DE4005835C2

DE4005835C2 - Verfahren zum Betrieb eines photoelektrischen Wandlers und photoelektrischen Wandler zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4005835C2
Application number: DE19904005835
Authority: DE
Inventors: Yutaka Hayashi; Shigeaki Tomonari; Jun Sakai; Keizi Kakite
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2010-02-24
Also published as: DE4005835A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines fotoelektrischen Wandlers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen photoelektrischen Wandler zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der US 4 271 328 ist bereits ein photoelektrischer Wandler aus mehreren übereinander angeordneten pin-Halbleiterschichten bekannt, in denen jeweils ungefähr die gleiche Lichtmenge absorbiert wird. Die Schichtung der Wandlerelemente übereinander hat eine Serienschaltung und somit eine erhöhte Ausgangsspannung zur Folge. Die Dicken der Halbleiterschichten der einzelnen Wandlerelemente liegen im Bereich zwischen 0,01 und 1 µm und sind so bemessen, daß für die Umwandlung von solarem Licht ein guter Wirkungsgrad erzielt wird. Dies hat stark unterschiedliche Schichtdicken zur Folge.

In der nicht vorveröffentlichten DE 38 32 463 A1 ist bereits eine Schaltvorrichtung vorgeschlagen, die eine Halbleitervorrichtung aufweist, welche als eine Anordnung fotoelektrischer Wandler ausgebildet ist und mit dem Gate eines Feldeffekttransistors (im folgenden als "FET" bezeichnet) oder einem ähnlichen Schaltelement verbunden ist. Diese Schaltvorrichtung enthält auch ein lichtemittierendes Element, dessen Licht auf die Anordnung der fotoelektrischen Wandler gelangt und elektrische Energie erzeugt. Der FET wird durch diese elektrische Energie zur Durchführung einer Schaltoperation veranlaßt. Damit der FET als spannungsgesteuertes Element betrieben werden kann, wird normalerweise eine Vielzahl von in Reihe geschalteten fotoelektrischen Wandlern benötigt, um eine Spannung oberhalb eines Schwellenwertes für die Spannung zwischen dem Source und dem Gate des FET zu erzeugen. Zur Reihenschaltung dieser fotoelektrischen Wandler erhalten diese zuerst jeweils eine separate Inselform und werden dann miteinander durch einen dünnen, leitenden Film verbunden. Durch diese Anordnung werden verschiedene Vorteile erzielt; so kann die Schaltvorrichtung preiswerter und mit einem höheren Gebrauchswert hergestellt werden als mit der früheren Praxis, die fotoelektrischen Wandler auf jeweils voneinander getrennten Inseln eines dielektrischen, isolierenden Trägermaterials auszubilden, denn die Anordnung der fotoelektrischen Wandler kann direkt auf einem Trägermaterial ausgebildet werden, auf welchem auch die FET′s und ähnliche Elemente gebildet werden, so daß die Einrichtung in einem einzelnen Chip untergebracht werden kann.

Bei den Halbleitervorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art besteht generell die Tendenz, daß eine dickere Halbleiterschicht im allgemeinen eine genügende Lichtabsorption bewirkt, aber eine unzureichende Sammlung der Ladungsträger, und daß andererseits eine dünnere Halbleiterschicht eine ausreichende Sammlung der Ladungsträger, aber eine unzureichende Lichtabsorption bewirkt. Der englischsprachige Fachausdruck für die Wegstrecke, über welche fotoinduzierte Ladungsträger noch zum Rand der Halbleiterschicht gelangen und dort eingesammelt und abgeleitet werden können, ist "carrier collecting length" und wird im folgenden als Ladungsträger-Sammelstrecke bezeichnet. Je dünner die Halbleiterschicht ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein erzeugter Ladungsträger auch eingesammelt wird, desto geringer ist aber auch der Wirkungsgrad, da weniger fotoinduzierte Ladungsträger entstehen. Es ist zu fordern, die Ansprechempfindlichkeit der Halbleitervorrichtung optimal auf die Wellenlänge des emittierten Lichts abzustimmen, um einen hohen Wirkungsgrad der fotoelektrischen Umwandlung zu erzielen. Bisher konnte diese Forderung nicht zufriedenstellend erfüllt werden.

Appl. Phys. Lett. Bd. 44, 1. März 1984, Seiten 537-539 beschreibt die "Bestimmung der Ladungsträgersammelstrecke und Vorhersage des Füllfaktors in Solarzellen aus amorphem Silizium".

