischen den Grenzflächen und Schichten zur Reduzierung der Rekombination zwischen den Grenzflächen verwendet, so daß im wesentlichen gleichmäßige, im wesentlichen defektfreie Übergänge zwischen angrenzenden Schichten mit variierender Bandlücke vorgesehen sind. Schließlich können Dotierstoffe zur Bewegung des Fermi- Niveaus beigegeben werden, um die Bewegung und das Einfangen der Ladungsträger zu verbessern.
  • Deshalb sieht die vorliegende Erfindung eine Struktur vor, durch die die optische Bandlücke der intrinsischen Schicht jeder Solarzelle einer gestapelten fotovoltaischen Vorrichtung über die Masse räumlich abgestuft ist, so daß (1) die von der Zelle erhaltene Leerlaufspannung nicht mehr durch den engsten Bandlückenbereich der Zelle begrenzt ist, (2) das Feld auf die Förderung des Einfangens von fotoerzeugten Ladungsträgern zugeschnitten ist, (3) der Übergang zwischen Schichten mit unterschiedlicher Bandlücke abgestuft ist, um die Ladungsträgerbewegung dazwischen noch weiter zu verbessern, und daß (4) die Breite der optischen Bandlücke relativ zur Position des Fermi- Niveaus über die Dicke der intrinsischen Schacht steuerbar ausgelegt werden kann.
  • Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
  • Nach der vorliegenden Erfindung ist eine Solarzelle mit wenigstens einer intrinsischen Schicht aus einem im wesentlichen amorphen, intrinsischen Dünnfilmhalbleiterlegierungsmaterial vorgesehen; wobei die intrinsische Schicht wenigstens einen ersten Abschnitt der Dicke mit einer ersten Bandlücke und einen zweiten Abschnitt der Dicke mit einer zweiten Bandlücke besitzt, die enger als die erste Bandlücke ist; wobei die intrinsische Schicht zwischen zwei entgegengesetzt dotierten Schichten aus Halbleiterlegierungsmaterial sandwichartig angeordnet ist; wobei die Bandlücke aller Abschnitte der intrinsischen Schicht, die nicht an die Grenzflächen zwischen der intrinsischen Schicht und der dotierten Schicht angrenzen, kleiner als die Bandlücke der dotierten Schichten ist; wobei wenigstens ein die Bandlücke modifizierendes Element in wenigstens einen wesentlichen Abschnitt der Massendicke der intrinsischen Schicht eingebracht ist, so daß die Bandlücke der intrinsischen Schicht über einen wesentlichen Abschnitt der Massendicke räumlich abgestuft ist, wobei der abgestufte Abschnitt einen Bereich umfaßt, der von den Grenzflächen zwischen der intrinsischen Schicht und der dotierten Schicht entfernt ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des die Bandlücke modifizierenden Elements, das in die intrinsische Schicht eingebettet ist, von einem Minimum angrenzend an jede Grenzfläche zwischen der intrinsischen Schicht und der dotierten Schicht zu einem Maximum im Inneren der Massendicke der intrinsischen Schicht abgestuft ist, so daß die breitesten Bandlückenabschnitte angrenzend an die Grenzflächen zwischen der intrinsischen Schicht und der dotierten Schicht liegen und der minimale Bandlückenabschnitt im Inneren der Massendicke der intrinsischen Schicht liegt, wobei die Konzentration des modifizierenden Elements über einen wesentlichen Bereich der Massendicke der intrinsischen Schicht abgestuft ist.
  • Ein wesentlicher Abschnitt der Masse der intrinsischen Schicht ist aus einem Silicium-, einem Silicium-Kohlenstoff oder einem Silicium-Germanium-Legierungsmaterial hergestellt. Der prozentuale Anteil des die Bandlücke aufweitenden oder sie verengenden Elements wie Germanium ist in das bevorzugte Silicium- Germanium-Legierungsmaterial der intrinsischen Schicht derart eingebettet, daß er über einen wesentlichen Abschnitt der Masse der intrinsischen Schicht variiert. Der prozentuale Anteil des eingebetteten Germaniums kann über diesen wesentlichen Abschnitt entweder kontinuierlich oder schrittweise abgestuft sein, und er ist vom einem Minimum angrenzend an jede Grenzfläche zu den dotierten Schichten zu einem Maximum im Inneren der Masse abgestuft. Die Abstufung des prozentualen Anteils des eingebetteten Germaniums wird über eine Dicke von wenigstens 500 Ångström (10 Å = 1 nm) auf dem Maximum gehalten. Die intrinsische Schicht aus Silicium-Germanium-Legierungsmaterial umfaßt ferner einen Bandlückenweitungsbereich an den Grenzflächen mit den dotierten Schichten. In dem Fall, wo die intrinsische Schicht mit einem Silicium-Germanium-Legierungsmaterial abgestuft ist, erreicht die Bandlücke ein Minimum von 1,2 bis 1,6 eV und bevorzugt von 1,4 bis 1,5 eV im Masseninneren. Die dotierte Lichteinfallsschicht ist als p-leitendes mikrokristallines Siliciumlegierungsmaterial hergestellt, und die dotierte Schicht gegenüber der p-leitenden Schicht ist als n-leitendes mikrokristallines Siliciumlegierungsmaterial hergestellt. Diese Schichten aus mikrokristallinem Siliciumlegierungsmaterial sind bevorzugt so hergestellt, daß sie ferner ein Bandlückenweitungselement umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die im wesentlichen aus Kohlenstoff, Stickstoff und Kombinationen besteht.
  • Die abgestufte Einbettung von Germanium in die intrinsische Schicht findet bevorzugt schneller von der Grenzfläche der intrinsischen Schicht mit der dotierten Lichteinfallsschicht zu dem Bereich maximaler Germaniumeinbettung innerhalb der Innenmassendicke im Vergleich zu der abgestuften Einbettung von Germanium von der Grenzfläche der intrinsischen Schicht mit der entgegengesetzt dotierten Schicht zu dem Bereich maximaler Germaniumeinbettung statt. Bor kann in das Silicium-Germanium- Legierungsmaterial eingebettet sein, um das Einfangen fotoerzeugter Ladungsträger zu verbessern. Das in die intrinsische Schicht eingebettete Bor ist bevorzugt abgestuft, um die abgestufte Einbettung des Germaniums zu kompensieren. Die intrinsische Schicht kann ferner ein Bandlückenweitungselement umfassen, das in die angrenzenden Grenzflächen mit den dotierten Schichten eingebettet ist. Das Bandlückenweitungselement ist bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, die im wesentlichen aus Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Gemischen besteht. Die prozentuale Einbettung des Bandlückenweitungselements ist von einem Maximum an den Grenzflächen der intrinsischen Schicht mit den dotierten Schichten zu einem Minimum angrenzend an die intrinsische Schicht, aber in ihrem Inneren abgestuft.
  • Die Bandlücke der intrinsischen Schicht ist im wesentlichen kontinuierlich von dem breitesten Bandlückenabschnitt an jeder der Grenzflächen mit den gegenüber angeordneten dotierten Schichten zu einem zentralen, nicht abgestuften Bereich im Inneren der Masse der intrinsischen Schicht abgestuft, wobei der Zentralbereich eine Bandlücke von etwa 1,2-1,6 eV besitzt. Die fotovoltaische Vorrichtung kann wenigstens eine zusätzliche Solarzelle umfassen, die in optischer und elektrischer Reihenbeziehung zu der einen Solarzelle angeordnet ist, so daß eine Tandemsperrschichtfotostruktur gebildet wird. Die wenigstens eine zusätzliche Solarzelle ist derart hergestellt, daß sie eine intrinsische Schicht aus einem im wesentlichen amorphen Dünnfilmhalbleiterlegierungsmaterial umfaßt, die zwischen zwei entgegengesetzt dotierten Schichten aus Halbleiterlegierungsmaterial sandwichartig angeordnet ist. Die zusätzlichen intrinsischen Schicht ist durch einen Bereich der Dicke mit einer ersten Bandlücke und einen Bereich der Dicke mit einer zweiten, minimalen Bandlücke gekennzeichnet, die enger als die erste Bandlücke ist. Die Bandlücke der intrinsischen Schicht der zusätzlichen Zelle ist über einen Bereich der Massendicke der intrinsischen Schicht räumlich abgestuft, wobei der abgestufte Abschnitt einen Bereich umfaßt, der von den Grenzflächen zwischen der intrinsischen und der dotierten Schicht entfernt ist.
