DE4004559A1 - Photovoltaisches halbleiterelement - Google Patents

Photovoltaisches halbleiterelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Halbleiterelement mit Tandemstruktur. Bei einem solchen Element ist eine Puffer­ schicht zwischen zwei unterschiedliche Arten von aufeinanderge­ schichteten Solarzellen eingefügt.
Fig. 1 zeigt ein photovoltaisches Tandemelement mit einer GaAs- Solarzelle, die auf eine Si-Solarzelle geschichtet ist, um ein­ fallendes Licht besser zu nutzen, als dies nur beim Verwenden jeweils einer der Zellen für sich möglich ist. Der Aufbau gemäß Fig. 1 gilt für ein bekanntes wie auch für ein erfindungsgemäßes Element. Unterschiede liegen im Material, das für die Puffer­ schicht verwendet wird.
Zunächst wird die Schichtfolge beschrieben, wie sie bei einem herkömmlichen Tandemelement verwendet wird. Eine Si-Solarzelle (untere Solarzelle) 10 ist auf einem N-Typ Si-Substrat 11 von etwa 100-200 µm Dicke und einer P-Typ Si-Schicht 12 von weni­ ger als 1 µm Dicke gebildet. Von der Si-Solarzelle 10 wird Licht im Wellenlängenbereich von 0,4-1,1 µm absorbiert. Auf dieser Solarzelle ist eine GaAs-Solarzelle (obere Solarzelle) 20 aus einer N-Typ GaAs-Schicht 21 von etwa 2 µm Dicke und einer P-Type GaAs-Schicht 22 von etwa 1 µm Dicke ausgebildet. Von dieser GaAs-Solarzelle 20 wird Licht im Wellenlängenbereich von etwa 0,4-0,9 µm absorbiert. Zwischen der oberen Solarzelle 20 und der unteren Solarzelle 10 besteht eine Pufferschicht 50 mit einer Dicke unter einigen 100 Angström (1 Angström = 0,1 nm). Diese Schicht dient zur Gitteranpassung. Sie weist einen Tunnel­ übergangsbereich 53 zwischen einer P⁺-Typ Ge-Schicht 51 mit hoher Verunreinigungskonzentration und einer N⁺-Typ Ge-Schicht 52 auf.
Auf der Rückseite des Siliziumsubstrates 11 vom N-Typ ist eine N-seitige Ohmsche Elektrode 1 ausgebildet. Eine P-seitige Ohm­ sche Elektrode 2 ist bereichsweise auf der Oberfläche der P-Typ GaAs-Schicht 22 ausgebildet. Diese Schicht trägt außerdem einen Antireflexionsfilm 40 aus Siliziumnitrid, mit einer Dicke von 600-700 Angström.
Das gesamte Tandemelement 200 besteht somit aus der unteren N-seitigen Elektrode 1, der unteren Solarzelle 10, der Puffer­ schicht 50, der oberen Solarzelle 20 und dem Antireflexionsfilm 40 mit eingelagerten P-seitigen Elektroden 2.
Dieses Element arbeitet wie folgt.
Wenn Sonnenlicht, also elektromagnetische Strahlung im Wellen­ längenbereich von 0,4-2 µm auf das Tandemelement fällt, wird der relativ kurzwellige Anteil von 0,4- etwa 0,9 µm von der oberen GaAs-Solarzelle 20 konvertiert, während der dann noch vorhandene Lichtanteil von der unteren Si-Solarzelle 10 konver­ tiert wird. Die in den beiden Solarzellen 10 und 20 erzeugten Ladungsträger fließen über die Elektroden 1 und 2 und durch die dünne Pufferschicht 30.
Beim bekannten Tandemelement, wo die Pufferschicht 30 aus Ger­ manium besteht, absorbiert diese Schicht Licht, das von der un­ teren Solarzelle 10 konvertiert werden soll. Dadurch leidet der Gesamtwirkungsgrad.