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines fotoelektrischen Wandlers zu schaffen, so daß dessen Wirkungsgrad optimal auf die Wellenlänge des auftreffenden Lichtes abgestimmt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Patentanspruch 1 angegebene Ausbildung des Verfahrens zum Betrieb des fotoelektrischen Wandlers gelöst.

Ein photoelektrischer Wandler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Einzelheiten mehrerer Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform eines fotoelektrischen Wandlers;

Fig. 2 ist eine Draufsicht des Wandlers nach Fig. 1;

Fig. 3 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise des Wandlers nach Fig. 1;

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht der dünnen Halbleiter schicht des Wandlers nach Fig. 1;

Fig. 5 zeigt als Diagramm die Lichtabsorption des fotoelek trischen Wandlers nach Fig. 1;

Fig. 6 zeigt als Diagramm die Lichtabsorption des fotoelek trischen Wandlers mit neun übereinanderliegenden Schichten nach Fig. 13;

Fig. 7 zeigt im Querschnitt eine Schaltvorrichtung, bei wel cher ein fotoelektrischer Wandler in einer anderen Aus führungsform verwendet wird;

Fig. 8 ist ein Schaltplan der Schaltvorrichtung nach Fig. 7;

Fig. 9 zeigt im Querschnitt eine Schaltvorrichtung mit einer anderen Schaltung zusammen mit einer Ausführungsform des fotoelektrischen Wandlers;

Fig. 10 zeigt im Querschnitt eine dreilagige Tandemzelle als eine weitere Ausführungsform des Wandlers;

Fig. 11 und 12 zeigen als Diagramme Eigenschaften der Zelle nach Fig. 10 im Vergleich zu denen einer einlagigen Zelle;

Fig. 13 zeigt im Querschnitt als weitere Ausführungsform ei nen neunlagigen fotoelektrischen Wandler; und

Fig. 14 zeigt als Diagramm eine Eigenschaft der Zelle nach Fig. 13 im Vergleich zu der einer einlagigen Zelle.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des fotoelektrischen Wandlers 10, der durch Übereinanderschichtung von zwei oder mehr Lagen (in der Zeichnung sind drei Lagen gezeigt) von fotoelektri schen Wandlerelementen gebildet wird. Für jede dünne Halbleiterschicht darin gilt eine Beziehung L≦1/α(λ). Dabei bezeichnet L die Ladungs träger-Sammelstrecke, λ die Wellenlänge des auftreffenden Lichts und α(λ) den Absorptionskoeffizienten der dünnen Halbleiter schicht für die Lichtwellenlänge λ. Die fotoelektrischen Wand ler sind zweckmäßig in mehr als 1/[α(λ)L] Lagen übereinander geschichtet.

Genauer ist in dem Wandler 10 zunächst ein elek trisch leitender dünner Film 20, im Beispiel aus Ni-Cr, Al oder ähnlichem, auf einer Oberfläche eines isolierenden Sub strats 12 ausgebildet, und darüber sind die fotoelektrischen Wandlerelemente D1, D1a, D1b, . . . aus amorphem Silicium übereinander geschichtet, für welche die Beziehung L≦1/α(λ) gilt. Eine halbleitende Schicht 21 eines ersten Leitungstyps (im Ausführungsbeispiel p) und eine halbleitende Schicht 22 (im Ausführungsbeispiel ein Eigenhalbleiter) mit relativ geringer Konzentration von va lenzbestimmenden Verunreinigungen bilden eine halbleitende dünne Schicht, welche die fotoelektrische Wandlung durchführt, und eine halbleitende Schicht 23 eines zweiten Leitungstyps (im Ausführungsbeispiel n) ist über die zuerst beschriebenen geschich tet, wodurch das erste fotoelektrische Wandlerelement D1 gebildet wird. Über dem ersten Wandlerelement D1 ist das zweite fotoelektri sche Wandlerelement D1a ausgebildet, und zwar mit den gleichen halb leitenden Schichten und der gleichen Schichtung wie bei dem ersten Wandlerelement D1, und über dem zweiten Wandlerelement D1a ist das dritte fotoelektrische Wandlerelement D1b ausgebildet, und zwar mit den gleichen halbleitenden Lagen und der gleichen Schichtung wie bei den ersten beiden Wandlerelementen D1 und D1a. Durch Wiederho lung der Schichtung in gleicher Weise kann jede gewünschte An zahl an fotoelektrischen Wandlerelementen hergestellt werden, wobei die gezeigte Vorrichtung zur Vereinfachung nur drei fotoelek trische Wandlerelemente enthält. Auf die Oberfläche des obersten foto elektrischen Wandlerelements wird ein lichtdurchlässiger, leitender, dünner Film 24 aus beispielsweise In₂O₃ aufgebracht, womit der Wandler 10 fertig ist. Das Material der Halbleiterschichten des ersten Leitungstyps 21, 21a, 21b . . . und des zweiten Leitungstyps 23, 23a, 23b . . . soll nicht spe ziell Licht der Wellenlänge λ absorbieren, sondern kann bei spielsweise aus amorphem SiC oder mikrokristallinem Silicium bestehen.

