DE3917936A1 - Lichtelektrisches element - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Lichtgeneratorelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges lichterzeugendes Element ist beispielsweise aus dem in Applied
Physics Letters, Vol. 28, No. 8 (15. April 1976, Seiten 437 bis 439) erschienenen Artikel
"Optical Second Harmonic Generation of Periodic Multilayer GaAs-Al0,3Ga0,7As
Structures" von J. P. van der Ziel et al. bekannt und ist in Fig. 9 schematisch
dargestellt. Fig. 9 ist ein Querschnitt einer GaAs-Solarzelle dargestellt.
Mit der Bezugszahl 1 ist ein N-leitendes GaAs-Substrat (im weiteren als N-leitendes Substrat bezeichnet) gekennzeichnet. Auf dem N-leitenden Substrat 1 ist mittels
eines chemischen metallorganischen Aufdampfungsverfahrens (Metal Organic
Chemical Vapor Deposition Method; MOCVD-Methode) eine N-leitende
AlGaAs-Puffer- bzw. Sperrschicht 2 (im weiteren als Pufferschicht bezeichnet)
aufgetragen, die alternativ auch mittels eines Molekularstrahl-Epitaxie-Verfahren
(Molecular Beam Epitaxy Method; MBE-Methode) aufgebracht sein kann. Auf
dieser Pufferschicht 2 ist eine N-leitende GaAs-Schicht 3 (im weiteren als N-leitende
Schicht bezeichnet) angeordnet. Eine P-leitende GaAs-Schicht (des weiteren
als P-leitende Schicht bezeichnet) ist auf der N-leitenden Schicht 3 vorhanden.
Eine P-leitende AlGaAs-Schicht 5 (im weiteren "Fensterschicht") ist auf der
P-leitenden Schicht 4 aufgetragen. Antireflexionsschichten 6 a und 6 b (AR-Schichten),
die entweder aus Si₃N₄ oder aus Ta₂O₅ bestehen, sind beispielsweise
mittels eines chemischen Aufdampfungsverfahrens (Chemical Vapor Deposition
Method: CVD-Methode) oder mittels eines Aufsprühverfahrens auf der Fensterschicht
5 aufgebracht. Durch ein Kontaktloch, das mittels eines Ätzverfahrens
hergestellt wird und durch die AR-Schicht 6 und durch die Fensterschicht 5 hindurchgeht,
ragt eine P-Seiten-Elektrode 7, die auf der P-leitenden Schicht 4 mittels
einer derartigen Aufdampfungs- oder Aufsprühmethode angebracht wurde.
Auf der entgegengesetzten Oberfläche des N-leitenden Substrats 1 ist eine N-Seiten-Elektrode
8 angeordnet.
Im folgenden wird die Arbeits- und Wirkungsweise beschrieben.
Ein auf eine Solarzelle auffallendes Licht erzeugt Lichtträgerwellen in der Fensterschicht
5, in der P-leitenden Schicht 4 und in der N-leitenden Schicht 3. Unter
diesen Lichtträgerwellen bewirken nur diejenigen Lichtträgerwellen, die eingedrungen
sind und den P/N-Übergang zwischen der P-leitenden Schicht 4 und der
N-leitenden Schicht 3 erreicht haben, einen Lichtstrom. Dabei hat der Lichtabsorptionskoeffizient
von Kristall eine Wellenlängenabhängigkeit, bei der mit
kürzerer Wellenlänge die Energie und der Lichtabsorptionskoeffizient zunehmen.
Infolgedessen werden die Lichtträgerwellen wahrscheinlich in den oberflächenbenachbarten
Bereichen angeregt und erzeugt. Der P/N-Übergang von Solarzellen
ist im effektiven Lichtabsorptionsweg angeordnet, wo die meisten Lichtträgerwellen
erzeugt werden. Die Pufferschicht 2 verhindert ein Eindringen der erzeugten
Lichtträgerwellen in Richtung des N-leitenden Substrats 1 mittels ihrer Potentialsperre
und wirkt als Rückseitenfeld (Back Surface Field, BSF), das diejenigen
Lichtträgerwellen in Richtung der P/N-Übergangsoberfläche reflektiert, die
die Pufferschicht 2 erreicht haben. Durch diesen BSF-Effekt ist die Rekombinationsgeschwindigkeit
der Lichtträgerwellen (Elektronen und Löcher bzw. Defektelektroden)
auf der rückwärtigen Oberfläche der Pufferschicht 2 vermindert, wodurch
sich eine Verringerung des entgegengesetzten Sättigungsstroms und eine
Erhöhung der Ruhe- bzw. Leerlauf-spannung ergibt. Diese Pufferschicht 2 ist an
einer Stelle angeordnet, die tiefer als der effektive Lichtabsorptionsweg ist, und
die Entfernung von dieser Pufferschicht 2 zu dem P/N-Übergang ist innerhalb der
Diffusionslänge der Lichtträgerwellen gehalten, um den BSF-Effekt zu verstärken.
