DE3880109T2 - Sonnenzelle fuer niedrigen lichtpegel. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von photovoltaischen Dünnschichtbauelementen aus Silizium und insbesondere die Verwendung von mikrokristallinen Siliziumschichten als Stromsammelschichten in solchen Bauelementen.
• Dünnschichtsolarzellen sind gut bekannt und Verbesserungen die auf diesem Gebiet gemacht werden, sollen solche Bauelemente kommerziell verwertbar gestalten. Beispielsweise sind pin- Strukturen aus amorphem Silizium in den US-Patenten von Hamakawa Nr. 4 385 200 und 4 388 482 vom 24. Mai 1983 bzw. vom 14. Juni 1983 offenbart. Ein anderes Patent von Hamakawa et al, US 4 410 559 vom 18. Oktober 1983 gibt eine detailliertere Beschreibung an und betrifft Glimmentladungstechniken zur Abscheidung von amorphen Siliziumschichten mit unterschiedlichen Dotierstoffen. Jedes dieser Patente wird hiermit durch Zitat zum Bestandteil der Lehre über die Zellstrukturen und die Herstellungsverfahren.
• Während das grundlegende photovoltaische pin-Bauelement aus amorphem Silizium ziemlich einfach zu sein scheint, haben fortgesetzte Anstrengungen in Forschung und Entwicklung zahlreiche Probleme ausgemacht, die das Eigenschaftsprofil der Bauelemente verschlechtern. Beispielsweise wird im US-Patent 4 492 736 (Tanner) vom 08. Januar 1985 das Problem des Kontaktszwischen einem Strom sammelnden Film und einem photovoltaischen pin- Dünnschichtsiliziumbauelement diskutiert. Für alle Fälle wird dieses Patent durch Zitat eingebracht. Insbesondere wird in diesem Patent bemerkt wie schwierig es ist, einen guten niederohmigen Kontakt zwischen amorphem Silizium und einem typischen aus Aluminium gefertigten Rückseitenkontakt herzustellen. Das Tanner-Patent lehrt die Verwendung einer n-leitenden mikrokristallinen Siliziumschicht anstelle des n-leitenden amorphen Siliziumbereiches, der normalerweise in photovoltaischen pin- Dünnschichtsiliziumbauelementen gefunden wird. Die mikrokristalline Form von Silizium bildet einen viel besseren Kontakt zur Strom sammelnden Aluminiumschicht und verbessert dadurch die Eigenschaften des Bauelements.
• Ein anderes Problem, das gewöhnlich bei der Herstellung von Dünnschichtsiliziumbauelementen aufgeführt wird, ist das Auftreten von pinholes". Pinholes sind kleine Fehler oder Löcher in der Siliziumschicht, in denen die Vorderseitenelektrode unbedeckt bleibt. Wenn dann die Strom sammelnde Rückseitenelektrode abgeschieden wird, bildet sie einen direkten Kontakt mit der Vorderseitenschicht aus und bildet einen Shunt oder einen Kurzschluß. Verschiedene Techniken werden entwickelt, um solche Shunts auszumerzen oder zu lokalisieren. Eine typische Bauelementstruktur verwendet einen Zinnoxidvorderseitenkontakt und einen Aluminiumrückseitenkontakt. Diese Struktur kann irgendwie selbstheilend sein, da der Sauerstoff aus dem Zinnoxid dazu tendiert, am Kontaktpunkt eine isolierende Schicht von Aluminiumoxid auszubilden. Diese Reaktion bildet eine ausreichende Isolierung, um in Hochleisbungsbauelementen, das heißt solchen Bauelementen, die für die Verwendung in direktem Sonnenlicht vorgesehen sind, den sich ergebenden Kurzschlußstrom auf einen akzeptierbaren Wert zu begrenzen. Nicht akzeptierbar ist diese Art von Kurzschluß jedoch bei Bauelementen für einen niedrigen Lichtpegel, zum Beispiel für Innenraumanwendungen wie solarbetriebene Rechner. Für eine Verwendung bei niederem Lichtpegel von weniger als 200 Lux kann im wesentlichen kein Kurzschluß toleriert werden.
• Draus wird ersichtlich, daß eine photovoltaische Bauelementstruktur, die pinholes ausschließt, oder gegenüber diesen nicht empfindlich ist, und ein Herstellungsverfahren, welches in der Siliziumdünnschicht auftretende pinholes eleminiert oder nicht von diesen beeinflußt wird, anzustreben ist.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine photovoltaische Zelle bereitgestellt, die eine Dünnschicht pin-Siliziumstruktur mit einer Rückseite und einer Vorderseite und Strom sammelnde Rückseiten- und Vorderseitenelektroden umfaßt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest eines der p- und n-Gebiete der besagten pin-Struktur eine dotierte mikrokristalline Siliziumschicht umfaßt oder aus dieser gebildet ist, die eine Dicke von mehr als 50 nm aufweist und die eine der genannten Strom sammelnden Elektroden bildet.
• Cemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein photovoltaisches Bauelement bereitgestellt, welches umfaßt eine transparente Vorderseitenelektrode, eine photovoltaische Dünnschicht aus amorphem Silizium auf der Vorderseitenelektrode und eine Rückseitenelektrode, bestehend aus einer Schicht aus mikrokristallinem Silizium, die eine Dicke von mehr als 50 nm hat und die direkt die photovoltaische Schicht kontaktiert.
• Durch Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die dazugehörIgen Figuren kann die vorliegende Erfindung besser verstanden werden, wobei