Zum Ansteuern eines spannungsgesteuerten Elements wie eines FET oder dergleichen als Schaltelement ist es notwendig, eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlerelementen in Reihe zu schalten, um eine Spannung zu erhalten, welche die Schwellenspannung zwischen Source und Gate des FET übersteigt. Wenn die foto elektrischen Wandlerelemente herkömmlicher Vorrichtungen als separate Inseln ausgebildet und über einen leitenden, dünnen Film ver bunden werden, ergibt sich jedoch die Unzulänglichkeit, daß zwischen den jeweiligen Inseln ein toter Raum herrscht, in dem keine elektrische Energie erzeugt wird. Dieser freiliegende Bereich macht etwa 20% der zur Lichtaufnahme zur Verfügung stehenden Oberfläche aus, so daß sich der Wirkungsgrad der fo toelektrischen Umwandlung deutlich vermindert. Im Gegensatz dazu sind die fotoelektrischen Wandlerelemente D1, D1a, D1b . . . des Wandlers 10 in einer Form angeordnet, in welcher die Wandlerelemente zwischen dem untersten und dem obersten, dünnen Leiterfilm 20 und 24 in Reihe ge schaltet sind. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Wandler 10 keinen merklichen toten Raum aufweist, so daß der Wirkungs grad der fotoelektrischen Umwandlung deutlich verbessert wer den kann. Weil sich bei dieser Ausführungsform der oberste, leitende, dünne Film 24 über die Seitenflächen der jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelemente D1, D1a, D1b hinweg erstreckt und an seiner Innenseite direkten Kontakt mit ihnen hat, ergibt sich trotz des großen Schichtwiderstandes der dünnen Schichten 21, 22, 23, 21a, 22a, 23a, 21b, 22b, 23b . . . ein kleiner Verlust durch die Parallelschaltung. Dieser ist jedoch für amorphe Schichten gering und verursacht keine elektrochemische Reak tion wie z. B. elektrolytische Korrosion, welche bei metallisch verbundenen konventionellen Schaltungen beobachtet wird, so daß sich die Zuverlässigkeit erhöht.

Es folgt eine weitere Erläuterung der zweckmäßigen Ausgestal tung der Struktur des Wandlers 10. Das auf dem Wandler 10 auftreffende Licht wird, wie in Fig. 3 ge zeigt, in Gänze durch den untersten, leitenden dünnen Film 20 reflektiert, wodurch das reflektierte Licht ebenfalls zur Energieerzeugung beiträgt, wie in Fig. 5 verdeutlicht. Die Lichtabsorption in einem Abstand x von der Oberfläche des Wandlers 10 ist gegeben durch

für das auftreffende Licht: Io(1-e^- ^α(λ) ^·x) und
für das reflektierte Licht: Io(e^-α(λ) ^{b (2d-x)}-e^-2α(λ) ^·d)

wobei Io die Intensität des auftreffenden Lichts und d die ge samte Dicke der zur fotoelektrischen Wandlung übereinanderge schichteten dünnen Schichten ist. In diesem Fall kann die Lichtabsorption der Halbleiterschichten des ersten und zweiten Leitungstyps als vernachlässigbar angenommen werden, weil ihre optische Dicke sehr klein gewählt ist.