Wird ohne eine solche Pufferschicht gearbeitet, wird also die untere Halbleiterschicht für die obere Solarzelle direkt auf die Oberfläche der oberen Schicht der unteren Solarzelle aufgewach­ sen, entstehen aufgrund von Gitterfehlanpassung Fehlstellen, die die Beweglichkeit von Ladungsträgern behindern, wodurch der Wir­ kungsgrad leidet. Dieser Mangel wird durch die gitteranpassende Pufferschicht 30 aus Germanium behoben, die eine ähnliche Git­ terkonstante aufweist wie GaAs. Dadurch wird die Kristallinität der GaAs-Schicht 21 verbessert. Um den elektrischen Übergang zwischen der oberen GaAs-Solarzelle 20 und der unteren Si-Solar­ zelle 10 zu verbessern, ist die Pufferschicht 50 als Doppel­ schicht aus den beiden genannten Ge-Schichten 31 und 32 ausge­ bildet, die aufgrund ihres entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit jeweils hoher Verunreinigungskonzentration einen Tunnelüber­ gang (Hochkonzentrations-PN-Übergang) innerhalb der Puffer­ schicht 30 bilden.
Die Bandlücke von Ge ist enger als die von Si, nämlich nur 0,66 eV statt 1.11 eV. Dies hat zur Folge, daß Licht, das eigentlich von der Si-Solarzelle konvertiert werden sollte, be­ reits in der Ge-Pufferschicht 30 teilweise absorbiert wird. Kon­ version findet demgemäß bereits in der Ge-Schicht statt, die allerdings einen geringen Konversionswirkungsgrad aufweist. Dies erniedrigt den Wirkungsgrad der Gesamtanordnung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein photovoltaisches Tandemelement mit guter Kristallinität der oberen Solarzelle und mit hohem Wirkungsgrad anzugeben.
Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß die Pufferschicht aus einem Halb­ leitermaterial besteht, das eine größere Bandlücke aufweist als das Halbleitermaterial der oberen Solarzelle. Materialien, die für praktische Anwendungen geeignet sind, sind inbesondere ZnSe oder Al x Ga1-x As.
Diese Wahl des Materials der Pufferschicht ist auch bei einem Mehrfachtandemelement von Vorteil, d. h. bei einem Element, bei dem mehrere Solarzellen übereinandergeschichtet sind. Das Mate­ rial jeder Pufferschicht weist dann eine größere Bandlücke auf als das Material der jeweils darüberliegenden Solarzelle.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher veran­ schaulicht. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein photo­ voltaisches Tandemelement mit einer Pufferschicht, wobei bei be­ kannten Elementen die Pufferschicht aus einem Material besteht, das eine kleinere Bandlücke aufweist als das Material der oberen Solarzelle, während beim erfindungsgemäßen Element das Material der Pufferschicht eine größere Bandlücke aufweist;
Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend dem von Fig. 1, jedoch durch ein Element, das zusätzlich eine Dämpferschicht auf seiner Oberfläche aufweist:
Fig. 3 ein Querschnitt entsprechend dem von Fig. 1, jedoch durch ein Tandemelement mit einer vielschichtigen oberen Solarzelle;
Fig. 4 einen Querschnitt entsprechend dem von Fig. 1, jedoch durch ein Element mit vier jeweils mit zwischenliegenden Pufferschichten übereinandergeschichteten Solarzellen; und
Fig. 5 einen Querschnitt entsprechend dem von Fig. 1, jedoch durch ein Element mit drei jeweils mit zwischenliegenden Pufferschichten übereinandergeschichteten Solarzellen.