Wenn aufgrund eines durch Bestrahlung erzeugten Kristalldefekts die Diffusionslänge
der Lichtträgerwellen unzureichend ist, können die Lichtträgerwellen die
Oberfläche des P/N-Übergangs nicht erreichen, selbst wenn die in Richtung des N-leitenden
Substrats 1 diffundierenden Lichtträgerwellen aufgrund des BSF-Effekts
der Pufferschicht 2 reflektiert werden. In diesem Fall kann der BSF-Effekt
der Pufferschicht 2 nicht effektiv ausgenutzt werden, was sich in einer Verringerung
des Reflexionsvermögens ausdrückt.
Wenn die Pufferschicht 2 nicht zu tief liegt zur Erzielung eines zufriedenstellenden
BSF-Effekts, um das Reflexionsvermögen zu erhöhen ohne Berücksichtigung
einer kleinen Verschlechterung der Diffusionslänge, wird der effektive Lichtabsorptionsweg
kürzer, wodurch eine ausreichende Lichtabsorption nicht erreicht
werden kann, was zu einer Verringerung des Lichtstroms führt. Dies führt ferner
zu einem reduzierten Anfangswirkungsgrad.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichterzeugungselement anzugeben,
das einen erhöhten Anfangswirkungsgrad und ein verbessertes Reflexionsvermögen
aufzeigt.
Diese Aufgabe wird bei einem Lichterzeugungselement der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1
gelöst. Eine Alternativlösung ist im Patentanspruch 14 angegeben.
Erfindungsgemäß ist zwischen einer Pufferschicht und einem Halbleitersubstrat
eine Lichtreflexionsschicht vorhanden oder es ist eine Lichtreflexionsschicht,
die als eine Pufferschicht wirkt, zwischen einer photoelektrischen Konversions-
bzw. Umwandlungsschicht und einem Halbleitersubstrat angeordnet.
Selbst wenn die Diffusionslänge der Lichtträgerwellen aufgrund von Bestrahlung
reduziert ist, ist das Sammelvermögen der Lichtträgerquellen und die Lichtabsorptionsmenge
an der photoelektrischen Umwandlungsschicht nicht gedämpft.
Dies führt zu einem verbesserten Reflexionsvermögen und einem erhöhten Anfangswirkungsgrad.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
mehrerer Ausführungsbeispiele und der Zeichnung, auf die Bezug genommen
wird. Es zeigt
Fig. 1 den Querschnitt einer GaAs-Solarzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2(a) den Querschnitt einer GaAs-Solarzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2(b) eine Teilvergrößerung des in Fig. 2(a) strichpunktiert umkreisten Bereichs;
Fig. 3 den Querschnitt einer GaAs-Solarzelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 ein Energiebandlücken-Diagramm des Ausführungsbeispiels gemäß
Fig. 1;
Fig. 5 ein Energiebandlücken-Diagramm gemäß des Ausführungsbeispiels
von Fig. 3;
Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Reflexion an einer Trennschichtoberfläche;
Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Reflexion an einer Einzelschicht;
Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Reflexion an einer Mehrlagenschicht; und
Fig. 9 den Querschnitt eines bekannten Lichtgenerators.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird das erste Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
In Fig. 1 bezeichnen die mit Fig. 9 gleichen Bezugszahlen die gleichen Elemente.
Mit der Bezugszahl 9 ist eine Lichtreflexionsschicht gekennzeichnet, die auf dem
N-leitenden Substrat 1 ausgebildet ist.
Im folgenden wird der Herstellungsprozeß beschrieben.