• Figur 1 eine nicht maßstäbliche Querschnittsdarstellung einer ersten photovoltaischen Bauelementstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist und
• Figur 2 eine nicht maßstäbliche Querschnittsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist.
• Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das photovoltaische Bauelement der Figur 1 wird auf einem Classubstrat 10 hergestellt. Auf dem Glassubstrat 10 wird ein Bauelement abgeschieden, was gemaß den Lehren der oben zitierten Hamakawa-Patente erfolgen kann. Insbesondere wird dabei eine erste oder Vorderseitenstromschicht 12 aus einem transparenten leitfähigen Material wie Zinnoxid gebildet. Auf dem elektrischen Leiter 12 wird eine amorphe Siliziumdünnschicht 14 abgeschieden, die ein p-dotiertes Gebiet 16, ein intrinsisches Gebiet 18 und ein n- dotiertes Gebiet 20 besitzt. Das Bauelement wird vervollständigt durch eine Strom sammelnde zweite oder Rückseitenelektrode 22. In bekannten Bauelementen, wie sie bei Hamakawa gelehrt werden, ist die Schicht 22 typischerweise aus einem hochleitenden Metall wie Aluminium gebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Schicht 22 jedoch eine hochdotierte mikrokristalline Siliziumschicht. Wir haben gefunden, daß eine hochdotierte mikrokristalline Siliziumschicht, die eine Dicke von ungefähr bis 500 bis 5.000 Angström und vorzugsweise von 2.000 bis 4.000 Angström besitzt eine ausreichende Leitfähigkeit für Anwendungen bei niedrigen Lichtpegeln von beispielsweise weniger als 200 Lux ermöglicht, und daß die gebräuchliche metallische leitende Schicht eleminiert wird. Wie weiter unten in den Beispielen erklärt wird, hat die Eleminierung der gebräuchlichen metallischen Strom sammelnden Schichten eine dramatische Verbesserung in der Produktionsausbeute zur Folge. (10 Angström = 1 nm).
• Unter Bezugnahme auf Figur 2 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geschildert. Das Bauelement von Figur 2 ist auf einem Glassubstrat 24 hergestellt, wobei im wesentlichen wieder die grundlegenden Techniken von Hamakawa verwendet werden. Als erstes wird eine transparente leitfähige Schicht 26 auf dem Substrat 24 abgeschieden. Eine dünne Siliziumschicht 28 mit einer etwas abgehänderten pin-Struktur wird dann auf der Strom sammelnden Vorderseitenschicht 26 abgeschieden. Die Schicht 28 beinhaltet ein p-dotiertes Gebiet 30, welches in Kontakt mit der Schicht 26 und dem intrinsischen Gebiet 32 steht. Beide Gebiete 30 und 32 werden aus amorphem Silizium gebildet. Wenn gewünscht, kann das Gebiet 30 Kohlenstoff beinhalten, wie von Hamakawa gelehrt wird. Die Siliziumschicht 28 beinhaltet außerdem ein mikrokristallines n-dotiertes Gebiet 34. Das Gebiet 34 ist vorzugsweise hochdotiert und relativ dick mit Ausmaßen, die in dem Bereich liegen, der für die Schicht 22 von Figur 1 vorgeschlagen wurde. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 bildet das Gebiet 34 sowohl das n-leitende Gebiet der pin-Siliziumdiodenstruktur und dient gleichzeitig als einzige Strom sammelnde Rückseitenelektrode für das photovoltaische Bauelement. Das heißt, daß kein metallischer oder anders gearteter elektrischer Leiter auf dem Dünnschichtsiliziumbauelement 28 abgeschieden wird.
• Die Eleminierung des gebräuchlichen Rückseitenleiters aus dem photovoltaischen Bauelement der vorliegenden Erfindung bewirkt zunächst eine wesentliche Verbesserung im Wirkungsgrad, da das pinhole-Problem vermieden wird. Pinholes werden allgemein verursacht durch die Anwesenheit von Staubpartikeln auf einem Substrat, auf dem eine Dünnschicht abgeschieden werden soll. Wenn der Film abgeschieden wird, maskieren die Staubpartikel das Substrat und verhindern die Bildung der Schicht am Ort der Staubpartikel. In späteren Verfahrensschritten werden die Staubpartikel entfernt und hinterlassen ein unbedecktes oder freigelegtes Substratgebiet. Bei der Herstellung von photovoltaischen Dünnschichtbauelementen wird die Siliziumschicht, zum Beispiel die Schicht 14 in Figur 1, auf einem Substrat abgeschieden, welches mit einem transparenten Leiter 12 beschichtet ist. Alle die einzelnen Schichten der Siliziumschicht 14 und im Fall von Figur 1 die Schicht 22 können in einer einzigen Glimmentladungskammer ohne Herausnahme des Substrats abgeschieden werden. Alle anwesenden Staubpartikel werden daher durch alle in Reihenfolge abgeschiedene Siliziumschichten reichende pinholes bilden. In den bekannten Bauelementen werden die Substrate mit den Siliziumschichten dann in eine andere Kammer zur Aufbrlngung eines Rückkontakts wie Aluminium verbracht. Während dieses Schrittes des Verfahrens geschieht es, daß die Staubpartikel entfernt werden und den Vorderseitenkontakt durch die sich daraus ergebenden pinholes freilegen. Während der Rückseitenkontakt abgeschieden wurde, konnte er im Gebiet der pinholes eine direkte Verbindung zum Vorderseitenkontakt herstellen. In einem Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung wird der metallische Rückkontakt jedoch eleminiert, so daß ein Kurzschluß durch die pinholes vermieden wird. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist auch die getrennte n-leitende amorphe Siliziumschicht 20 eleminiert, wobei wiederum das Verfahren vereinfacht und Zeit und dazugehöriger Aufwand reduziert wird.