Die Wirkung der verschiedenen Schichten des Aufbaus gemäß Fig. 1 wurde bereits erläutert. Es wird daher im folgenden nur noch auf Materialien eines ersten Ausführungsbeispiels eingegangen. Beim ersten Ausführungsbeispiel weist das N-Typ Si-Substrat 11 einen Widerstandswert von 2 Ohm cm, eine Dicke von 200 µm und einen Durchmesser von 3 Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) auf. Die P-Typ Si- Schicht 12 ist als Diffusionsschicht mit einer Dicke von 0,15-0,3 µm ausgebildet. Die Pufferschicht 50 besteht aus ZnSe mit einer Bandlücke von 2,67 eV gegenüber 1,43 eV von GaAs. Die Puf­ ferschicht 50 besteht aus einer unteren P⁺-Typ ZnSe-Schicht 51 und einer oberen N⁺-Typ ZnSe-Schicht 52, die einen Tunnelüber­ gangsbereich 55 zwischen sich einschließen. Die N-Typ GaAs- Schicht 21 der oberen Solarzelle 20 ist etwa 1,5-3 µm dick, während die P-Typ GaAs-Schicht 22 eine Dicke von etwa 0,5 µm aufweist. Die Ausbildung der Elektroden 1 und 2 und des Anti­ reflexionsfilms 40 entspricht der eingangs erläuterten Ausbil­ dung.
Wenn auf diese Solarzelle Sonnenlicht fällt, wird das von der oberen Solarzelle 20 nicht absorbierte Licht voll von der ZnSe- Pufferschicht 50 durchgelassen und dann durch den PN-Übergang konvertiert, der durch das N-Typ Si-Substrat 11 und die P-Typ Si-Schicht 12 gebildet ist. Ladungsträger, die von den Solarzel­ len 20 und 10 erzeugt werden, werden in bekannter Weise über die Elektroden 1 und 2 als Strom abgegriffen, der auch über die ZnSe-Schicht 50 fließt.
Im folgenden wird die Herstellung dieses Elementes beschrieben. Zunächst wird die Oberfläche eines Si-Wafers mit einer gemisch­ ten Säure (Schwefelsäure und Königswasser) vorbearbeitet. Dann wird die P-Typ Si-Diffusionsschicht 12 durch thermische Diffu­ sion erzeugt, mit BBr3 als Diffusionsquelle und unter Anwendung einer Diffusionstemperatur von 1050°C für etwa 40-60 Minuten.
Anschließend werden durch MOCVD die beiden ZnSe-Schichten 51 und 52 aufgebracht, die eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 1019/cm-3 aufweisen. Die Dicken sind etwa 500-1000 Angström. Es wird Dimethylzink und Hydrogenselenid (H2Se) verwendet. Das Wachstum findet bei 300°C und einem Partialdruck von 0,4 Torr (1 Torr = 1,33 102 Pa) statt. Die beiden Schichten bilden den genannten Tunnelübergang 55 aus, der die elektrische Verbindung zwischen den Solarzellen verbessert.
Ebenfalls durch MOCVD werden die GaAs-Schichten 21 und 22 aufge­ bracht. Die Ladungsträgerkonzentration in der N-Typ GaAs-Schicht 21 ist 1×1017/cm-3 mit Se oder S. Die Ladungsträgerkonzentra­ tion in der P-Typ GaAs-Schicht 22 ist 5×1018/cm-3 mit Zn. Es werden Trimethylgallium und Arsin (AsH3) verwendet. Das Wachstum findet bei 750°C und einem Partialdruck von etwa 120 Torr statt.
Nach diesen Verfahrensschritten ist die Tandemstruktur mit der Silizium-Solarzelle 10 und der GaAs-Solarzelle 20, und damit mit mehreren PN-Übergängen, fertiggestellt. Es wird noch der Sili­ ziumnitrid (Si3N4)-Film als Antireflexionsfilm mit einer Dicke von 700-800 Angström durch Plasma-CVD oder durch thermisches Zersetzen von Silan und Ammoniak bei 700°C aufgebracht.