In Fig. 4 ist die Anzahl der übereinandergeschichteten foto elektrischen Wandlerelemente mit n bezeichnet und eine aufsummierte Dicke der dünnen Halbleiterfilme von der obersten Fläche bis zum m-ten Element (m<n) mit Xm, wobei die zwischen der ober sten Fläche und der Unterseite von Xm absorbierte Lichtstärke Im sich ergibt zu

Im-Io(1-e^-α(λ) ^Xm) + Io[e^-α(λ) ^(2d-Xm)-e^-2α(λ) ^{· d}] (1).

Damit wird in der gesamten Übereinanderschichtung der foto elektrischen Wandlerelemente D1, D1a, D1b . . . eine Lichtstärke It ab sorbiert, welche gegeben ist durch

It = Io(1-e^-2α(λ) ^{· d}) (2).

Wenn der in jedem fotoelektrischen Wandlerelement absorbierte Anteil der Lichtstärke gleich gemacht wird, ergibt sich

Im = (m/n)It = (m/n)Io(1-e^-2α(λ) ^{· d}) (3);

und aus (1) und (3)

Io(1-e^-α(λ) ^Xm) + Io(e^-α(λ) ^(2d-Xm)-e^-2α(λ) ^{· d}) = (m/n)Io(1-e^-2α(λ) ^{· d}) (4);

und daraus eine Beziehung (dm = d-Xm)

d-Xm = [1/α(λ)sinh^-1[{1-(m/n)}sinh α(λ) · d] (5).

Durch diese Formel (5) sind die Wellenlänge λ des auftreffen den Lichts, der Lichtabsorptionskoeffizient α(λ) und die Zahl n der übereinandergeschichteten fotoelektrischen Wandler in ihrer Beziehung zueinander fest gelegt. Aus später beschriebenen konkreten Beispielen wird deutlich werden, daß die Dicke der jeweiligen halbleitenden dünnen Filme keinen wesentlichen Beitrag zu Formel (5) liefert, und eine Dickenvariation von etwa 10% keine merkliche Änderung der Eigenschaften ergibt. In diesem Fall soll die Dicke der dünnen Halbleiterschichten für die fotoelektrische Umwandlung vorzugsweise der Bedingung genügen, daß ihre Dicke geringer als die Ladungsträger-Sammelstrecke L ist. Speziell die dünne Halbleiterschicht, welche die foto elektrische Umwandlung in dem untersten Wandler durchführt, wird am dicksten und optimal bestimmt durch

d-X(n-1) (Schichtdicke des untersten photoelektrischen Wandlers)
= {1/α(λ)}sinh^-1 {(1/n)sinh α(λ)·d} < L (6).

Im folgenden wird spezieller auf den Aufbau des fotoelektrischen Wandlers eingegangen, und zwar auf einen Wandler mit neun fotoelektrischen Wandlerelementen, aus amorphem Silicium, welches mit Licht von einem LED mit einer Wellenlänge von 660 nm bestrahlt wird. Fig. 6 zeigt graphisch die Lichtabsorption von neun übereinandergeschichteten fotoelektrischen Wandlerelementen D1-D9, wo bei die Dicke der jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelemente angege ben ist. Die gesamte Schichtdicke zur Lichtabsorption einer Wellenlänge von 660 nm mit amorphem Silicium wird geeignet mit etwa 3 µm gewählt. Wenn die Schichtdicke eines herkömmlichen fotoelektrischen Wandlers aus gewöhnlichem amorphem Silicium etwa 600 nm beträgt, wird durch diese Schicht eine Lichtstärke absorbiert, welche durch eine strichpunktierte Linie in Fig. 6 wiedergegeben ist, welche nur ein Drittel von derjenigen be trägt, welche bei einer Schichtdicke von 3 µm erzielt und durch die durchgezogene Kurve in Fig. 6 wiedergegeben wird. In die sem Fall ist die Absorption in jeder Schicht gleich und A = B + B′ = C + C′ = D + D′ = . . .