• Wie von dem Tanner-Patent gelehrt wird, kann mikrokristallines Silizium, wenn geeignet dotiert, mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit von 20 Ohm cm&supmin;¹ hergestellt werden. Wenn eine Schicht eines solchen Materials von zumindest 1.000 Angström Dicke in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, weist der Film ausreichend Leitfähigkeit auf, um als Stromsammelschicht für ein Niedrig-Pegelbauelement zu wirken, so daß der übliche metallische Film nicht erforderlich ist.
• Um die vorliegende Erfindung zu testen, werden eine Anzahl von Teststrukturen gemäß Figur 2 hergestellt. Auch Stücke für Kontrolltests werden hergestellt und getestet. Die Kontrollstücke haben eine Struktur ähnlich der von Figur 1 mit der Ausnahme, daß die Schicht 22 aus Aluminium gebildet wird. In den Teststrukturen gemäß Figur 2 hat die mikrokristalline Schicht 34 eine Dicke von ungefähr 3.000 Angström. Um die Abscheidezeit für ein solch dicke Siliziumschicht 34 zu reduzieren, wird ein RF-Leistungspegel von 100 Watt an Elektroden angelegt die Abmessungen von 14 x 15 Inch (1 Inch = 2,54 cm) aufweisen und ein Kammerdruck von 2 Torr (1 Torr = 133,6 Pa) verwendet. Das Abscheidegas ist eine Mischung aus Silan, Wasserstoff und 0,3 Volumen-Prozent Phosphin in Helium mit den relativen Volumenverhältnissen von 1:64:0,533. Die erhaltenen photovoltaischen Zellen werden bei einem Lichtpegel von 200 Lux getestet, welcher als typischer Niedriglichtpegel für einen Innenraum ausgewählt ist. Es wurde gefunden, daß ungefähr 90 Prozent der Teststrukturen gemäß Figur 2, von denen jedes eine Fläche von ungefähr 4 cm² besitzt, einen 5 Prozent erreichenden Wirkungsgrad besitzen. Nur ungefähr 70 Prozent der Kontrollbauelemente zeigten einen Wirkungsgrad, der 5 Prozent erreicht. Durch Eleminierung der Pinhole-Kurzschlüsse schafft die Struktur der vorliegenden Erfindung so eine bemerkenswerte Verbesserung des Wirkungsgrades und scheint daher kommerziell verwertbar zu sein.
• Wie anhand dieser beispielhaften Bauelemente gezeigt wurde, ist eine Strom sammelnde mikrokristalline Siliziumschicht mit einer Dicke von 3.000 Angström für einen 200 Lux Lichtpegel geeignet. Für höhere Lichtpegel sollte die Filmdicke proportional vergrößert werden. So sollte eine 6.000 Angström dicke Schicht für einen 400 Lux Lichtpegel geeignet sein. Die erhöhte Schichtdicke verbessert die Leitfähigkeit und reduziert den Spannungsabfall bei höheren Strompegeln. Zusammen mit der Schichtdicke steigen jedoch ebenfalls die Herstellungszeit und der Aufwand und schaffen in der Praxis eine obere Grenze für die Schichtdicke.
• Obwohl in der vorliegenden Erfindung eine mikrokristalline Schicht verwendet wurde, um sowohl das n-leitende Gebiet einer Siliziumschicht und die dazu gehörige Strom sammelnde Schicht zu ersetzen, ist es dennoch offensichtlich, daß eine mikrokristalline Schicht auch dazu verwendet werden kann, um ein p-leitendes Siliziumgebiet und die da zugehörige Strom sammelnde Elektrode zu ersetzen. Mikrokristallines Silizium ist aus mehreren Gründen insbesondere für diesen Zweck geeignet. Mikrokristallines Silizium ist wirkungsvoller dotiert, das heißt es zeigt eine höhere Leitfähigkeit bei einer gegebenen Dotierstoffkonzentration als amorphes Silizium. Solch eine hochdotierte Schicht ist außerdem transparenter gegenüber einfallendem Licht und wirkt daher gut als Fensterschicht. Daher wird durch die hohe Dotierung einer mikrokristallinen p-Schicht nicht nur deren Leitfähigkeit ausreichend verbessert, um als Stromsammelschicht zu dienen, sondern auch das Material zu einer besseren Fensterschicht gemacht.
• Zusätzlich zu den diskutierten besitzt die vorliegende Erfindung noch andere Vorteile. Verglichen mit Silizium ist der typische Aluminiumrückseitenkontakt weich. Bauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung sind daher rauher und haben eine weit geringere Chance, während des Herstellungsprozesses durch Kratzen beschädigt zu werden. Außerdem gibt es Anzeichen, daß sich der ohmsche Kontakt zwischen dem Aluminium und dem Silizium mit der Zeit verschlechtert, insbesondere wenn etwas Wasserdampf anwesend ist. Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung ebenfalls vermieden.
• Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Strukturen und Herstellungsverfahren erläutert und beschrieben wurde, so können doch verschiedene Änderungen und Modifizierungen in dem Rahmen der Erfindung vorgenommen werden, der durch die vorliegenden Ansprüche definiert wird.