  • Das Halbleiterlegierungsmaterial mit der minimalen Bandlücke der intrinsischen Schicht der zusätzlichen Solarzelle unterscheidet sich von dem Halbleiterlegierungsmaterial mit der minimalen Bandlücke der intrinsischen Schicht der einen Solarzelle. Die Bandlücke und die Dicke der intrinsischen Schichten der einen Solarzelle und der wenigstens einen zusätzlichen Solarzelle sind derart gewählt, daß der jeweils darin erzeugte Fotostrom im wesentlichen abgeglichen ist. Die dotierte Lichteinfallsschicht jeder Zelle ist bevorzugt aus einem p-leitenden mikrokristallinen Halbleiterlegierungsmaterial hergestellt, und die gegenüber angeordnete dotierte Schicht jeder Zelle ist aus einem n-leitenden mikrokristallinen Halbleiterlegierungsmaterial hergestellt. Unter der untersten n-leitenden ist Schicht ist wirksam ein Doppelschicht-Rückreflektor angeordnet, der aus einer obersten transparenten Oxidschicht (wie Zinkoxid) und einer hochreflektiven untersten Schicht (wie Silber) hergestellt ist. Zwischen jeder diskreten Schicht aus Halbleiterlegierungsmaterial in jeder der Zellen der fotovoltaischen Struktur ist wirksam eine Pufferschicht angeordnet.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht einer Tandemsperrschichtfotovorrichtung, wobei die Vorrichtung mehrere Zellen des pin-Typs aufweist und jede Schicht der Zellen aus einem Halbleiterlegierungsmaterial gebildet ist;
  • Fig. 2A ist die schematische Darstellung einer Solarzelle mit einer konstanten optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV (Probe Nr. 2130) mit den zugehörigen Grenzflächen- und Pufferschichten, wobei die Zelle als Referenz zum Messen der verbesserten Solarzellenauslegung der vorliegenden Erfindung dienen soll;
  • Fig. 2B ist eine IV-Kurve der Solarzelle mit einer konstanten optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV von Fig. 2A nach der Messung unter einer Beleuchtung von 700 Nanometer, wobei die Kurve das gemessene Voc, Isc und die Fülldichte der Zelle veranschaulicht;
  • Fig. 3A ist die schematische Darstellung einer abgestuften Solarzelle mit einer konstanten optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV-1,7 eV und einer Dicke von etwa 3000 Ångström (Probe Nr. 2169) mit den zugehörigen Grenzflächen- und Pufferschichten;
  • Fig. 3B ist eine IV-Kurve der abgestuften Solarzelle mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV-1,7 eV und einer Dicke von etwa 3000 Ångström von Fig. 3A nach der Messung unter einer Beleuchtung von 700 Nanometer, wobei die Kurve das gemessene Voc, Isc und die Fülldichte der Zelle veranschaulicht;
  • Fig. 4A ist die schematische Darstellung einer abgestuften Solarzelle mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5-1,7 eV und einer Dicke von etwa 4000 Ångström (Probe Nr. 2171) mit den zugehörigen Grenzflächen- und pufferschichten;
  • Fig. 4B ist eine IV-Kurve der Solarzelle mit einer konstanten optischen Bandlücke von etwa 1,5-1,7 eV und einer Dicke von etwa 4000 Ångström von Fig. 4A nach der Messung unter einer Beleuchtung von 700 Nanometer, wobei die Kurve das gemessene Voc, Isc und die Fülldichte der Zelle veranschaulicht;
  • Fig. 5A ist die schematische Darstellung einer abgestuften Solarzelle mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV-1,7 eV und einer Dicke von etwa 5000 Ångström (Probe Nr. 2172) mit den zugehörigen Grenzflächen- und Pufferschichten;
  • Fig. 5B ist eine IV-Kurve der abgestuften Solarzelle mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV bis 1,7 eV und einer Dicke von etwa 5000 Ångström von Fig. 5A nach der Messung unter einer Beleuchtung von 700 Nanometer, wobei die Kurve das gemessene Voc, Isc und die Fülldichte der Zelle veranschaulicht;
  • Fig. 6A ist die schematische Darstellung einer abgestuften Solarzelle (mit der breiteren Bandlücke an der p&spplus;-Schicht) mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV-1,7 eV und einer Dicke von etwa 3000 Ångström (Probe Nr. 2174) mit den zugehörigen Grenzflächen- und pufferschichten;
  • Fig. 6B ist eine IV-Kurve der abgestuften Solarzelle (mit der breiteren Bandlücke an der p&spplus;-Schicht) mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV bis 1,7 eV und einer Dicke von etwa 3000 Ångström von Fig. 6A nach der Messung unter einer Beleuchtung von AM1,5, wobei die Kurve das gemessene Voc, Isc und die Fülldichte der Zelle veranschaulicht;
  • Fig. 7A ist die schematische Darstellung einer räumlich modulierten Solarzelle mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV-1,7 eV und einer Dicke von etwa 5500 Ångström (Probe Nr. 2191) mit den zugehörigen Grenzflächen- und Pufferschichten;
  • Fig. 7B ist eine IV-Kurve der räumlich modulierten Solarzelle mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV bis 1,7 eV und einer Dicke von etwa 5500 Ångström von Fig. 7A nach der Messung unter einer Beleuchtung von AM1,5, wobei die Kurve das gemessene Voc, Isc und die Fülldichte der Zelle veranschaulicht;
  • Fig. 8A ist die schematische Darstellung einer räumlich modulierten Solarzelle mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV-1,7 eV und einer Dicke von etwa 5500 Ångström (Probe Nr. 2190) mit den zugehörigen Grenzflächen- und Pufferschichten;
  • Fig. 8B ist eine IV-Kurve der räumlich modulierten Solarzelle mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV bis 1,7 eV und einer Dicke von etwa 5500 Ångström von Fig. 8A nach der Messung unter einer Beleuchtung von AM1,5, wobei die Kurve das gemessene Voc, Isc und die Fülldichte der Zelle veranschaulicht;
  • Fig. 9A ist die schematische Darstellung einer räumlich modulierten Solarzelle mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV-1,7 eV und einer Dicke von etwa 5000 Ångström (Probe Nr. 2195) mit den zugehörigen Grenzflächen- und Pufferschichten, wobei diese Zelle als Bezugszelle zum Messen der Auslegung der verbesserten Solarzelle nach der vorliegenden Erfindung dient;
  • Fig. 9B ist eine IV-Kurve der räumlich modulierten Solarzelle mit einer optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV bis 1,7 eV und einer Dicke von etwa 5000 Ångström von Fig. 9A, wobei die Kurve die gemessenen Werte von Voc, Isc und die Fülldichte der Zelle veranschaulicht.
    • 1. Die Sperrschichtfotozelle
  • Unter Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 eine Sperrschichtfotozelle angegeben, die aus mehreren nacheinander aufgebrachten pin-Schichten gebildet ist, die jeweils bevorzugt eine Dünnfilmschicht aus Halbleiterlegierungsmaterial umfaßt, wobei wenigstens eine der Schichten aus n-dotiertem und p-dotiertem mikrokristallinen Halbleiterlegierungsmaterial mit breiter Bandlücke gebildet ist.
  • Insbesondere zeigt Fig. 1 eine Sperrschichtfotovorrichtung vom pin-Typ wie eine Solarzelle, die aus einzelnen Zellen 12a, 12b und 12c aufgebaut ist. Unter der untersten Zelle 12a liegt ein Substrat 11, das transparent oder aus einem metallischen Material wie Edelstahl, Aluminium, Tantal, Molybdan, Chrom oder Metallteilchen gebildet sein kann, das in einen Isolator eingebettet ist. Obwohl bestimmte Anwendungen eine dünne Oxidschicht und/oder eine Reihe von Basiskontakten vor dem Aufbringen des amorphen Materials erfordern können, soll der Begriff "Substrat" für die Zwecke dieser Anmeldung nicht nur einen flexiblen Film, sondern auch alle Elemente umfassen, die durch eine Vorverarbeitung hinzugefügt wurden. Der Umfang der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auch auf Substrate, die aus Glas oder glasartigem Material gebildet sind, wie einem synthetischen Polymerharz, auf den eine elektrisch leitende Elektrode aufgebracht ist.
  • Jede der Zellen 12a, 12b und 12c ist bevorzugt innerhalb Halbleiterfilmkörpern hergestellt, die wenigstens ein Siliciumlegierungsmaterial enthalten. Jeder Halbleiterkörper umfaßt eine n-leitenden Halbleiterschicht 20a, 20b und 20c, eine im wesentlichen intrinsische Schicht 18a, 18b und 18c sowie eine p-leitende Halbleiterschicht 16a, 16b und 16c. Es sei bemerkt, daß die intrinsische Schicht Spuren eines n-leitenden oder pleitenden Dotierstoffmaterials umfassen kann, ohne seine charakteristische Neutralität einzubüßen; demnach kann sie hier als "im wesentlichen intrinsische Schicht" bezeichnet werden. Wie veranschaulicht, ist die Zelle 12b eine Zwischenzelle, und in Fig. 1 ist angedeutet, daß zusätzliche Zwischenzellen auf die dargestellten Zellen gestapelt werden können, ohne den Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ferner sind hier zwar Fotosperrschichtzellen des pin-Typs veranschaulicht, die hier offenbarten Verfahren und Materialien können allerdings auch zur Herstellung von einfachen oder mehrfachen nin-Zellen und pn-Zellen verwendet werden.
  • Es versteht sich, daß nach dem Aufbringen der Halbleiterlegierungsschichten entweder ein weiterer Abscheidungsprozeß in getrennter Umgebung oder als Teil des kontinuierlichen Verfahrens durchgeführt werden dann. Bei diesem Schritt wird eine TCO- Schicht hinzugefügt (transparentes leitfähiges Oxid). Besitzen die Zellen einen ausreichend großen Flächeninhalt oder reicht die Leitfähigkeit einer TCO-Schicht nicht aus, dann kann der Vorrichtung ein Elektronengitter hinzugefügt werden. Das Gitter 24 kann den Trägerpfad abkürzen und den Leitungswirkungsgrad der fotoerzeugten Ladungsträger erhöhen.
    • BEISPIELE
  • Nun werden spezifische Beispiele vorgestellt, um die möglichen Verzweigungen zu veranschaulichen, denen die Konzepte der vorliegenden Erfindung auf dem weiten Gebiet der Auslegung amorpher Siliciumlegierungssolarzellen folgen können. Dabei wird zwar speziell auf einfache Dünnfilmsperrschichtfotozellen des pin-Typs verwiesen, es versteht sich aber, daß die oben erwähnten Verzweigungen der hier offenbarten erfinderischen Konzepte ihre größte Bedeutung besitzen, wenn sie auf doppelt und dreifach gestapelte fotovoltaische Strukturen angewandt werden (besonders wichtig ist eine verbesserte unterste 1,5eV- Solarzelle einer dreifach gestapelten fotovoltaischen Struktur mit doppelter Bandlücke und eine verbesserte 1,5eV-Solarzelle oder eine Solarzelle mit unterer Bandlücke für die mittleren und untersten Zellen einer dreifach gestapelten fotovoltaischen Struktur mit dreifacher Bandlücke).