Zuerst wird die Lichtreflexionsschicht 9 mittels des MOCVD-Verfahrens, des
MBE-Verfahrens oder eines Dampfphasenepitaxie-Verfahrens (Vapor Phase Epitaxy,
VPE) auf dem N-leitenden GaAs-Substrat 1 ausgebildet. Die Lichtreflexionsschicht
9 kann aus einem Al x Ga1-x As-System, einem GaAs y P1-y -System oder
einem In x Ga1-x As-System bestehen. Auf der Lichtreflexionsschicht 9 wird eine
aus einem N-leitenden AlGaAs bestehende Pufferschicht 2 mit einer Schichtstärke von etwa 0,1 μm mittels des MOCVD-Verfahrens oder MBE-Verfahrens aufgetragen.
Anschließend wird auf der Pufferschicht 2 eine N-leitende GaAs-Schicht
3, die eine Dotierungsdichte von etwa 2×10¹⁷ cm-3 aufweist, mit einer Schichtstärke
von etwa 1,5 bis 2,5 μm aufgetragen. Eine P-leitende GaAs-Schicht 4 mit einer
Dotierungsdichte von etwa 5×10¹⁸ cm-3 wird auf der N-leitenden Schicht 3
mit einer Schichtstärke von etwa 0,3 bis 0,5 μm aufgetragen und darauf wird eine
P-leitende Al x Ga1-x As-Schicht (x=0,85) mit einer Schichtstärke von etwa 500 Å
als Fensterschicht 5 aufgetragen. Darauffolgend wird eine Antireflexionsschicht
6, die aus Si₃N₄ oder Ta₂O₅ mit einem Brechungsindex von 1,9 bis 2,0, auf der Fensterschicht
5 mit einer Stärke von 700 bis 750 Å mittels eines chemischen Aufdampfungsverfahrens
(Chemical Vapor Deposition, CVD) oder eines Aufsprühverfahrens
hergestellt. Als nächstes wird mittels eines Ätzverfahrens ein Kontaktloch
in der AR-Schicht 6 und in der Fensterschicht 5 erzeugt. In diesem Kontaktloch
wird auf der P-leitenden Schicht 4 eine P-Seite-Elektrode 7 und auf der
rückwärtigen Oberfläche des N-leitenden Substrats 1 eine N-Seite-Elektrode 8 jeweils
mit einem derartigen Aufdampfungs- oder Aufsprühverfahren hergestellt.
Die Pufferschicht 2 ist in der Nähe der Oberfläche des P/N-Übergangs angeordnet,
um einen ausreichenden BSF-Effekt zu erzielen, selbst wenn die Diffusionslänge
aufgrund von Bestrahlung ein wenig verschlechtert ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Pufferschicht 2 an einer Stelle angeordnet, die etwa der halben
Länge des effektiven Lichtabsorptionsweges von der Oberfläche des Elements entspricht
(etwa 2 bis 3 μm von der Oberfläche). Die Schichtdicke der Fensterschicht
5 ist auf etwa 500 Å oder weniger festgesetzt, um Lichtabsorption zu verhindern.
Im folgenden wird die Wirkungsweise beschrieben.
In Fig. 4 ist ein Energiebanddiagramm dargestellt zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Solarzelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In der Fig. 4 werden
die mit Fig. 1 gleichen Bezugszeichen für mit dieser Fig. 1 gleichen Elemente verwendet.