Es hat sich hier gezeigt, daß die Lichtwellenlänge von 660 nm fast vollständig innerhalb einer 3 µm dicken amorphen Schicht absorbiert werden kann, wenn die innere Reflexion des Lichts hinzu kommt. Die elektrische Energie wird mit besonders hohem Wirkungsgrad erzeugt, wenn die Schichtdicke der jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelemente D1-D9 so bemessen ist, daß die Ge samtdicke der Schicht aus amorphem Silicium von 3 µm in neun Teile geteilt ist, welche der obigen Formel (5) genügen, wobei die Dicke der jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelemente in einem Be reich zwischen 300-400 nm variiert, womit etwa die halbe Dicke eines herkömmlichen Einzelelements dieser Bedingung ge nügt. Da die Schichtdicke der einzelnen fotoelektrischen Wandlerelemente somit vermindert ist, kann eine Verschlechterung des Wirkungsgrades vermieden werden, welche mit einem kleinen Wert der Ladungsträger-Sammelstrecke (kleiner als 3 µm) einher geht, sowie die dem amorphen Silicium eigentümliche fotoindu zierte Entartung vermieden werden. Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung kann also der fotoelektrische Wirkungsgrad der Um wandlung bemerkenswert verbessert werden, welcher in erster Linie bestimmt wird durch die Wellenlänge λ, den Lichtabsorp tionskoeffizienten α(λ) und die Ladungsträger-Sammelstrecke L.

Fig. 7 zeigt eine Schaltvorrichtung, in welcher der erfin dungsgemäße Wandler als eine lichtabsorbie rende Zone eingesetzt wird, und ein entsprechender Schaltplan dieser Schaltvorrichtung ist in Fig. 8 gezeigt. Im einzelnen enthält die gezeigte Schaltvorrichtung den fotoelektrischen Wandler 10′, einen FET T1 als Schaltelement und einen Steuer kreis DR1, welcher einen FET T2 und erste und zweite Wider standselemente RA11 und RA12 enthält.

Der Wandler 10′ dieser Ausführungsform ist als eine Übereinanderschichtung auf einem Halbleitersubstrat 30 ausgebildet und mit dem FET T1 und dem Steuerkreis DR1 ver sehen, wobei der Transistor T1 die im folgenden beschriebene konkrete Struktur hat. Das Halbleitersubstrat 30 eines zweiten Leitungstyps hat eine Zone 30a eines zweiten Leitungstyps mit geringerem Widerstand (z.B. n⁺), eine Zone 30b eines zweiten Leitungstyps mit einem hohen Widerstand (z.B. n), und ein Ge biet mit einer Vielzahl von Schichten eines ersten Leitungs typs (z. B. p) 40, 40a . . . und 50, welche an einer Oberfläche der Zone mit hohem Widerstand 30b gebildet und jeweils vonein ander getrennt sind. An der Oberfläche der jeweiligen p- Schichten 40, 40a . . . und 50 sind weiterhin teilweise Zonen eines zweiten Leitungstyps, n⁺-Schichten 41, 41a . . . ausgebil det, welche über einen ihrer in Fig. 7 nicht sichtbaren Teile miteinander verbunden sind.

An der Oberfläche des Halbleitersubstrats 30 mit den obigen jeweiligen Schichten sind Elektroden 45 aus polykristallinem Silicium oder ähnlichem über einer isolierenden Schicht 44 ausgebildet, so daß sich jede Elektrode 45 über zwei neben einanderliegende p-Schichten 40, 40a . . . und 50 erstreckt. Ei ne Vielzahl von FET′s T1 eines zweifach diffundierten Typs werden mit den Elektroden 45 als inselförmigem Gate G gebil det, mit den n⁺-Schichten 41 als Source S, Teilen des n-lei tenden Halbleitersubstrats 30 um die jeweiligen p-Schichten 40, 40a . . . herum als Drain D und Teilen der Oberfläche der p- Schichten 40, 40a . . . und 50, welche zwischen den n⁺-Schichten 41 und dem n-leitenden Halbleitersubstrat 30 als kanalbildende Zonen ausgebildet sind. Auf der Oberseite der jeweiligen Elek troden 45 ist auch ein isolierender Film ausgebildet, welcher als Schutzfilm wirkt, sowie ein dünner leitender Film 46 aus Aluminium oder ähnlichem zwischen den jeweiligen FET′s T1. Dieser dünne leitende Film 46 ist mit den jeweiligen n⁺-Schich ten 41, 41a . . . sowie mit den jeweiligen p-Schichten 40 in Kontakt und dient als Source-Elektrode. Die jeweiligen Elek troden 45 sind an Teilen miteinander verbunden, welche in der Querschnittszeichnung nicht sichtbar sind, und die Drain′s D der jeweiligen FET′s T1, welche Teile des Halbleitersubstrats 30 sind, sind ebenfalls elektrisch miteinander verbunden, so daß die FET′s jeweils parallelgeschaltet sind.