  • Unabhängig von der endgültigen strukturellen Ausgestaltung werden die p-leitenden, intrinsischen und n-leitenen Schichten solcher einzelnen Zellen aus einer ähnlichen Vielfalt von Vorläuferprozeßgasen (wie Silan, Disilan, Siliciumtetrafluorid, Monogerman, Phosphin, Bortrifluorid, Argon und Wasserstoff) hergestellt, wobei diese gasförmigen Vorläuferkombinationen auf eine Platte aus Substratmaterial mit niedrigem Flächeninhalt aufgebracht werden. In der Verwendung bei den folgenden Beispielen ist die Platte aus Substratmaterial hochpolierter 430er Edelstahl. Um für die Rückreflexion nicht absorbierter Photonen des einfallenden Sonnenspektrums zu sorgen, wird (z. B. durch Sputtern auf die Platte aus Edelstahl) eine Dünnschicht aus hochreflektivem, spiegelnden Silber auf eine gleichmäßige Dicke von etwa 100 Å (dick genug, um trotz der agglomerativen Beschaffenheit des Silbermaterials eine Abdeckung zu erzielen) aufgebracht. Der Sputtervorgang wird in den meisten Fällen bei einer Nennsubstrattemperatur von etwa 200ºC durchgeführt, bei der eine leicht strukturierte Abscheidungsoberfläche erzeugt wird (im folgenden als "gewöhnlicher Rückreflektor" bezeichnet). In den Fällen, in denen allerdings die optimale Solarzellenleistung gemessen werden soll, wird die Substrattemperatur auf etwa 600ºC erhöht, um eine Rückreflexionsschicht bereitzustellen, die durch optimale Merkmalsgrößen gekennzeichnet ist, um die Photonenstreuung in Winkeln zu fördern, die dazu geeignet sind, eine vollständige interne Reflexion der einfallenden Photonen zu erhalten.
  • Auf der Schicht aus strukturiertem Silber mit der Dicke von 1000 Å ist eine Schicht aus Zinkoxid aufgebracht. Die Schicht aus Zinkoxid wird auf herkömmliche Weise durch Sputtern aufgebracht, und zwar auf eine gleichmäßige Dicke von etwa 5000 Ångström bei einer Temperatur von etwa 400ºC. Diese Schicht mit einer Dicke von 5000 Ångström ist transparent, leitfähig, verhindert die wechselseitige Diffusion der darunterliegenden Schicht aus Silber und der darüberliegenden Schicht aus amorphem Siliciumlegierungsmaterial und tritt mit dem strukturierten Silber derart in Wechselwirkung, daß die Lichteinfangeigenschaften so verbessert werden, daß das oben erwähnte Ziel der totalen internen Reflexion erreicht ist.
  • Die Prozesse, durch die die fotovoltaischen Strukturen des nip- Typs der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, sowie die beobachteten Werte der kritischen Zellenbetriebscharakteristika (wie Leerlaufspannung, des Kurzschlußstroms und der Fülldichte) sind in den folgenden Beispielen im einzelnen dargelegt. Insbesondere sei bemerkt, und dies dürfte aus den vorhergehenden Abschnitten der Beschreibung deutlich sein, daß die Auslegung der intrinsischen Schicht und der zugeordneten Grenzflächenpufferschichten derart modifiziert wird, daß die Leerlaufspannung, der Kurzschlußstrom und/oder die Fülldichte in Hinsicht auf das endgültige Ziel eines verbesserten Solarzellenwirkungsgrades mit Mehrfachbandlücke und Spektrumspaltung modifiziert erden.
    • BEISPIEL I
  • Die Sperrschichtfotozelle des pin-Typs in diesem Beispiel ist mit intrinsischen Schicht mit konstanter optischer Bandlücke von etwa 1,5 eV aus amorphem Silicium-Germanium-Legierungsmaterial ausgebildet. Diese Zelle soll als die Referenz oder als Standardreferenzzelle dienen, an der die innovativen Auslegungen der vorliegenden Erfindung gemessen werden können. Es sei daran erinnert, daß die speziellen Werte der Zelleistung, die aus dem in diesem ersten Beispiel I abgeleiteten Zellenherstellungsprozeß abgeleitet sind, für diejenigen Werte typisch sind, die von Zellen nach dem Stand der Technik erwartet werden, die mit intrinsischen Schichten von etwa 1,5 eV hergestellt wurden. Die Zelle wurde im Laborbuch der Erfinder als Probe Nr. 2130 identifiziert.
  • Diese Zelle des nip-Typs wurde auf die folgende Weise vorbereitet. Die Platte aus Substratmaterial mit den daraufaufgebrachten rückreflektiven Doppelschichtmaterialien wurde in eine evakuierte Abscheidungskammer eingebracht, die auf etwa 300ºC und einen Druck von etwa 0,6 Torr gehalten wurde. Daraufhin wurden die folgenden Vorläuferprozeßgase mit den folgenden Durchsatzraten eingebracht, um die Abscheidung der n-leitenden Schicht aus Siliciumwasserstofflegierungsmaterial durchzuführen:
    • Gas Durchsatzrate
  • Silan (SiH&sub4;) 0,2 SCCM
  • Phosphin (PH&sub3;) 0,4 SCCM (1% Phosphin verdünnt in H)
  • Argon (Ar) 39,4 SCCM.
  • Die Platte aus Substratmaterial und die Vorläuferprozeßgase wurden für etwa drei Minuten durch eine HF-Energiequelle mit 13,56 Mhz bei 1,5 Watt unter Strom gesetzt. Als Ergebnis dieses Verfahrens wurde die Schicht aus n-leitendem amorphen Silicium- Wasserstoff-Legierungsmaterial mit einer Dicke von 150-200 Å aufgebracht.
  • Die n&spplus;-Schichten in diesen Patentbeispielen wurden zwar ausschließlich unter Verwendung amorpher Schichten hergestellt, wir gehen aber davon aus, daß Zellparameter wie beispielsweise Voc und die Fülldichte mit einer mikrokristallinen n&spplus;-Schicht verbessert werden, wie dies in unserer gleichzeitig anhängigen EP-Patentanmeldung 88304219.4 beschrieben ist. Diese Verbesserung liegt an dem starken eingebauten Feld und der breiten optischen Bandlücke.
  • Vor dem Aufbringen der intrinsischen Schicht aus amorphem Silicium-Germanium-Legierungsmaterial, muß die freigelegte Oberfläche der n&spplus;-Schicht spezialbehandelt werden, um die Grenzflächenrekombination zu verringern. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß sowohl die Grenzfläche zwischen der n-Schicht/intrinsischen Schicht als auch die Grenzfläche zwischen der p- Schicht/intrinsischen Schicht mit speziellen Grenzflächenpufferschichten gebildet ist, wobei die Pufferschichten im wesentlichen aus den Vorläuferprozeßgasen der intrinsischen Schicht hergestellt sind (um Material mit niedriger Defektdichte auf zubringen), wobei die Gase in den folgenden Verhältnissen und den folgenden Durchsatzraten in die Abscheidungskammer eingebracht werden:
    • Gas Durchsatzrate
  • Disilan (SiH&sub5;) 0,55 SCCM
  • Bortrifluorid (BKA) 0,3 SCCM (40 ppm BF&sub3;, verdünnt in H)
  • Wasserstoff (H) 48,0 SCCM
  • Monogerman (GeH&sub4;) Anstieg von 0,0 SCCM auf 0,3 SCCM über 1 Minute, gehalten auf 0,3 SCCM für 27,5 Minuten, und Abfall von 0,3 SCCM auf 0,0 SCCM über 1,5 Minuten.
  • Es ist wichtig zu bemerken, daß das Einlaßventil für Monogerman (GeH&sub4;) während des gesamten 30-Minuten-Intervalls geöffnet bleibt, obwohl die Durchsatzrate über eine manuelle Durchsatzsteuerung erhöht und gesenkt wird. Dieses Verfahren hat die Wirkung, daß eine Monogerman-"Spitze" verhindert wird, wenn das Gas zuerst in die Abscheidungskammer eingebracht wird und ferner die Wirkung hat, für das glatte Einbringen verschwindend kleiner Mengen von Germanium in die oberen und unteren Pufferschichten zu sorgen. Es sei bemerkt, daß der Zweck der Grenzflächenpufferschichten darin liegt, die Grenzflächenrekombination fotoerzeugter Ladungsträger zu reduzieren, indem die scharfe Übergangszone oder Spitze eliminiert wird, die ansonsten zwischen den dotierten Schichten aus mikrokristallinem Siliciumlegierungsmaterial und der Schicht aus intrinsischem amorphen Siliciumlegierungsmaterial mit engerer optischer Bandlücke bestehen würde.
  • Zur Durchführung der Abscheidung der intrinsischen Schicht wird die Platte aus Substratmaterial und dem darauf aufgebrachten Doppelschichtreflektor und der n-leitenden Schicht Abscheidungsbedingungen unterworfen, die im wesentlichen den oben beschriebenen gleichen (etwa 300ºC, etwa 160Pa/1,2 Torr und etwa 1 Watt) in Anwesenheit eine Gemisches aus Vorläuferprozeßgasen, die zur Glühentladungsabscheidung einer intrinsischen Schicht aus amorphem Silicium-Germanium-Wasserstoff-Fluor-Material geeignet sind. Der Boden, die Grenzflächenpufferschicht wird während der ersten Minute des Abscheidungsprozesses der intrinsischen Schicht ausgebildet, indem fortschreitend die Monogermandurchsatzrate (GeH&sub4;) von etwa 0,0 SCCM auf etwa 0,3 SCCM erhöht wird, während die Durchsatzraten der anderen Einsatzgase konstantgehalten werden. Die sich ergebende Grenzflächenschicht mit einem stetig anwachsenden Germanium-Gehalt ist wieder dazu gedacht, einen glatten Übergang zwischen der intrinsischen Schicht mit der optischen Bandlücke von 1,5 eV und der Pufferschicht mit einer breiteren Bandlücke zu liefern, um zu verhindern, daß die Bewegung der Ladungsträger behindert wird. Die Grenzflächenschicht ist im wesentlichen ein amorphes Silicium- Wasserstoff-Legierungsmaterial mit Spurenmengen von Bor und Fluor und einem allmählich anwachsenden Germaniumgehalt, wobei die Schicht über einen Zeitraum von etwa 60 Sekunden derart aufgebracht wird, daß sie eine Gesamtdicke von etwa 100 Ångström erreicht.