Anschließend wird eine Titanschicht auf der Rückseite des Si- Substrates 11 wie auch auf der Oberfläche der P-Typ GaAs-Schicht 22 mit einer Dicke von jeweils etwa 500 Angström ausgebildet. Die Titanschicht haftet gut auf den Oberflächen. Das Aufbringen erfolgt mit Hilfe eines Elektronenstrahlverfahrens oder durch Sputtern. Auf den Ti-Schichten wird durch Elektronenstrahlab­ scheidung jeweils eine Silberschicht von einigen µm Dicke aufge­ bracht. Diese Schichten bilden die P-seitige Ohmsche Elektrode 2 bzw. die N-seitige Ohmsche Elektrode 1.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel ZnSe als Material für die Puf­ ferschicht 50 verwendet wird, wird von der Pufferschicht kein Licht absorbiert, das von der oberen GaAs-Solarzelle 20 durchge­ lassen wird. Die ZnSe-Pufferschicht 50 ist in einem weiten Wel­ lenlängenbereich durchlässig, mit der bereits genannten Band­ lücke von 2,67 eV, also einer größeren Bandlücke als der von GaAs. Es wird daher alles aus der GaAs-Solarzelle 20 austretende Licht von der unteren Si-Solarzelle 10 mit hohem Wirkungsgrad konvertiert.
Da die Gitterkonstanten von ZnSe und GaAs gut zueinander passen, treten beim Kristallwachstum der GaAs-Schicht auf der ZnSe-Puf­ ferschicht 50 keine kristallinen Defekte auf, wodurch ein ver­ hältnismäßig perfekter GaAs-Kristall erzielt wird. Ladungsträger in der oberen GaAs-Solarzelle 20 können sich daher relativ frei bewegen, was den Wirkungsgrad fördert.
Der Tunnelübergang 55 innerhalb der ZnSe-Pufferschicht 50 er­ niedrigt den Widerstand des Übergangs.
Insgesamt wird daher ein photovoltaisches Element mit hohem Wir­ kungsgrad erzielt.
Statt ZnSe für die Pufferschicht kann auch z.B. AlGaAs verwendet werden, wobei Aluminium mit einem solchen Anteil verwendet wird, daß die Bandlücke größer ist als die von GaAs.
Beim bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die obere Solarzelle 20 ein Element mit III-V-Halbleitern. Die Schichten können aber auch durch Al x Ga1-x As (0<×<1) gebildet sein. Auch in diesem Fall können Kristalle hoher Qualität sowohl auf Pufferschichten aus AlGaAs wie auch aus ZnSe ausgebildet werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 stimmt mit dem gemäß Fig. 1 weitgehend überein, jedoch ist auf der Oberfläche der P-Typ GaAs-Schicht 22 nicht direkt eine Antireflexionsschicht 40 aus­ gebildet, sondern zunächst eine Fensterschicht 60 aus Al x Ga1-x As (x = 0,8-0,9), die Oberflächenrekombination aufgrund von Ober­ flächendefekten der GaAs-Schicht reduziert. Diese Fensterschicht 60 wird mit einer Dicke von weniger als 0,1 µm ausgebildet, um die Absorption von Licht kurzer Wellenlänge so gering wie mög­ lich zu halten. Diese Fensterschicht 60 kann im Herstellablauf für die anderen Halbleiterschichten mit aufgebracht werden, wo­ bei ein ähnliches Verfahren wie zum Herstellen von GaAs einge­ setzt wird, also z. B. MOCVD, MBE oder LPE.
Bei den Elementen gemäß den Fig. 1 und 2 besteht die obere So­ larzelle 20 jeweils nur aus zwei Schichten. Jedoch können auch mehr Schichten vorhanden sein, was im folgenden näher erläutert wird.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 werden drei Al x Ga1-x As- Konversionsbereiche 20 a bis 20 c auf einer ZnSe-Pufferschicht 50 ausgebildet. Von oben nach unten nimmt der Al-Anteil x ab. Jeder der drei Konversionsbereiche 20 a, 20 b und 20 c besteht aus einer P-Typ Al x Ga1-x As-Schicht 21 a, 21 b bzw. 21 c und einer N-Typ Al x Ga1-x As-Schicht 22 a, 22 b bzw. 22 c. Ansonsten stimmt der Auf­ bau mit dem von Fig. 1 überein.