Das Bezugszeichen 13 kennzeichnet Elektronen, während das Bezugszeichen
14 Löcher bzw. Defektelektronen kennzeichnet. Die in der P-leitenden
Schicht 4 erzeugten Elektronen 13 bewegen sich in Richtung der N-leitenden
Schicht 3, die für Elektronen 13 energetisch stabil ist, während die in der N-leitenden
Schicht 3 erzeugten Defektelektronen 14 sich in Richtung der P-leitenden
Schicht 4 bewegen, die für Defektelektronen 14 energetisch stabil ist, und zwar jeweils
aufgrund von Thermodiffusion. Auf diese Weise erreichen Elektronen und
Defektelektronen den P/N-Übergang, wodurch an der Verarmungs- bzw. Sperrschicht
ein Strom erzeugt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird, da die Pufferschicht
2 an einer Stelle angeordnet ist, die der halben Länge des effektiven
Lichtabsorptionsweges von der Oberfläche des Elements entspricht, und die
Lichtreflexionsschicht 9 unter der Pufferschicht 2 angeordnet ist, Licht im Langwellenbereich,
das einen geringen Lichtabsorptionskoeffizient aufweist, zur Pufferschicht
2 übertragen, ohne daß Lichtträgerwellen in der photoelektrischen
Konversions- bzw. Umwandlungsschicht erzeugt werden, die die P-leitende
Schicht 4 und die N-leitende Schicht 3 enthält. Dieses Licht wird von der Lichtreflexionsschicht
9 wieder in die photoelektrische Umwandlungsschicht reflektiert,
und das Licht durchdringt wiederum die halbe Länge der effektiven Lichtabsorptionsweges, um wieder an die Oberfläche des Elements zu gelangen. Dadurch
durchdringt aufgestrahltes Licht eine Distanz, die gleich dem effektiven Lichtabsorptionsweg
ist, da es von der Lichtreflexionsschicht 9 reflektiert wird, bevor es
die Oberfläche des Elements wieder erreicht. Das bedeutet, daß nahezu die gleiche
Menge von Lichtträgerwellen in der photoelektrischen Umwandlungsschicht erzeugt
werden können, wie wenn die Pufferschicht 2 in einer tieferen Position als
der effektive Lichtabsorptionsweg angeordnet wäre. Die Fensterschicht 5 verhindert
an der Oberfläche des Elements das Rekombinieren und den Verlust von Defektelektronen
und Elektronen.
Mit einer derartigen Anordnung kann Licht im Langwellenbereich, das an einer
tiefen Stelle unterhalb der Oberfläche des Elements aufgrund des geringen Lichtabsorptionskoeffizienten
gemäß bekannter Vorrichtungen Lichtträgerwellen
erzeugt hat, in der photoelektrischen Umwandlungsschicht effektiv gesammelt
werden. Des weiteren können Lichtträgerwellen, da die Pufferschicht 2 mit dem
BSF-Effekt näher an der Oberfläche des P/N-Übergangs in bekannten Vorrichtungen
angeordnet ist, in ausreichender Menge die Oberfläche des P/N-Übergangs
erreichen, selbst wenn die Diffusionslänge bzw. Eindringtiefe der Lichtträgerwellen
durch Bestrahlung verschlechtert ist.
Im folgenden wird der Herstellungsprozeß der Lichtreflexionsschicht 9 beschrieben.
Wie oben aufgeführt, hat der Lichtabsorptionskoeffizient eine derartige Wellenlängenabhängigkeit,
daß er sich mit größer werdender Wellenlänge verringert.
Das bedeutet, daß Licht mit größerer Wellenlänge leichter übertragen wird. Daher
wird die Lichtreflexionsschicht 9 bevorzugt so ausgebildet, daß sie effektiv Licht
mit längerer Wellenlänge reflektiert, das einen geringen Absorptionskoeffizienten
aufweist.
Im folgenden wird der Reflexionsgrad bzw. das Reflexionsvermögen von einem
dünnen Film bzw. einer dünnen Schicht detailliert beschrieben.
Der Reflexionsgrad einer dünnen Schicht kann mit der folgenden Formel ausgedrückt
werden. Aus Vereinfachungsgründen wird angenommen, daß keine Lichtabsorption
durch ein Medium oder durch die dünne Schicht vorhanden ist und
daß das Licht nur vertikal aufgestrahlt wird.