  • Die intrinsische Schicht mit der Bandlücke von 1,5 eV wird während des Zeitraums von 27,5 Minuten unmittelbar nach dem Aufbringen der Bodengrenzflächenschicht ausgebildet. Während dieses Zeitraums werden alle Abscheidungsbedingungen einschließlich der Durchsatzrate von Monogerman (bei etwa 0,3 SCCM) wie oben definiert konstantgehalten. Im Ergebnis wurde eine Schicht aus einem im wesentlichen intrinsischen, amorphen Silicium- Germanium-Wasserstoff-Fluor-Legierungsmaterial aufgebracht, wobei die intrinsische Schicht mit einer Dicke von etwa 2750 Ångström aufgebracht wurde. Bemerkenswerterweise ist dies die aktive fotogenerative Schicht der Solarzelle und damit die Zelle, in der die Dichte von Defektzuständen auf ein Minimum reduziert werden sollte; da aber der Germaniumgehalt bei etwa 30% bis 40% liegt, so daß ein amorphes Silicium-Germanium- Legierungsmaterial bereitgestellt wird, ist die Dichte der Zustände höher als bei dem intrinsischen Siliciumlegierungsmaterial, das kein Germanium enthält. Oben wurden die Gründe dafür erläutert, daß die Defektdichte mit zunehmendem Germaniumgehalt zunehmen und brauchen hier nicht nochmals erläutert werden. Allerdings muß diese erhöhte Defektdichte bei den folgenden Beispielen berücksichtigt werden.
  • Unmittelbar nach dem Zeitraum von 27,5 Minuten zur Abscheidung der intrinsischen Schicht wird die Monogerman-Durchsatzrate in einem Zeitraum von etwa 1,5 Minuten von etwa 0,3 SCCM auf etwa 0,0 SCCM heruntergebracht, wobei diese langsame Abfallperiode zur Bildung einer oberen Grenzflächenschicht führt, die mit der danach aufgebrachten p&spplus;-Schicht in Kontakt steht. Diese Grenzflächenschicht ist aus einem amorphen Silicium-Fluor-Wasserstoff-Bor-Legierungsmaterial (ohne Germanium) gebildet, so daß in ihrer Bandlücke ein Spitzenzustand beseitigt wird, der das Einfangen der Ladungsträger behindern würde. Danach wird die Durchsatzrate aller Prozeßgase für die restlichen intrinsischen Schichten auf etwa 0,0 SCCM reduziert, und es wird ein Wasserstoffplasma initiiert. Das Wasserstoffplasma wird für etwa 30 Sekunden aufrechterhalten, wobei während dieses Zeitraums der aktivierte Wasserstoff durch den obersten Abschnitt der vorher aufgebrachten intrinsischen Schicht diffundiert, um Baumelbindungen und andere Defektzustände zu beruhigen und weiter die Grenzflächenrekombination von Ladungsträgern zu verringern, die sich durch die Grenzfläche zwischen der intrinsischen Schicht/ p&spplus;-Schicht bewegen. Dieses Wasserstoffplasma erzeugt ferner eine reine Oberfläche, auf der Zentren für das nachfolgende Aufwachsen von p-leitendem mikrokristallinem Material nukleieren. Man nimmt an, daß eine saubere Oberfläche erforderlich ist, da das Wachstum von Kristalliten in einer Schicht stattfinden muß, die nur eine Dicke in der Größenordnung von 100 Ångström besitzt.
  • Die letzte auf zubringende Schicht der Dünnschichtsolarzelle ist die p-leitende Lichteinfallsschicht, die auf der Wasserstoffplasmaschicht aufgebracht wird. Die p&spplus;-Schicht wird bei 25 Watt einer 13,56-MHz-HF-Energie bei einer Nennsubstrattemperatur von etwa 250ºC und einem Druck von etwa 267 Pa (2 Torr) aufgebracht. Die Vorläuferprozeßgase der p&spplus;-Schicht werden dann in die Abscheidungskammer mit den folgenden Verhältnissen und Durchsatzraten eingebracht:
    • Gas Durchsatzrate
  • Bortrifluorid 1,0 SCCM (40 pp BF&sub3;, verdünnt in H)
  • Silan (SiH&sub4;) 1,0 SCCM
  • Wasserstoff (H) 48,0 SCCM.
  • Die Vorläufer- oder Einsatzgase werden für etwa 50 Sekunden einer 2s-Watt-HF-Energiequelle ausgesetzt, woraus sich die Abscheidung einer etwa 100 Ångström dicken Schicht aus stark pdotiertem mikrokristallinen Silicium-Wasserstoff-Fluor-Material ergibt. Wegen des hohen Volumenanteils an Kristalliten zeigt diese p&spplus;-Schicht eine hohe Leitfähigkeit von etwa 1&supmin;¹&sup0; Ohm&supmin;¹cm&supmin;¹ und eine breite optische Bandlücke von etwa 2,0 eV, so daß sie in Verbindung mit der mikrokristallinen n&spplus;-Schicht ein starkes eingebautes Potential über die fotogenerative intrinsische Schicht der Solarzelle bereitstellt, wobei das eingebaute Potential beim Einfangen der Ladungsträger und beim Spalten des Quasi-Fermi-Niveaus der intrinsischen Schicht hilft.
  • Der oben beschriebene Typ eines Abscheidungsprozesses ergibt nach der Herstellung ergibt eine fotovoltaische nip-Vorrichtung mit einer optischen Bandlücke von 1,5 eV und 0,05 Quadratzentimetern (diese Vorrichtungen mit kleinem Flächeninhalt werden ohne die leitfähigen Silbergitterleitungen hergestellt und getestet); die Vorrichtung war durch die folgenden, in der Tabelle dargelegten elektrischen Daten gekennzeichnet: TABELLE (Probe 2130, Beispiel I) Beleuchtung Rot - Blau Fülldichte
  • Es sei bemerkt, daß ein Licht mit 700 nm (tiefrot) verwendet wurde, da eine Solarzelle mit einer 1,5 eV-Bandlücke bei Verwendung mit einer Tandemsperrschichtfotostruktur diese Wellenlänge sieht; die kürzeren, energiereicheren blauen Wellenlängen werden in der (den) obersten Zelle(n) der Vorrichtung absorbiert. In Fig. 2A ist eine schematische Darstellung der oben beschriebenen Auslegung einer Solarzelle gegeben, wobei die IV- Kurve nach der Messung unter einem 700-Nanometer-Licht in Fig. 2B angegeben ist. Es sei bemerkt, daß diese Zelle auch unter einer AM1,5-Beleuchtung gemessen wurde (die Ergebnisse sind in der obigen Tabelle angegeben); diese Beleuchtung ist nicht auf die roten Wellenlängen begrenzt. Schließlich sei bemerkt, daß diese Zelle auch gemessen wurde (und die Ergebnisse in der obigen Tabelle angegeben wurde), indem der aufgrund blauer Photonen erzeugte Fotostrom und der aufgrund roter Photonen der einfallenden Strahlung erzeugte Fotostrom ausgeglichen wurde. Dieser Ausgleich des blauen und roten Stroms liefert sehr nützliche Informationen zum Einfangen von fotoerzeugten blauen und roten Photonen. Eine niedrige blaue Fülldichte deutet beispielsweise auf eine Rückdiffusion von Elektronen in die p- Schicht hin, während eine niedrige rote Fülldichte auf einen mangelhaften Löchertransport hindeutet.
  • Die oben dargelegten Betriebswerte der Solarzelle liefern wieder den Referenzpunkt oder die Referenz, gegenüber der die in den folgenden Beispielen dargelegten Solarzellenauslegungen bewertet werden.
    • BEISPIEL II
  • Eine zweite Solarzellenprobe des nip-Typs, die im Laborbuch der Erfinder als Probe Nr. 2169 identifiziert war, wurde unter Verwendung der im wesentlichen gleichen Formulierungen vorbereitet, wie sie oben in bezug auf Beispiel I beschrieben wurden. Allerdings wurden deutliche Änderungen in der Auslegung der intrinsischen Schicht der Zelle vorgenommen, die das abgestufte Einbringen der Einsatzgase erforderten. Natürlich versteht sich, daß aufgrund der abgestuften Auslegung der intrinsischen Schicht weitere Modifizierungen der Pufferschichten, der Grenzflächenschichten, des Borgehalts in der intrinsischen Schicht usw. erforderlich sind, um die vorliegende Erfindung zu optimieren. Beim vorliegenden Beispiel wurde die n-Schicht aus amorphem Silicium-Legierungsmaterial nur über einen Zeitraum von zwei Minuten aufgebracht, so daß ihre Dicke auf etwa 100 bis 150 Å begrenzt war.
  • Wie im vorhergehenden Absatz erwähnt wurde, fand die Hauptänderung der Zellenkonfiguration in der Auslegung der Schicht mit enger Bandlücke aus dem intrinsichen amorphen Silicium- Germanium-Legierungsmaterial statt. Insbesondere war das Vorläufergasgemisch frei von Bortrifluorid und die Anstiegszeit für das Monogerman-Gas, damit es die geeignete Konzentration zur Herstellung eines Materials mit einer Bandlücke von 1,5 eV erreicht, wurde von 1 Minute auf 29 Minuten erhöht.
  • Die in die Abscheidungskammer eingebrachten Gase und die entsprechenden Durchsatzraten waren wie folgt:
    • Gas Durchsatzrate
  • Disilan (SiH&sub6;) 0,5 SCCM
  • Wasserstoff (H) 48,0 SCCM
  • Monogerman (GeH4) Anstieg von 0,0 SCCM auf 0,3 SCCM über 29 Minuten, dann Abfall von 0,3 SCCM auf 0,0 SCCM über 1 Minute.