Der eben beschriebene Aufbau der oberen Solarzelle 20 verbessert den Gesamtwirkungsgrad des Elementes weiter. In jedem Konver­ sionsbereich, der unter einem anderen liegt, wird Licht absor­ biert, das von weiter oben eindringt. Die Bereiche lassen sich durch einfaches Variieren des Aluminiumanteils x im Material Al x Ga1-x As herstellen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind insgesamt drei Puf­ ferschichten 50 a, 50 b und 50 c jeweils aus ZnSe vorhanden. Die unterste Pufferschicht 55 a trennt die untere Solarzelle 10 von der oberen Solarzelle, die aus drei Bereichen 20 a, 20 b und 20 c besteht. Die beiden anderen Pufferbereiche 55 b und 55 c trennen die eben genannten Bereiche der oberen Solarzelle voneinander. Alle drei Pufferbereiche 50 a bis 50 c weisen Tunnelübergangsbe­ reiche (Hochkonzentrations-PN-Übergangsbereiche) 55 a bis 55 c auf, die jeweils zwischen einer N⁺-Typ ZnSe-Schicht 52 a bis 52 c und einer P⁺-Typ ZnSe-Schicht 51 a bis 51 c liegen. Die Puffer­ schichten können auch aus AlGaAs statt aus ZnSe hergestellt sein.
Bei dieser Ausführungsform ist der Widerstandsverlust an über­ gängen weiter verringert, wodurch noch besserer photovoltaischer Konversionswirkungsgrad erzielt wird als bei der anhand von Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform.
Bei den eben beschriebenen beiden Ausführungsformen wurde für die vielschichtige obere Solarzelle mit den mehreren Konver­ sionsbereichen jeweils GaAs verwendet. Es kann jedoch auch GaAs für einen Hauptkonversionsbereich und AlGaAs für Hilfskonver­ sionsbereiche verwendet werden. Ein Ausführungsbeispiel hierfür wird nun anhand von Fig. 5 erläutert.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist eine obere AlGaAs- Hilfssolarzelle 70 auf einer oberen GaAs-Hauptsolarzelle 20 aus­ gebildet, unter Zwischenfügen einer zweiten Pufferschicht 50 b. Die AlGaAs Solarzelle 70 besteht aus einer N-Typ AlGaAs-Schicht 71 und einer P-Typ AlGaAs-Schicht 72. Die zweite Pufferschicht 50 b besteht aus einer P⁺-Typ AlGaAs-Schicht 51 b und einer N⁺- Typ AlGaAs-Schicht 52 b. Statt der P⁺-Typ AlGaAs-Schicht kann auch eine P⁺-Typ GaAs-Schicht verwendet werden.
Durch die obere AlGaAs-Hilfssolarzelle 17 wird der konvertier­ bare Lichtbereich zur kurzwelligen hin erweitert. Diese Hilfs­ solarzelle absorbiert im Bereich von 0,3-0,9 µm, während die obere Hauptsolarzelle 20 im Bereich von 0,4-0,9 µm absorbiert. Der im Sonnenlicht mit relativ hohem Anteil vorhandene sehr kurzwellige Bereich kann daher mit hohem Wirkungsgrad konver­ tiert werden. Durch die Pufferschicht 50 b wird der Widerstands­ verlust zwischen den Übergangsbereichen zwischen der Haupt- und der Hilfssolarzelle verringert.