- 1. Reflexion an der Trennschicht ("1"→"2"):
im in Fig. 6 dargestellten Fall und unter der Annahme, daß der Brechungsindex der "0"-Schicht n₀ und derjenige der "1"-Schicht n₁ ist, gilt Amplitudenreflexionsgrad: Amplitudendurchlässigkeit: und folglichEnergiereflexionsgrad: Energieübertragungsvermögen: - 2. Reflexion durch eine dünne Einzelschicht:
Gemäß Fig. 7 und unter der Annahme, daß der Brechungsindex der "0"-Schicht n₀, derjenige der "1"-Schicht n₁ und derjenige der "2"-Schicht n₂ ist.- i) "0"-Schicht→"1"-Schicht Amplitudenreflexionsgrad: Amplitudenübertragungsvermögen:
- ii) "1"-Schicht→"2"-Schicht Amplitudenreflexionsgrad: Amplitudenübertragungsvermögen:
- Angenommen der Vektor des elektrischen Feldes in Richtung von der "0"-Schicht zur "1"-Schicht in der "0"-Schicht ist E₀⁺ und derjenige an der "1"-Schicht reflektierte in der "0"-Schicht ist E₀-, und d₁: Schichtdicke der Einzelschicht. Dies ist eine grundlegende Formel zur Berechnung des Reflexionsgrads von Mehrlagenschichten. Daraus ergibt sich,Amplitudenreflexionsgrad: Energiereflexionsgrad:
- Unter der Annahme, daß die Einzelschicht 1 mit einer Stärke hergestellt ist, die ¼ der Wellenlänge entspricht und wobei das Produkt n₁·d₁ von Brechungsindex n₁ und Schichtdicke d₁ einem Viertel der Wellenlänge des reflektierten Lichts entspricht, gilt
- 3. Reflexion an mehrlagigen Schichten:
Mit Bezug auf Fig. 8, und folglich, Falls p=2 (zweilagige Schicht), Unter der Annahme, daß die "1"-Schicht und die "2"-Schicht die Stärke von ¼ der Wellenlänge aufweisen, mitA₁ = n₁², A₂ = n₂B₁ = n₀n₂²,B₁ = n₀n₂, B₂ = A₁n₃ = n₁²n₃Daraus ergibt sich:Energiereflexionsgrad und mit n₀ = n₃:
Wie oben beschrieben, kann, wenn die Lichtreflexionsschicht 9 mit ¼ der Wellenlänge ( λ/4) hergestellt ist, wobei das Produkt n RL ·d RL des Brechungsindex
n RL mit der Schichtdicke d RL gleich einem Viertel der Wellenlänge des zu reflektierenden
Lichtes ist, mit größer werdendem Verhältnis (d. h. die Differenz zwischen)
von n₂ und n₁ R von Formel (2) sich dem Wert als Ziffer 1 annähern. Das
heißt, je höher das Verhältnis (die Differenz zwischen) des Brechungsindex n RL
der Lichtreflexionsschicht 9 zum Brechungsindex der Pufferschicht 2 und je größer
die Verhältnisse (die Differenzen zwischen) der Brechungsindizes des N-leitenden
Substrats 1 oder der N-leitenden Schicht 3 zur Lichtreflexionsschicht 9
sind, um so größer ist der Reflexionsgrad, wodurch sich ein höherer Lichtstrom
ergibt.
Im oben dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist die Pufferschicht 2 an einer
Position angeordnet, die etwa der halben Distanz des effektiven Lichtabsorptionsweges
von der Oberfläche des Elements entspricht, und die Lichtreflexionsschicht
9 ist unterhalb der Pufferschicht 2 angeordnet. Es können daher Lichtträgerwellen,
die aufgrund der von der Bestrahlung reduzierten Diffusionslänge
nicht die Oberfläche des P/N-Übergangs erreichen können, und diejenigen Lichtträgerwellen,
die aufgrund des Lichts mit großer Wellenlänge, das durch die Pufferschicht
2 herkömmlicher Vorrichtungen übertragen wird, erzeugt werden, in
ausreichender Weise gesammelt werden, wodurch sich ein verbessertes Lichterzeugungselement
mit einem verbesserten Rückstrahlvermögen und einem erhöhten
Anfangswirkungsgrad ergibt.
In Fig. 2(a) ist der Querschnitt einer GaAs-Solarzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
und in Fig. 2(b) eine Teilvergrößerung des in Fig. 2(a) mit einer
strichpunktierten Linie umkreisten Bereichs dargestellt. In diesen Figuren geben
die mit Fig. 1 gleichen Bezugszahlen auch die gleichen Elemente an. Als Lichtreflexionsschicht
9 wird eine Übergitter-Schicht verwendet, die erhalten wird
durch Laminieren von ersten Reflexionsschichten 10 a bis 10 d im Wechsel mit
zweiten Reflexionsschichten 11 a bis 11 d. Die ersten Reflexionsschichten 10 a bis
10 d bestehen aus Al x Ga1-x As(x=0,6) mit einer Schichtstärke von 100 Å und die
zweiten Reflexionsschichten 11 a bis 11 d bestehen aus GaAs ebenfalls mit 100 Å
Schichtdicke. Diese Schichten werden alternierend etwa 20mal aufgetragen.