  • Deshalb wird deutlich, daß das abgestufte Einbringen des Monogerman gegenüber dem Einbringen von Monogerman bei der Probe mit konstanter Bandlücke von Beispiel I über einen deutlich längeren Zeitraum durchgeführt wurde. Es sei ferner bemerkt, daß der Schritt der Abscheidung einer Bodenpufferschicht ausgelassen wurde. Die im folgenden dargelegten Ergebnisse sind in Anbetracht der Tatsache zu analysieren, daß keine Bor-Quelle wie BF&sub3; in die intrinsische Schicht der fotovoltaischen Vorrichtung eingebracht wurde, um beim Einfangen der darin fotoerzeugten Löcher zu helfen. Die vorliegenden Erfinder haben über das in diesem Beispiel umrissene Verfahren die Bandlücke der intrinsischen Schicht der fotovoltaischen Vorrichtung profiliert, wobei die Vorrichtung (über eine Dicke von etwa 3000 Ångström) von einem Maximum von etwa 1,7 eV angrenzend an die n-Schichtgrenzfläche zu einem Minimum von etwa 1,5 eV angrenzend an die p-Schichtgrenzfläche abgestuft wurde. Eine schematische Darstellung dieser Zellenauslegung ist in Fig. 3A veranschaulicht, wobei die IV-Kurve nach der Messung unter einem Licht von 700 Nanometer in Fig. 3B angegeben ist.
  • Die oben beschriebenen Änderungen bei der Auslegung der intrinsischen Schicht ergaben deutliche Leistungsverbesserungen der fotovoltaischen nip-Vorrichtung, die in der folgenden Tabelle angegeben sind: TABELLE (Probe 2169, Beispiel II) Beleuchtung Rot - Blau Fülldichte
  • Der Kurzschlußstrom war zwar etwas niedriger als bei der Zelle des Referenzfalls von Beispiel 1 oben, bemerkenswerterweise wurde aber die Fülldichte deutlich verbessert, obwohl in der intrinsischen Schicht kein Bor beigefügt wurde. Dies kann nur dem Feldgradienten zugeschrieben werden, der beim Löchertransport und damit beim Einfangen der Ladungsträger hilft. Es ist auch wichtig zu bemerken, daß die Fülldichte durch Beigabe eines leichten Bor-Gradienten über die intrinsische Schicht verbessert werden kann. Dies ist besonders wichtig in Hinblick auf die Tatsache, daß der Kurzschlußstrom einer Zelle verbessert werden kann, indem die Dicke ihrer intrinsischen Schicht erhöht wird; allerdings wird es durch diese Dickenerhöhung um so wichtiger, Bor beizugeben. Dies liegt darin, daß unter roter Beleuchtung über die gesamte Masse der intrinsischen Schicht Ladungsträger fotoerzeugt werden und die Löcher den langen Weg zur p&spplus;-Schicht zurücklegen müssen, um eingefangen zu werden. Deshalb wird durch die Beigabe von Bor nicht nur die Fülldichte, sondern auch der Löchertransport verbessert, um auch für die Herstellung einer dickeren intrinsischen Schicht zu sorgen, so daß Isc verstärkt wird.
    • BEISPIEL III
  • Die vorliegenden Erfinder bereiteten eine dritte Probe, die in ihrem Laborbuch als Probe Nr. 2171 identifiziert war. Das bei der Vorbereitung dieser Probe angewendete Verfahren gleicht im wesentlichen dem oben bei der Herstellung der Probe Nr. 2169 von Beispiel II beschriebenen. Die einzige Änderung bei den Abscheidungsparametern bei der Herstellung der vorliegenden Probe Nr. 2171 lag in der Verlängerung des Zeitraums, in dem man die Monogerman-Durchsatzrate von 0,0 SCCM auf 0,3 SCCM ansteigen ließ, so daß zusätzliche Photonen eingefangen werden konnten, um die Kurzschlußstromdichte Isc zu verstärken. Insbesondere wurde diese Anstiegsfunktion statt des in Beispiel II dargelegten Zeitraum von 29 Minuten über einen Zeitraum von 39 Minuten erreicht. Alle anderen Abscheidungsparameter blieben gleich. Auf diese Weise wurde eine intrinsische Schicht aus amorphem Silicium-Legierungsmaterial mit einer Dicke von im wesentlichen 4000 Ångström aufgebracht, die von einem Abschnitt mit einer maximalen Bandlücke von etwa 1,7 eV angrenzend an die n- Schichtgrenzfläche zu einem Abschnitt mit minimaler Bandlücke von etwa 1,5 eV angrenzend an die p-Schichtgrenzfläche profiliert. Ein schematisches Diagramm dieser Zellenauslegung einschließlich der profilierten intrinsischen Schicht ist in Fig. 4A veranschaulicht, wobei die IV-Kurve nach der Messung unter 700 Nanometern in Fig. 4B angegeben ist.
  • Das bei der Herstellung der Probe mit der Nr. 2171 angewandte Fabrikationsverfahren ergab die Auslegung einer fotovoltaischen nip-Vorrichtung mit verbesserten elektrischen Parametern, die unten tabellarisch angegeben sind: TABELLE (Probe 2171, Beispiel III) Beleuchtung Rot - Blau Fülldichte
  • Diese Ergebnisse demonstrieren die deutliche Verbesserung gegenüber der fotovoltaischen Standardzelle von Beispiel I aus der amorphen Silicium-Germanium-Legierung. Interessanterweise ist zu bemerken, daß die Probezelle zwar dicker als die im Beispiel I beschriebene Zelle ist, die Fülldichte aber aufgrund des abgestuften Feldes immer noch höher ist, das bei der Bewegung der Ladungsträger hilft. Wie vorausgesagt, führte ferner die dickere intrinsische Schicht der vorliegenden Probe zu einer Erhöhung des Kurzschlußstroms gegenüber der Zelle von Beispiel II.
    • BEISPIEL IV
  • Die vorliegenden Erfinder bereiteten ferner eine vierte Probe vor, die in ihrem Laborbuch der Erfinder als Probe Nr. 2172 identifiziert war. Die Probe Nr. 2172 wurde im wesentlichen auf die gleiche Weise vorbereitet, wie dies oben in bezug auf Probe Nr. 2171 beschrieben ist. Die einzige Änderung bei den Abscheidungsparametern zur Vorbereitung der vorliegenden Probe lag darin, daß der Zeitraum der Anstiegszeit der Durchsatzrate für das Monogerman-Gas von etwa 0,0 SCCM auf etwa 0,3 SCCM verlängert wurde. Insbesondere wurde die Anstiegsfunktion über einen Zeitraum von 49 Minuten erreicht, ehe sie über einen Zeitraum von 1 Minute von etwa 0,3 SCCM auf etwa 0,0 SCCM gesenkt wurde. Auf diese Weise wurde eine intrinsische Schicht aus Silicium- Germanium-Legierungsmaterial aufgebracht, wobei alle anderen Parameter unverändert bleiben und die intrinsische Schicht von einer maximalen optischen Bandlücke von etwa 1,7 eV angrenzend an die n-Schichtgrenzfläche auf eine minimale Bandlücke von etwa 1,5 eV angrenzend an die p-Schichtgrenzfläche profiliert ist. Ein schematisches Diagramm dieser Zellenauslegung einschließlich der profilierten intrinsischen Schicht ist in Fig. 5A veranschaulicht, wobei die IV-Kurve nach der Messung unter einer Beleuchtung von 700 Nanometern in Fig. 5B angegeben ist.
  • Das bei der Herstellung der Probe Nr. 2172 angewandte Verfahren führte zur Auslegung einer fotovoltaischen nip-Vorrichtung, die die folgenden, in der Tabelle aufgeführten elektrischen Eigenschaften zeigte: TABELLE (Probe 2172, Beispiel IV) Beleuchtung Rot - Blau Fülldichte
  • Aus einem Vergleich der Leistungswerte für die Probe 2172, die im vorliegenden Beispiel offenbart sind, mit den für die Referenzzelle, die Probe 2130 aus Beispiel I, offenbarten Leistungswerten ist zu beobachten, daß sowohl die Fülldichte als auch Voc über den Werten liegen, die für die Standardzelle mit der intrinsischen Schicht aus der Silicium-Germanium-Legierung von Beispiel 1 gemessen wurden. Wie vorhergesagt, steigt der Wert des Kurzschlußstroma mit der Dicke der abgestuften intrinsischen Schichten weiter an, und diese Erhöhung wird nicht durch eine verringerte Fülldichte wettgemacht, die ebenfalls höher als beim Beispiel I ist. Darüberhinaus hat die Leerlaufspannung im Vergleich zu der im Beispiel III gemessenen nicht abgenommen. Es sei bemerkt, daß bei steigender Dicke der Zelle aufgrund der durch diese zusätzliche Dicke verursachten Rekombination ein gewisser Verlust bei der Voc vorausgesagt werden kann; deshalb überrascht es nicht, daß die Zelle mit intrinsischer Schicht von Beispiel II mit einer Dicke von 3000 Ångström eine höhere Voc entwickeln würde als die Zelle der Beispiel III und IV.
    • BEISPIEL V
  • Eine fünfte Probe, die im Laborbuch der Erfinder mit der Probennummer 2174 bezeichnet war, wurde im wesentlichen nach dem Abscheidungsverfahren hergestellt, das beim zweiten, oben bezüglich der Probe Nr. 2169 beschriebenen Beispiel umrissen wurde. Allerdings wurde die vorliegende Probe Nr. 2174 derart vorbereitet, daß dort die intrinsische Schicht aus dem Silicium- Germanium-Legierungsmaterial abgestuft hergestellt wurde, wobei das Material mit der breiteren Bandlücke von 1,7 eV angrenzend an die p&spplus;-Schicht aus mikrokristallinem Material und das Material mit der engeren Bandlücke von etwa 1,5 eV angrenzend an die n&spplus;-Schicht aus amorphem Material angeordnet waren. Insbesondere ließ man nach der Abscheidung der n&spplus;-Schicht das Monogerman-Gas über einen Zeitraum von etwa 29 Minuten von etwa 0,3 SCCM angrenzend an die n&spplus;-Schichtgrenzfläche auf etwa 0,00 SCCM angrenzend an die p&spplus;-Schichtgrenzfläche absinken. Dann wurde die obere Pufferschicht aufgebracht, indem die Glühentladung fortgeführt wurde (ohne einen Monogerman-Gasdurchsatz einzubringen), um einen Grenzflächenpuffer zwischen der p&spplus;-Schicht und der intrinsischen Schicht vorzusehen, wobei diese Pufferschicht wie oben angegeben dazu geeignet ist, die Rekombination von fotoerzeugten Ladungsträgern an der Grenzfläche zwischen der intrinsischen und der p&spplus;-Schicht zu verringern. Ein schematisches Diagramm dieser Zellenauslegung einschließlich der bandlückenprofilierten intrinsischen Schicht nach der vorliegenden Erfindung mit einer Gesamtdicke für die intrinsische Schicht von etwa 3000 Ångström ist in Fig. 6A veranschaulicht, wobei die IV-Kurve nach der Messung unter AM1,5-Beleuchtung in Fig. 6B angegeben ist.