Im folgenden wird der FET T2 im Steuerkreis DR1 beschrieben. An der Oberfläche der Zone mit hohem Widerstand 30b des Halb leitersubstrats vom zweiten Leitungstyp 30 ist eine p-Schicht 50 vom ersten Leitungstyp vorgesehen, und n⁺-Schichten 51 und 52 vom zweiten Leitungstyp bilden innerhalb der p-Schicht 50 voneinander separate Zonen. Ferner ist das Halbleitersubstrat 30 mit den wie oben ausgebildeten jeweiligen Zonen mit einer Elektrode 54 aus polykristallinem Silicium oder ähnlichem oberhalb einer isolierenden Schicht 53 ausgebildet, so daß die Elektrode 54 frei über den n⁺-Schichten 51 und 52 steht. Ein Transistor als FET T2 wird gebildet durch die Elektrode 54 als isoliertes Gate G, die n⁺-Schichten 51 und 52 als Source S bzw Drain D (in der Zeichnung ist die n⁺-Schicht 52 als Source und die andere n⁺-Schicht 51 als Drain ausgebildet), und ein Ober flächenteil der p-Schicht zwischen den beiden n⁺-Schichten 51 und 52 als kanalbildende Zone.

Das erste Widerstandselement RA11 hat die gleiche Struktur wie der Transistor T2. Eine p-Schicht 60 als Zone vom ersten Lei tungstyp ist in der Oberfläche des Halbleitersubstrats 30 vom zweiten Leitungstyp ausgebildet, und n⁺-Schichten 61 und 62 als Zonen vom zweiten Leitungstyp sind voneinander getrennt in der Oberfläche der p-Schicht 60 ausgebildet. Auf einer isolie renden Schicht 63 sitzt eine Elektrode 64 aus polykristallinem Silicium oder ähnlichem und erstreckt sich auf der isolieren den Schicht 63. über beide n⁺-Schichten 61 und 62. Das erste Widerstandselement RA11 ist ein nichtlinearer Typ mit verbes serten Eigenschaften und wird gebildet aus der Elektrode 64 als Gate G, der n⁺-Schicht 62 als Drain D und der anderen n⁺- Schicht 61 als Source S, wobei Drain und Gate miteinander über eine leitende Schicht 65 aus Aluminium oder ähnlichem, wie ge zeigt, verbunden sind.

Das zweite Widerstandselement RA12 hat eine ähnliche Struktur, wie auch der Transistor T2. Eine p- Schicht 70 als Zone vom ersten Leitungstyp ist in dem Halblei tersubstrat 30 vom zweiten Leitungstyp ausgebildet, und n⁺- Schichten 71 und 72 als Zonen vom zweiten Leitungstyp sind voneinander getrennt in der p-Schicht 70 ausgebildet. Ferner ist eine dünne n-Schicht 73 so gebildet, das sie sich zwischen den voneinander getrennten n⁺-Schichten 71 und 72 erstreckt und mit ihnen einen normalerweise durchgeschalteten (verarm ten) Typ bildet. An der Oberfläche einer isolierenden Schicht 74 ist eine Elektrode 75 aus polykristallinem Silicium oder ähnlichem ausgebildet, welche sich über beide n⁺-Schichten 71 und 72 und über der isolierenden Schicht 74 erstreckt. Das zweite Widerstandselement RA12 wird bei hohem Widerstand be trieben und ist mit der Elektrode 75 als Gate G versehen, der n⁺-Schicht 72 als Drain D und der n⁺-Schicht 71 als Source S, wobei Gate und Source über eine leitende Schicht 76 aus Alu minium oder ähnlichem, wie in der Zeichnung gezeigt, miteinan der verbunden sind. Nach Fig. 8 können die p-Schichten 60 und 70 ferner über einen Widerstand mit dem Source des Transistors T1 verbunden sein, um das statische Potential zu stabilisieren.