Die Berechnung des Reflexionsgrads dieser Lichtreflexionsschichten 9 aus einer
Übergitter-Schicht wird im folgenden beschrieben. Der Brechungsindex der ersten
Reflexionsschichten 10 a bis 10 b ist n A und derjenige der zweiten Reflexionsschicht
11 a bis 11 d ist n B . Ferner sei angenommen, daß diese Reflexionsschichten
jeweils mit einer Stärke von einem ¼ der Wellenlänge (n A d A =n B d B =λ/4)
hergestellt ist. Daraus folgt
n₁ = n₃ = . . . . . . . . . = n₂ p - 1 = n A
n₂ = n₄ = . . . . . . . . . = n₂ p = n B
n₂ = n₄ = . . . . . . . . . = n₂ p = n B
r₂ = r₄ = . . . . . . . . . = r₂ p
r₃ = r₅ = . . . . . . . . . = r₂ p - 1
r₃ = r₅ = . . . . . . . . . = r₂ p - 1
und anschließend
mit
A₂ p = n₂ p B₂ p - 1
= n₂ p n₂ p A₂ p - 2
= n₂ p ²n₂ p - 2 B₂ p - 3 . . .
= n₂ p ² . . . n₄²n₂²n₀
= n₂ p n₂ p A₂ p - 2
= n₂ p ²n₂ p - 2 B₂ p - 3 . . .
= n₂ p ² . . . n₄²n₂²n₀
B₂ p = A₂ p - 1 n₂ p + 1
= B₂ p - 2 n₂ p - 1 n₂ p + 1
= A₂ p - 3 n²₂ p - 1 n₂ p + 1 . . .
= n₁²n₃² . . . n²₂ p - 1 n₂ p + 1
= B₂ p - 2 n₂ p - 1 n₂ p + 1
= A₂ p - 3 n²₂ p - 1 n₂ p + 1 . . .
= n₁²n₃² . . . n²₂ p - 1 n₂ p + 1
und demgemäß
A₂ p = n₀(n A )² p
B₂ p = (n B )² p n₂ p + 1
B₂ p = (n B )² p n₂ p + 1
mit dem Amplitudenreflexionsgrad
und dem
Energiereflexionsgrad
Energiereflexionsgrad
R 0,2p + 1 = |r 0,2p + 1|²
Dabei ist, falls n₀=n₂ p + 1
und demgemäß
Wenn die Übergitter-Schicht (Lichtreflexionsschicht 9) mit einer Stärke von ¼
der Wellenlänge hergestellt ist, ergibt sich aus Formel (3), mit größer werdendem
Verhältnis (Differenz zwischen) von n A und n B und mit steigender Schichtanzahl
(p), daß sich der Energiereflexionsgrad R 0,2p + 1 der Übergitter-Schicht dem Wert
1 annähert. Das heißt, je größer das Verhältnis (die Differenz zwischen) des Brechungsindex
n RL ₁ der ersten Reflexionsschichten 10 a bis 10 d zum Brechungsindex
n RL ₂ der zweiten Reflexionsschichten 11 a bis 11 d und je größer die Verhältnisse
(die Differenzen) der Brechungsindizes des N-leitenden Substrats 1 oder der
N-leitenden Schicht 3 zur Lichtreflexionsschicht 9 sind und des weiteren die Anzahl
der Übergitter-Schichten steigt, um so höher ist der Reflexionsfaktor, was
sich in einem Anstieg des Lichtstroms zeigt.
Im oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu den Effekten
des ersten Ausführungsbeispiels der Reflexionsgrad der Lichtreflexionsschicht
9 erhöht und dadurch das Sammlungsvermögen der Lichtträgerwellen erhöht.
In Fig. 3 ist der Querschnitt einer GaAs-Solarzelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
dargestellt.
Fig. 5 zeigt ein Energieband-Diagramm der Vorrichtung gemäß Fig. 3. In diesen
Figuren bezeichnen wiederum die mit Fig. 1 gleichen Bezugszahlen mit dieser
Fig. 1 gleiche Elemente. Mit der Bezugsziffer 12 ist eine Lichtreflexionsschicht gekennzeichnet,
die ebenfalls den BSF-Effekt aufweist und sowohl als Pufferschicht
mit BSF-Effekt und auch als Lichtreflexionsschicht wirkt.