Wesentlich für die beschriebenen Elemente ist, daß zwischen un­ terschiedliche Solarzellenbereiche zur Gitteranpassung eine Puf­ ferschicht eingefügt wird, die aus einem Halbleitermaterial be­ steht, das eine größere Bandlücke aufweist als das Halbleiter­ material des jeweils darüberliegenden Solarzellenbereichs. Die Pufferschicht ist jeweils so ausgebildet, daß sie einen Tunnel­ übergangsbereich aufweist. Die Pufferschicht führt zu guter Kristallinität der oberen Solarzelle, absorbiert jedoch kein Licht, das von der oberen Zelle in eine darunterliegende Zelle dringen soll. Aufgrund des Tunnelübergangsbereichs werden Wider­ standsverluste verringert, die sonst zwischen Übergängen auftre­ ten würden. Insgesamt wird so ein photovoltaisches Element mit hohem Wirkungsgrad erhalten.

Claims (13)

1. Photovoltaisches Halbleiterelement mit
  • - einer oberen Solarzelle (20), die Licht im kurzwelligen Län­ genbereich absorbiert,
  • - einer unteren Solarzelle (10), die Licht konvertiert, das von der oberen Solarzelle her eindringt,
  • - und einer gitteranpassenden Pufferschicht (50) zwischen den beiden Solarzellen, welche Pufferschicht einen Tunnelüber­ gangsbereich (55) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
  • - das Material der Pufferschicht (50) aus einem Halbleiter be­ steht, der eine größere Bandlücke aufweist als das für die obere Solarzelle (20) verwendete Halbleitermaterial.
2. Photovoltaisches Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Solarzelle (10) auf einem Siliziumsubstrat (11) ausgebildet ist und die obere Solarzelle aus einem III-V-Halbleiter mit Ga und As besteht.
3. Photovoltaisches Halbleiterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Solarzelle (20) eine Al x Ga1-x As-Schicht mit vorgegebenem Anteil x aufweist.
4. Photovoltaisches Halbleiterelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (50) aus ZnSe besteht.
5. Photovoltaisches Halbleiterelement nach einem der Ansprü­ che 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht aus Al x Ga1-x As besteht und der Anteil x so gewählt ist, daß die Bandlücke des Materials größer ist als die des Halbleiters der oberen Solarzelle (20).
6. Photovoltaisches Halbleiterelement nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die obere Solarzelle (20) eine N-Typ GaAs-Schicht (21) und eine P-Typ GaAs-Schicht (22) sowie eine Fensterschicht (40) aus Al x Ga1-x As mit x = 0,8-0,9 aufweist.
7. Photovoltaisches Halbleiterelement nach einem der vorste­ henden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Antireflexionsfilm (40) auf der oberen Solarzelle (20).
8. Photovoltaisches Halbleiterelement nach einem der vorste­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Solar­ zelle eine Tandemstruktur mit mehreren Lichtkonversionsbereichen (20 a, 20 b, 20 c) aufweist.
9. Photovoltaisches Halbleiterelement nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils benachbarten Konver­ sionsbereichen (20 a-20 c) jeweils eine Pufferschicht (55 b, 55 c) eingefügt ist.
10. Photovoltaisches Halbleiterelement nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bereiche (20 a-20 c) Al x Ga1-x As- Schichten aufweisen, wobei der Anteil x um so größer ist, je weiter oben die Schicht liegt.
11. Photovoltaisches Halbleiterelement nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die obere Solarzelle aus einer oberen Hauptsolarzelle (20) aus GaAs und einer oberen Hilfssolarzelle (70) aus AlGaAs besteht, wobei zwischen den beiden Zellen eine Pufferschicht (50 b) liegt.
12. Photovoltaisches Halbleiterelement nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (50 b) zwischen der oberen Hauptsolarzelle (20) und der oberen Hilfssolarzelle (70) eine P⁺-Typ AlGaAs-Schicht (52 b) und eine N⁺-Typ AlGaAs-Schicht (51 b) aufweist.
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