  • Die auf diese Weise hergestellte fotovoltaischen nip-Vorrichtung, bei der die Bandlücke von einem Maximum an der p&spplus;- Schichtgrenzfläche abgestuft ist, zeigte Solarzellenleistungscharakteristika mit einer bemerkenswerten Leerlaufspannung. Insbesondere lieferte diese Solarzelle die gemessenen elektrischen Charakteristika, die in der folgenden Tabelle angegeben sind: TABELLE (Probe 2174, Beispiel V) Beleuchtung Rot - Blau Fülldichte
  • Als wahrhaft faszinierendes Ergebnis ergab sich ein sehr hoher Wert für die Leerlaufspannung von 0,860 Volt, der im Vergleich zu dem Wert von 0,747 aus dem ersten Beispiel für die Referenzsolarzelle eine Erhöhung von 113 Mikrovolt ergibt. Die Fülldichte ist niedriger als bei der Standardzelle von Beispiel I, kann aber durch die Optimierung Borprofilierung in der intrinsischen Schicht verbessert werden.
    • BEISPIEL VI
  • Aus einer Revision der obigen Beispiele ist zu ersehen, daß die vorliegenden Erfinder im ersten Fall eine wesentliche Erhöhung von Voc erreichten, indem der Abschnitt der intrinsischen Schicht mit der breiten Bandlücke wirksam angrenzend an die dotierte Lichteinfallsschicht der Zelle angeordnet wurde (obwohl die Fülldichte abnahm); im zweiten Fall erreichten die vorliegenden Erfinder eine wesentliche Verbesserung bei Isc und der Fülldichte (obwohl die Verbesserung bei Voc nur peripher verstärkt wurde). Deshalb wurde die intrinsische Schicht bei diesem Beispiel von der breitesten Bandlücke an der dotierten Lichteinfallsschicht räumlich moduliert, rasch auf einen Abschnitt mit minimaler Bandlücke abgesenkt und dann an der entgegengesetzt dotierten Schicht langsam wieder zur breitesten Bandlücke hinaufgebracht. Auf diese Weise versuchten die Erfinder, die Leistungsmerkmale der beiden oben erläuterten Fälle zu "verheiraten", so daß jede kritische elektrische Charakteristik der Solarzellenleistung deutlich verbessert wurde.
  • Nach dem oben für die Beispiele II-V beschriebenen Verfahren wurde eine sechste Probe hergestellt, die im Laborbuch als Probe Nr. 2191 bezeichnet ist. Bei diesem Beispiel wurden im Vergleich zu dem beim vierten Beispiel beschriebenen Verfahren die Abscheidungszeit und die Monogerman-Durchsatzrate für die intrinsische Schicht variiert. Insbesondere wird die intrinsische Schicht nach dem Abscheiden der n&spplus;-Schicht aus mikrokristallinem Silicium in einem Abscheidungsprozeß von 55 Minuten ausgebildet, wobei man die Monogerman-Durchsatzrate über ein Zeitintervall von 50 Minuten von etwa 0,0 SCCM an der n -Schichtgrenzfläche auf etwa 0,3 SCCM an der p&spplus;-Schichtgrenzfläche ansteigen und dann über einen Zeitraum von etwa 0,3 SCCM auf etwa 0,0 SCCM an der p&spplus;-Schichtgrenzfläche absinken ließ. Die sich ergebende intrinsische Schicht ist durch eine Bandlücke gekennzeichnet, die von etwa 1,7 eV angrenzend an die n&spplus;-Schicht herunter auf 1,5 eV im zentralen Bereich und dann wieder auf etwa 1,7 eV angrenzend an die p&spplus;-Schichtgrenzfläche abgestuft ist. Nachdem der Monogerman-Durchsatz wieder völlig auf 0,00 SCCM heruntergebracht ist, wird eine obere Pufferschicht aufgebracht, indem die Einsatzgase für die intrinsische Schicht eingebracht werden (ohne den Germanium enthaltenden Vorläufer). Ein schematisches Diagramm dieser räumlich modulierten Zellenauslegung einschließlich der doppelt profilierten intrinsischen Schicht mit einer Gesamtdicke von etwa 5500 Ångström ist in Fig. 7A veranschaulicht, wobei die IV-Kurve nach der Messung unter AM1,5-Beleuchtung in Fig. 7B angegeben ist.
  • Die auf diese Weise hergestellte fotovoltaische nip-Vorrichtung zeigte Charakteristika, die allen oben beschriebenen fotovoltaischen Vorrichtungen mit abgestufter oder konstanter Bandlükke überlegen waren. Die doppelt profilierte (DPI, Double Profiled Intrinsic Layer) Zelle wurde insbesondere mit den gemessenen elektrischen Charakteristika hergestellt, die im folgenden tabellarisch angegeben sind: TABELLE (Probe 2191, Beispiel VI) Beleuchtung Rot - Blau Fülldichte
  • Damit wurde ein Solarzellen-Fotokonversionswirkungsgrad von 9,6879 bereitgestellt. Wird dieser Wirkungsgrad normalisiert, um die Leistung unter einer AM1-Beleuchtung zu demonstrieren (eine Verstärkung der Intensität der einfallenden Strahlung von 7%), dann würde die Messung einen Wirkungsgrad von etwa 10,37 % ergeben, mithin einen neuen Weltrekord für eine Solarzelle aus einer amorphen Silicium-Germanium-Legierung mit einer Bandlücke von 1,5 eV. Schließlich ist zu bemerken, daß bei Abgleich der unter der Beleuchtung von 700 Nanometern fotoerzeugten Rot- und Blauströme (1) eine starke Erhöhung von Voc zu erkennen ist, allerdings (2) die Rotfülldichte nur etwa 0,546 beträgt, was auf Probleme beim Löchertransport zu der p&spplus;-Schicht hinweist. Die Dotierung der intrinsischen Schicht mit Bor, die zur Verbesserung des Löchertransports verwendet werden könnte, würde wieder eine Lösung für das Problem des Löchereinfangens darstellen.
  • Zur Erläuterung sei darauf hingewiesen, daß auf die für dieses Experiment verwendete Platte aus Substratmaterial der bestmögliche Rückreflektor aufgebracht war, d. h. ein strukturierter Rückreflektor, der durch im wesentlichen ideale Oberflächenmerkmale gekennzeichnet ist, um für eine Streuung der Photonen in optimalen Winkeln von der strukturierten Oberfläche zu sorgen.
    • BEISPIEL VII
  • Eine siebte Probe, die im Laborbuch mit der Probennummer 2190 bezeichnet war, wurde im wesentlichen nach dem Abscheidungsverfahren hergestellt, das oben unter Bezug auf die Probe Nr. 2191 umrissen wurde. Dieses Beispiel unterscheidet sich von Beispiel VI nur in der Zeitdauer, während der man die intrinsische Schicht aus dem Silicium-Germanium-Legierungsmaterial von dem minimalen Wert der optischen Bandlücke von etwa 1,5 eV auf einen Bandlückenwert von etwa 1,7 eV angrenzend an die p&spplus;- Schichtgrenzfläche ansteigen ließ. Insbesondere wird nach der Abscheidung der n&spplus;-Schicht aus amorphem Silicium-Legierungsmaterial die intrinsische Schicht in einem Abscheidungsprozeß von 55 Minuten aufgebracht, wobei man die Monogerman-Durchsatzrate angrenzend an die n&spplus;-Schicht über ein Zeitintervall von etwa 50 Minuten von 0,0 SCCM auf 0,3 SCCM ansteigen und dann über ein Zeitintervall von etwa 2 Minuten angrenzend an die p&spplus;- Schichtgrenzfläche von etwa 0,3 SCCM auf etwa 0,00 SCCM absinken ließ. Die Abscheidung der intrinsischen Schicht wird dann über eine Minute mit einem nicht Germanium enthaltenden Plasma abgeschlossen. Ein schematisches Diagramm dieser räumlich modulierten Zellenauslegung einschließlich der doppelt profilierten intrinsischen Schicht ist in Fig. 8A veranschaulicht, wobei die IV-Kurve nach der Messung unter einer AM1,5-Beleuchtung in Fig. 8B angegeben ist.
  • Die auf diese Weise hergestellte fotovoltaische nip-Vorrichtung zeigte Solarzellenleistungscharakteristika, die geringfügig über denjenigen liegen, die bei der Weltrekordzelle von Beispiel V im einzelnen erläutert wurden. Die doppelt profilierte intrinsische Zelle (DPI) lieferte genauer die folgenden gemessenen elektrischen Charakteristika, die unten tabellarisch angegeben sind: TABELLE (Probe 2190, Beispiel VII) Beleuchtung Rot - Blau Fülldichte
  • Die AM1,5-Messungen rechnen sich zu einem Fotokonversionswirkungsgrad von etwa 9,760% auf. Nach der Umwandlung des unter der AM1,5-Beleuchtung gemessenen Fotokonversionswirkungsgrades in AMI-Beleuchtung, bemißt sich der Wirkungsgrad auf etwa 10,44%, ein weiterer Weltrekord für eine Solarzelle mit einer Bandlücke von etwa 1,5 eV. Wieder ist offensichtlich noch Raum für weitere Verbesserungen, da der intrinsischen Schicht kein Bor beigegeben wurde, um die Löcherleitung zu verbessern.