Claims (7)

1. Photovoltaische Zelle, umfassend eine Dünnschicht-Silizium pin-Struktur mit einer Rückseite, einer Vorderseite und mit Strom sammelnden Rückseiten- und Vorderseitenelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der p- und n-Gebiete der genannten pin-Struktur eine dotierte mikrokristalline Siliziumschicht umfaßt oder aus dieser gebildet ist, die eine Dicke von mehr als 50 nm aufweist und die eine der genannten Strom sammelnden Elektroden bildet.

2. Photovoltaisches Bauelement mit

einer transparenten Vorderseitenelektrode, einer photovoltaischen Schicht aus amorphem Dünnschicht-Silizium auf der Vorderseitenelektrode und einer Rückseitenelektrode, bestehend aus einer Schicht aus mikrokristallinem Silizium, die eine Dicke von mehr als 50 nm hat und die direkt die photovoltaische Schicht kontaktiert.

3. Photovoltaisches Bauelement nach Anspruch 2, bei dem die mikrokristalline Schicht hochdotiert ist.

4. Photovoltaisches Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Rückseitenelektrode zumindest 100 nm dick ist.

5. Photovoltaisches Bauelement nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem die photovoltaische Schicht ein in direktem Kontakt mit der Vorderseitenelektrode stehendes p-dotiertes Gebiet und ein in direktem Kontakt mit der Rückseitenelektrode stehendes intrinsisches Gebiet umfaßt, und bei dem die mikrokristalline Schicht n-dotiert ist.

6. Photovoltaisches Bauelement nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem die photovoltaische Schicht ein in direktem Kontakt mit der Vorderseitenelektrode stehendes p-dotiertes Gebiet, ein intrinsisches Gebiet und ein in direktem Kontakt mit der Rückseitenelektrode stehendes n-dotiertes Gebiet umfaßt, wobei die mikrokristalline Schicht n-dotiert ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Bauelements nach Anspruch 2,

bei dem eine photovoltaische Siliziumdünnschichtstruktur durch Glimmentladung in Silan auf einem transparenten leitfähigen Substrat abgeschieden wird, wobei das Substrat die Strom sammelnde Vorderseitenelektrode bildet und die Strom sammelnde Rückseitenelektrode auf der Dünnschichtsiliziumstruktur abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom sammelnde Rückseitenelektrode in der Form von mikrokristallinem Silizium in einer Dicke von mehr als 50 nm durch Glimmentladung in Silan abgeschieden wird, ohne daß das Substrat nach der Abscheidung der photovoltaischen Dünnschichtsiliziumstruktur aus der Glimmentladungskammer entfernt wird.