Wenn das Material der Lichtreflexionsschicht 9 derart ausgewählt ist, daß die
Energiebandlücke der Lichtreflexionsschicht 9 größer ist als diejenige der N-leitenden
Schicht 3, kann die Lichtreflexionsschicht 9 wie die Pufferschicht 2 wirken. Für die Herstellung der Lichtreflexionsschicht 12 mit BSF-Effekt, die sowohl
als Lichtreflexionsschicht als auch als Pufferschicht wirkt, hat sich
Al x Ga1-x As und GaAs y P1-y -Schichtmaterial unter denjenigen der oben beschriebenen
ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiele als geeignet erwiesen.
Angenommen diese Lichtreflexionsschicht 12 mit BSF-Effekt ist hergestellt mit
einer Stärke von ¼ der Wellenlänge, dann kann der Reflexionsgrad der Lichtreflexionsschicht
12 aus der Formel (1) erhalten werden, die den Reflexionsgrad
für eine Einzelschicht angibt. Je größer die Differenz zwischen (das Verhältnis
von) dem Produkt n₀·n₂ und n₁ ist, d. h., die Differenz zwischen (das Verhältnis
von) dem Produkt des Brechungsindex der N-leitenden Schicht 3 und des N-leitenden
Substrats 1 und dem Brechungsindex der Lichtreflexionsschicht 12 mit BSF-Effekt
ist, je größer ist der Reflexionsgrad, der zu einem erhöhten Lichtstrom
führt.
Mit diesem dritten Ausführungsbeispiel wird ein Lichtgeneratorelement erhalten,
das ein verbessertes Reflexionsvermögen und einen erhöhten Anfangswirkungsgrad
aufzeigt, die gleich dem des ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiels
sind.
Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung ergibt, ist in einem erfindungsgemäßen
Lichterzeugungselement eine Lichtreflexionsschicht mit einer Halbleiterschicht
zwischen dem Halbleitersubstrat und der Pufferschicht angeordnet.
Diese Lichtreflexionsschicht weist eine größere Energiebandlücke auf als die
photoelektrische Umwandlungsschicht. Oder es ist zwischen dem Halbleitersubstrat
und der photoelektrischen Umwandlungsschicht eine Lichtreflexionsschicht
vorhanden, die einen BSF-Effekt aufweist. Dadurch kann die absorbierte
Lichtmenge in der photoelektrischen Umwandlungsschicht erhöht und das
Reflexionsvermögen und der Anfangswirkungsgrad verbessert werden.
Claims (23)
1. Lichtgeneratorelement mit:
- - einem Halbleitersubstrat des zweiten Leitfähigkeitstyps;
- - einer photoelektrischen Konversionsschicht, die Halbleiterschichten (3, 4) mit einem P/N-Übergang enthält und auf dem Halbleitersubstrat (1) des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist;
- - einer Pufferschicht (2), die eine Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps enthält und deren Energiebandlücke größer ist als die der photoelektrischen Konversionsschicht; wobei dieses Element das von der photoelektrischen Konversionsschicht absorbierte Licht als äußeren Strom abgibt,
gekennzeichnet
durch eine Lichtreflexionsschicht (9), die eine Halbleiterschicht enthält und zwischen
dem Halbleitersubstrat (1) des zweiten Leitfähigkeitstyps und der Pufferschicht
(2) angeordnet ist.
2. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Halbleitersubstrat (1) eine N-leitende GaAs-Schicht, die photoelektrische
Konversionsschicht eine P-leitende GaAs-Schicht (4) und eine N-leitende GaAs-Schicht
(3) und die Pufferschicht (2) eine N-leitende AlGaAs-Schicht umfassen,
und daß die Lichtreflexionsschicht (9) ein Material der Reihe Al x Ga1-x As,
GaAs y P1-y oder In x Ga1-x As enthält.
3. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lichtreflexionsschicht (9) ein Übergitter aufweist, das durch alternierendes Laminieren
von ersten (10 a bis 10 d) und zweiten Reflexionsschichten (11 a bis 11 d)
hergestellt ist, welche Schichten jeweils unterschiedliche Reflexionsgrade aufweisen.
4. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
ersten Reflexionsschichten (10 a bis 10 d) ein Material der Reihe Al x Ga1-x As und
die zweiten Reflexionsschichten (11 a bis 11 d) GaAs-Material enthalten.
5. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lichtreflexionsschicht (9) eine Schichtstärke von einem Viertel der Wellenlänge
aufweist, worin das Produkt des Brechungsindex mit der Schichtstärke gleich einem
Viertel der Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes ist.
6. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
ersten (10 a bis 10 d) und zweiten Reflexionsschichten (11 a bis 11 d) eine Schichtstärke
von einem Viertel der Wellenlänge aufweisen, in welchem das Produkt des
Brechungsindex mit der Schichtstärke gleich dem Viertel der Wellenlänge des zu
reflektierenden Lichtes ist.
7. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Pufferschicht (2) an einer Position angeordnet ist, die etwa der halben Länge des
effektiven Lichtabsorptionsweges von der Oberfläche des Elements entspricht.
8. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lichtreflexionsschicht (9) mittels eines chemischen, metallorganischen Aufdampfungsverfahrens
(Metal Organic Chemical Vapor Deposition Method;
MOCVD-Methode) hergestellt ist.
9. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lichtreflexionsschicht (9) mittels eines Molekularstrahl-Epitaxie-Verfahrens
(Molecular Beam Epitaxy Method; MBE-Methode) hergestellt ist.
10. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lichtreflexionsschicht (9) mittels eines Dampfphasen-Epitaxie-Verfahrens (Vapor
Phase Epitaxy Method; VPE-Methode) hergestellt ist.
11. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Pufferschicht (2) mittels des MOCVD-Verfahrens hergestellt ist.
12. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Pufferschicht (2) mittels des MBE-Verfahrens hergestellt ist.
13. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Fensterschicht
(5), die aus einem P-leitenden Material der Reihe Al x Ga1-x As auf der
photoelektrischen Umwandlungsschicht (3, 4) aufgetragen ist, und durch Antireflexionsschichten
(AR-Schichten, 6 a, 6 b), die auf der Fensterschicht (5) aufgetragen
sind und Si3N4- oder Ta2O5-Material enthalten.
14. Lichtgeneratorelement mit:
- - einem Halbleitersubstrat (1) des zweiten Leitfähigkeitstyps;
- - einer photoelektrischen Konversionsschicht, die Halbleiterschichten (3, 4) mit einem P/N-Übergang enthält und auf dem Halbleitersubstrat (1) des zweiten Leitfähigkeitstyps aufgetragen ist; wobei dieses Element das von der photoelektrischen Konversionsschicht absorbierte Licht als äußeren Strom abgibt,
gekennzeichnet
durch eine Lichtreflexionsschicht (12), die eine Halbleiterschicht mit einer
größeren Energiebandlücke als die der photoelektrischen Konversionsschicht
umfaßt und zwischen der photoelektrischen Konversionsschicht und
dem Halbleitersubstrat (1) des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist.
15. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleitersubstrat (1) eine N-leitende GaAs-Schicht, die photoelektrische
Konversionsschicht eine P-leitende GaAs-Schicht und eine N-leitende GaAs-Schicht
enthalten, und daß die Lichtreflexionsschicht (12) aus einem Material
der Reihe Al x Ga1-x As oder GaAs y P1-y besteht.
16. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtreflexionsschicht (12) eine Schichtstärke von einem Viertel der Wellenlänge
aufweist, in dem das Produkt des Brechungsindex mit der Schichtdicke
gleich einem Viertel der Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes ist.
17. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtreflexionsschicht (12) an einer Position angeordnet ist, die etwa der halben
Länge des effektiven Lichtabsorptionsweges von der Oberfläche des Elements
entspricht.
18. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtreflexionsschicht (12) mittels des MOCVD-Verfahrens hergestellt ist.
19. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtreflexionsschicht (12) mittels des MDE-Verfahrens hergestellt ist.
20. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtreflexionsschicht (12) mittels des VPE-Verfahrens hergestellt ist.
21. Lichtgeneratorelement nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Fensterschicht
(5), die ein P-leitendes Material der Serie Al x Ga1-x As enthält und auf
der photoelektrischen Konversionsschicht ausgebildet ist, und durch
Antireflexionsschichten (6 a, b), die auf der Fensterschicht (5) ausgebildet sind
und aus Si3N4 oder Ta2O5 bestehen.
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