    • BEISPIEL VIII
  • Eine achte Probe, die im Laborbuch mit der Probennummer 2195 bezeichnet war, wurde im wesentlichen nach dem Abscheidungsverfahren hergestellt, das im einzelnen bezüglich der Probe 2191 (Beispiel VI) umrissen wurde. Dieses Beispiel unterscheidet sich von Beispiel VI nur dadurch, daß zur Abscheidung der intrinsischen Schicht aus Silicium-Germanium-Legierungsmaterial dem Gasgemisch ein Bor enthaltender Vorläufer beigegeben wurde. Der Bor-Vorläufer wurde ferner derart abgestuft, daß er dem Profil des Germanium in der intrinsischen Schicht entspricht. Insbesondere wird nach der Abscheidung der n&spplus;-Schicht aus amorphem Silicium-Legierungsmaterial die intrinsische Schicht in einem Abscheidungsvorgang von 55 Minuten gebildet, wobei man die Monogerman-Durchsatzrate über ein Zeitintervall von etwa 50 Minuten von etwa 0,00 SCCM angrenzend an die n&spplus;-Schichtgrenzfläche auf etwa 0,3 SCCM ansteigen und dann über ein Zeitintervall von etwa 2 Minuten angrenzend an die p&spplus;-Schichtgrenzfläche von etwa 0,3 SCCM auf etwa 0,0 SCCM absinken läßt. Während der Abscheidung der intrinsischen Schicht werden dem gasförmigen Vorläufergemisch etwa 0,2 SCCM BF&sub3; über 30 Minuten beigegeben, und dann wird die Durchsatzrate von BF&sub3; auf etwa 0,4 SCCM gebracht. Die Abscheidung der intrinsischen Schicht wird dann über eine Minute durch ein Plasma abgeschlossen, das kein Germanium enthält. Ein schematisches Diagramm dieser räumlich modulierten Zellenauslegung einschließlich der doppelt profilierten intrinsischen Schicht nach der vorliegenden Erfindung mit einer Gesamtdicke für die intrinsische Schicht von etwa 5200 Ångström ist in Fig. 9A veranschaulicht, wobei die IV-Kurve nach der Messung unter AM1,5-Beleuchtung in Fig. 9B angegeben ist.
  • Die auf diese Weise hergestellte fotovoltaischen nip-Vorrichtung zeigte unter roter Beleuchtung Solarzellenleistungscharakteristika, die denjenigen überlegen waren, die bei der oben in den Beispielen VI und VII im einzelnen erläuterten Weltrekordzelle dargelegt wurden. Insbesondere lieferte die doppelt profilierte intrinsische Schicht (DPI) mit profiliertem Dotierstoff die elektrischen Charakteristika, die in der folgenden Tabelle angegeben sind: TABELLE (Probe 2195, Beispiel VIII) Beleuchtung Rot - Blau Fülldichte
  • Die AM1,5-Messungen rechnen sich zu einem Fotokonversionswirkungsgrad der Solarzelle von etwa 8,806 auf. Wird dieser Wirkungsgrad wieder in die AM1-Beleuchtung umgerechnet, dann bemißt sich der Wirkungsgrad auf etwa 10,3%, was einen weiteren Weltrekord für eine Solarzelle mit einer Bandlücke von etwa 1,5 eV bedeutet. Es sei bemerkt, daß, wie oben vorausgesagt, durch die Beigabe eines Bor-Gradienten die Löcherbewegung in dem Bereich der intrinsischen Schicht "angekurbelt" wurde, die die höchste Defektdichte (das Material mit der engsten Bandlücke) besitzt, und dadurch das Einfangen der Löcher sowie die rote Fülldichte verbessert wurden [bei zusätzlichem Fotokonversionswirkungsgrad].
  • BF&sub3; ist zwar als Quelle für B gezeigt, um das Einfangen der Löcher zu verbessern, ebenso für F, von dem der Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung nachgewiesen hat, daß es ein besseres Material mit enger Bandlücke ist, dies bei niedriger Dichte der Defektzustände in der Bandlücke und höherer Stabilität; allerdings versteht sich, daß weitere Vorläuferquellen für Bor verwendet werden könnten.
    • BEISPIEL IX
  • Es wurde eine nip-Solarzelle vorbereitet, deren intrinsische Schicht im Bor-Gehalt abgestuft war.
  • Die n&spplus;- und p&spplus;-Schichten wurden unter Verwendung des gleichen Verfahrens wie bei den anderen Proben aufgebracht. Die i-Schicht wurde aufgebracht, indem die GeH&sub4;-Menge über 45 Minuten von 0 SCCM auf 0,35 SCCM erhöht und dann über 5 Minuten auf 0 SCCM gesenkt wurde. Auf die Abscheidung der oberen Pufferschicht folgte für eine Minute ein H-Plasma. Der Durchsatz von BF&sub3; (40 ppm in H) wurde von anfänglich 0,11 SCCM auf 0,4 SCCM am Ende des intrinsischen Durchgangs erhöht (insgesamt 51 Minuten). Diese Vorrichtung zeigte unter AM1,5-Globalbeleuchtung einen Konversionswirkungsgrad von 9,822% bei Isc = 21,041 mA/cm², Voc = 0,823 Volt FF = 0,567 und einer aktiven Fläche von 0,25 cm und besaß die in der folgenden Tabelle gezeigten elektrischen Eigenschaften: TABELLE (Probe 2202, Beispiel IX) Beleuchtung Rot - Blau Fülldichte
    • SCHLUSSBEMERKUNG
  • Aus dem genauen Studie der Beispiele und der vorliegenden Erörterung der Offenbarung ergibt sich, daß die vorliegenden Erfinder die herkömmlichen Prinzipien zur Auslegung von intrinsischen Schichten umgestaltet haben, von denen sich die Hersteller von Solarzellen aus amorphem Silicium im letzten Jahrzehnt leiten ließen. Die Erfinder räumten mit der traditionell akzeptierten Weisheit auf, daß der enge Bandabschnitt in einer intrinsischen Schicht aus einem amorphen Silicium-Legierungsmaterial mit Mehrfachbandlücke die maximale Leerlaufspannung begrenzt, die von der Solarzelle erhalten werden kann; tatsächlich glauben die Erfinder nun in direktem Gegensatz zu dem vorher Gesagten, daß die von einer solchen Solarzelle abzuleitende Leerlaufspannung durch den Abschnitt der intrinsischen Schicht mit Mehrfachbandlücke mit der breitesten Bandlücke begrenzt ist. Die Erfinder haben die intrinsische Schicht aus Silicium- Legierungsmaterial derart umgestaltet, daß ihre Bandlücke auf doppelt profilierte Weise räumlich abgestuft ist, wobei der engste Bandlückenabschnitt im Inneren der intrinsischen Schicht angeordnet ist und die breitesten Bandlückenabschnitte an den Grenzflächen der dotierten Schichten angeordnet sind und unterschiedliche Rampenprofile zwischen den Abschnitten mit der breitesten und der engsten Bandlücke vorgesehen sind; dabei hilft die Verwendung von kleinen Dotierstoffprofilen beim Einfangen der Ladungsträger, insbesondere der Löcher. Selbstverständlich erfordert diese Auslegung der intrinsischen Schicht eine Optimierung zur Verwendung mit anderen "Handwerkstricks" wie Grenzflächenpufferschichten, Wasserstoffplasmen und strukturierten Doppelschicht-Rückreflektoren. Trotz der komplizierten Überlegungen zur Auslegung und der kurzen Zeit, in der die Arbeit an diesen Auslegungen fortschritt, erreichten die vorliegenden Erfinder faszinierenderweise die höchsten Fotokonversionswirkungsgrade, über die für amorphes Silicium-Germanium mit einer Bandlücke von 1,5 eV je berichtet wurde. Für die Optimierung bei Anwendungen mit dreifach gestapelten Solarzellen liefert die vorliegende Erfindung sicher ebenfalls weltrekordreife Fotokonversionswirkungsgrade.
  • In der gesamten vorliegenden Beschreibung wurden optische Bandlücken wie 1,5 eV und 1,7 eV erwähnt. Es sei bemerkt, daß sich die Bandlücke amorpher Silicium- und amorpher Silicium-Germanium-Legierungsmaterialien sehr schwer genau messen läßt. Die vorliegenden Erfinder haben sich zwar eine hohe Fachkenntnis für die Durchführung von Messungen der Bandlückenbreite angeeignet, die amorphen Silicium- und Silicium-Germanium- Legierungen, die mit optischen Bandlücken von etwa 1,5 eV oder 1,7 eV zitiert wurden, können aber um ±0,005 eV danebenliegen. Für die Zwecke des hier offenbarten erfinderischen Konzepts sind solch mögliche geringe Fehlermargen bei den Messungen der Bandlückenbreite aber ohne Bedeutung. Darüberhinaus trugen die vorliegenden Erfinder dafür Sorge, daß sichergestellt wurde, daß nach der Messung über die Germanium-Einbettung in der abgeschiedenen Legierung im wesentlichen die Legierung mit der gleichen Bandlücke verwendet wurde, um die Referenzzelle und die anderen, damit verglichenen Zellen zu erhalten.
  • Die Erfindung ist nicht auf intrinsische Schichten mit Mehrfachbandlücken beschränkt, die Bandlücken umfassen, die aus amorphen Silicium- und amorphen Silicium-Germanium-Legierungsmaterialien hergestellt sind, sondern sie ist auch zur Anwendung auf andere intrinsische Schichten mit Mehrfachbandlükken gedacht, wobei diese Schichten Bandlücken umfassen, die aus einem amorphen Silicium- und einem amorphen Silicium-Kohlenstoff-Legierungsmaterial hergestellt sind (wobei diese Zellen mit breiter Bandlücke eine Grundlage zur Verbesserung des Kurzschlußstroms liefern, der in der obersten Zelle einer dreifach gestapelten fotovoltaischen Vorrichtung fotoerzeugt wird). Computersimulationen bestätigen diese Extrapolation auf intrinsische Schichten, die aus eine amorphen Silicium-Kohlenstoff- Legierungsmaterial mit einer Bandlücke von 1,8-2,1 eV an der p&spplus;-Grenzfläche, das auf ein amorphes Silicium-Legierungsmaterial mit einer Bandlücke von 1,7 eV angrenzend an die n&spplus;- Grenzfläche abgestuft ist.
  • Schließlich verdient ein weiteres Merkmal Erwähnung. Wird der Bor-Dotierstoff in die räumlich profilierte intrinsische Schicht der vorliegenden Erfindung eingebracht, um das Einfangen von Löchern zu verbessern, dann muß dafür gesorgt werden, daß mehrfache Änderungen im Leitfähigkeitstyp dieser intrinsischen Schicht vermieden werden. Dies liegt daran, daß die intrinsische Schicht im wesentlichen vom nu-Typ (leicht nleitend) ist und das Fermi-Niveau durch das Einbringen selbst kleiner Prozentanteile von Bor bewegt und damit der Leitfähigkeitstyp zum pi-Typ (leicht p-leitend) verändert werden kann. Dies würde nicht nur zu einem Zustand führen, wo angrenzende Bereiche unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps in der intrinsischen Schicht den Strom der Ladungsträger blockieren würden, sondern der Hauptübergang in der Solarzellenstruktur könnte ebenfalls verändert werden. Der Hauptübergang in einer Solarzelle tritt an der Grenzfläche zwischen der intrinsischen Schicht/der p&spplus;-Schicht und nicht an der Grenzfläche zwischen der intrinsischen Schicht/der n+-Schicht auf. Dies liegt daran, daß die intrinsische Schicht bereits vom nu-Typ ist und das Feld zwischen angrenzenden Bereichen mit dem höchsten Felddifferential am stärksten ist. Wird deshalb die Bor-Profilierung der intrinsischen Schicht nicht sorgfältig gesteuert, dann würde eine Verschiebung des Leitfähigkeitstyps der intrinsischen Schicht zu einer Verschiebung des Hauptübergangs von der Grenzfläche zwischen der intrinsischen Schicht/der p&spplus;-Schicht zur Grenzfläche zwischen der intrinsischen Schicht/der n&spplus;-Schicht führen. Sollte es zu einer solchen Verschiebung kommen, dann würde eine solche Struktur größere Modifizierungen einschließlich einer Änderung des einfallenden Lichts erforderlich machen.

Claims (19)

1. Solarzelle (12a) mit wenigstens einer intrinsischen Schicht (18a) aus einem im wesentlichen amorphen, intrinsischen Dünnfilmhalbleiterlegierungsmaterial; wobei die intrinsische Schicht wenigstens einen ersten Abschnitt der Dicke mit einer ersten Bandlücke und einen zweiten Abschnitt der Dicke mit einer zweiten Bandlücke besitzt, die enger als die erste Bandlükke ist; wobei die intrinsische Schicht zwischen zwei entgegengesetzt dotierten Schichten (16a, 20a) aus Halbleiterlegierungsmaterial sandwichartig angeordnet ist; wobei die Bandlücke aller Abschnitte der intrinsischen Schicht, die nicht an die Grenzflächen zwischen der intrinsischen Schicht und der dotierten Schicht angrenzen, kleiner als die Bandlücke der dotierten Schichten ist; wobei wenigstens ein die Bandlücke modifizierendes Element in wenigstens einen wesentlichen Abschnitt der Massendicke der intrinsischen Schicht eingebracht ist, so daß die Bandlücke der intrinsischen Schicht über einen wesentlichen Abschnitt der Massendicke räumlich abgestuft ist, wobei der abgestufte Abschnitt einen Bereich umfaßt, der von den Grenzflächen zwischen der intrinsischen Schicht und der dotierten Schicht entfernt ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des die Bandlücke modifizierenden Elements, das in die intrinsische Schicht eingebettet ist, von einem Minimum angrenzend an jede Grenzfläche zwischen der intrinsischen Schicht und der dotierten Schicht zu einem Maximum im Inneren der Massendicke der intrinsischen Schicht abgestuft ist, so daß die breitesten Bandlückenabschnitte angrenzend an die Grenzflächen zwischen der intrinsischen Schicht und der dotierten Schicht liegen und der minimale Bandlückenabschnitt im Inneren der Massendicke der intrinsischen Schicht liegt, wobei die Konzentration des modifizierenden Elements über einen wesentlichen Bereich der Massendicke der intrinsischen Schicht abgestuft ist.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, bei welchem das die Bandlücke modifizierende Element Germanium ist und ein wesentlicher Abschnitt der Massendicke der intrinsischen Schicht aus einem Silicium-Germanium-Legierungsmaterial hergestellt ist.
3. Solarzelle nach Anspruch 2, bei welcher die Abstufung des in die silicium-Germanium-Schicht eingebetteten Germaniums für wenigstens eine Dicke von 50 nm auf dem Maximum gehalten ist.
4. Solarzelle nach Anspruch 2, bei welcher die Bandlückenabstufung der intrinsischen Schicht, die durch Abstufung des in die Silicium eingebetteten Germaniums gebildet ist, ein scharfes Minimum erreicht.
5. Solarzelle nach Anspruch 2, bei welcher die intrinsische Schicht aus Silicium-Germanium-Legierungsmaterial einen im wesentlichen germaniumfreien Bereich an den Grenzflächen zwischen der intrinsischen und der dotierten Schicht umfaßt.
6. Solarzelle nach Anspruch 2, bei welcher die Bandlücke des Silicium-Germanium-Legierungsmaterials im Masseninneren auf etwa ein Minimum von 1,2-1,6 eV abgestuft ist.
7. Solarzelle nach Anspruch 2, bei welcher die Bandlücke der intrinsischen Schicht aus Silicium-Germanium-Legierungsmaterial im Masseninneren auf etwa ein Minimum von 1,4-1,5 eV abgestuft ist.
8. Solarzelle nach Anspruch 2, bei welcher die abgestufte Einbettung von Germanium in die intrinsische Schicht schneller von der Grenzfläche der intrinsischen Schicht mit der dotierten Lichteinfallsschicht zu dem Bereich maximaler Germaniumeinbettung innerhalb der Innenmassendichte im Vergleich zu der abgestuften Einbettung von Germanium von der Grenzfläche der intrinsischen Schicht mit der dotierten Schicht gegenüber der dotierten Lichteinfallsschicht zu dem Bereich maximaler Germaniumeinbettung ist.
9. Solarzelle nach Anspruch 8, bei welcher der Bereich maximaler Germaniumeinbettung für wenigstens 50 nm konstant bleibt.
10. Solarzelle nach Anspruch 2, bei welcher Bor in das Silicium-Germanium-Legierungsmaterial der intrinsischen Schicht derart eingebettet ist, daß das Einfangen der fotoerzeugten Ladungsträger verbessert ist.
11. Solarzelle nach Anspruch 10, bei welcher das in die intrinsische Schicht eingebettete Bor abgestuft ist, um die abgestufte Einbettung des Germaniums zu kompensieren.
12. Solarzelle nach Anspruch 5, bei welcher die intrinsische Schicht ferner ein Bandlückenweitungselement umfaßt, das angrenzend an die Grenzflächen mit den dotierten Schichten eingebettet ist.
13. Solarzelle nach Anspruch 12, bei welcher die prozentuale Einbettung des Bandlückenweitungselements von einem Maximum an den Grenzflächen der intrinsischen Schicht mit den dotierten Schichten zu einem Minimum im Inneren der Massendicke der intrinsischen Schicht abgestuft ist.
14. Solarzelle nach Anspruch 1, die ferner wenigstens eine zusätzliche Solarzelle (12b) umfaßt, die in optischer und elektrischer Reihenbeziehung zu der einen Solarzelle angeordnet ist, so daß eine Tandemsperrschichtfotostruktur gebildet wird.
15. Solarzelle nach Anspruch 14, bei welcher die wenigstens eine zusätzliche Solarzelle eine intrinsische Schicht (18b) aus einem im wesentlichen amorphen, intrinsischen Dünnfilmhalbleiterlegierungsmaterial aufweist, die zwischen zwei entgegengesetzt dotierten Schichten (16b, 20b) aus Halbleiterlegierungsmaterial sandwichartig angeordnet ist, wobei die zusätzliche intrinsische Schicht durch wenigstens einen ersten Bereich der Dicke mit einer ersten Bandlücke und einen zweiten Bereich der Dicke mit einer zweiten Bandlücke gekennzeichnet ist, die enger als die erste Bandlücke ist; wobei die Bandlücke aller Bereiche der intrinsischen Schicht der wenigstens einen zusätzlichen Zelle über einen wesentlichen Bereich der Massendicke räumlich abgestuft ist; wobei der abgestufte Abschnitt einen Bereich umfaßt, der von den Grenzflächen zwischen der intrinsischen und der dotierten Schicht entfernt ist.
16. Solarzelle nach Anspruch 15, bei welcher sich das Halbleiterlegierungsmaterial mit der engeren Bandlücke der intrinsischen Schicht der zusätzlichen Solarzelle von dem Halbleiterlegierungsmaterial mit der engeren Bandlücke der intrinsischen Schicht der einen Solarzelle unterscheidet.
17. Solarzelle nach Anspruch 16, die ferner einen Doppelschicht-Rückreflektor umfaßt, der unter der untersten n-leitenden Schicht angeordnet ist, wobei der Doppelschicht- Rückreflektor aus einer obersten leitenden Oxidschicht und einer hochreflektiven untersten Schicht hergestellt ist.
18. Solarzelle nach Anspruch 17, bei welcher die oberste Rückreflektorschicht aus Zinkoxid und die unterste Rückreflektorschicht aus Silber hergestellt ist.
19. Solarzelle nach Anspruch 17, die ferner eine Pufferschicht umfaßt, die wirksam zwischen wenigstens einer der intrinsischen Schichten aus Halbleiterlegierungsmaterial und wenigstens einer der dotierten Lichteinfallsschichten in jeder der Zellen der Sperrschichtfotostruktur angeordnet ist.
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