Zusätzlich ist der Wandler 10′ auf dem Halb leitersubstrat 30 mit einer dazwischengelegten isolierenden Schicht 33 ausgebildet. Eine leitende, dünne Schichtelektrode 310 besteht aus Ni-Cr oder ähnlichem und befindet sich auf der isolierenden Schicht 33. Das erste fotoelektrische Wandlerelement D1 wird dadurch gebildet, daß eine halbleitende Schicht 320 eines ersten Leitungstyps (z.B. p) darübergeschichtet wird, welche aus amorphem Silicium oder ähnlichem besteht, wobei eine Halbleiterschicht 330 (für die fotoelektrische Umwandlung) ei ne geringe Konzentration von die Valenz beeinflussenden Verun reinigungen aufweist, sowie eine halbleitende Schicht 340 ei nes zweiten Leitungstyp (z.B. n). Darüber kommt eine benötigte Anzahl von fotoelektrischen Wandlerelementen D2, D3 . . ., welche in der Richtung der Dickenausdehnung der Vorrichtung aufeinander folgend aufgeschichtet sind, und eine durchsichtige leitende Elektrode 350 aus In₂O₃ oder ähnlichem auf dem obersten foto elektrischen Wandlerelement, womit der Wandler 10′ fertig ist. Die jeweils so gebildeten Elemente sind miteinan der mittels dünner leitender Filme aus Ni-Cr, Aluminium oder ähnlichem verbunden, während die Verbindung zwischen dem Wandler 10′ und den anderen Elementen durch Entfernen entsprechender Teile der isolierenden Schicht 33 mittels Ätzen oder ähnlichem hergestellt wird.

Wie in Fig. 9 gezeigt, kann der Wandler 10′ ferner über einem Halbleitersubstrat 30′ aufgeschichtet sein, welches nicht mit dem Transistor T1, sondern nur mit dem Steuerkreis DR1 versehen ist, d.h. dem Transistor T2 und den beiden Widerstandselementen RA11 und RA12. In der Anordnung nach Fig. 9 sind gleiche Bestandteile wie in der Ausführungs form nach Fig. 7 mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und an dere Anordnungen und Betriebsweisen als die oben genannten sind die gleichen wie in der Ausführungsform nach Fig. 7.

Die Schaltvorrichtung nach den Ausführungsformen nach den Fig. 7 und 9 ist von einem Typ, bei welchem das Schaltelement bei Lichteinfall in den leitenden Zustand gelangt, und beim Ende des Lichteinfalls in den nichtleitenden Zustand.

Fig. 10 zeigt eine Anordnung, in welcher der fotoelektrische Wandler als dreilagige Tandemzelle verwirklicht ist, in welcher ein erster Satz von Schichten auf einer lei tenden dünnen Schicht 120 aus Ni-Cr gebildet ist und zwar durch Übereinanderschichten einer ersten Schicht 121 ei nes ersten Leitungstyps (z.B. p), einer zweiten halbleitenden Schicht 122 (z.B. eigenleitend) für die fotoelektrische Um wandlung und einer Schicht 123 eines entgegengesetzten Lei tungstyps (z.B. n), welche in der Figur dargestellt und deren jeweilige Dicken angegeben sind. Der zweite und dritte Satz von Schichten werden über der ersten Schicht in gleicher Weise durch Aufeinanderschichten zweier Sätze entsprechender halb leitender Schichten 121a, 122a und 123a; 121b, 122b und 123b gebildet, und ein lichtdurchlässiger leitender dünner Film 124 aus In₂O₃ bedeckt die Oberfläche der dritten Schicht, womit die Tandemzelle fertig ist.

Diese dreilagige Tandemzelle wird einer Mes sung des Fotostroms bzw. der Fotospannung bei Einfall von ro tem Licht einer LED im Vergleich zu einer ein lagigen Zelle unterworfen, und das Ergebnis ist in Fig. 11 dargestellt. Der Fotostrom der dreilagigen Tandemzelle TL ist gegenüber der einlagigen Zelle SL um mehr als 20% verbessert. Ähnlich wird die Zelle einer Messung der fotoinduzierten Ent artung unterworfen. Während sich die einlagige Zelle bei fort gesetzter Bestrahlung mit rotem LED Licht über 1000 Stunden im Ausgangsstrom um etwa 20% verschlechtert, zeigt die dreilagi ge Tandemzelle keine Entartung und hält während der gesamten Meßzeit einen gleichmäßigen Ausgangsstrom, wie in Fig. 12 ge zeigt.

Fig. 13 zeigt ferner eine weitere Ausführungsform des fotoelektrischen Wandlers mit einer neunlagigen Zelle vom Tandemtyp, in welcher ein lichtdurchlässiger und elek trisch leitender dünner Film 210 aus SnO₂ auf einem durchsich tigen und elektrisch isolierenden Substrat 200 ausgebildet ist, welches aus Glas oder ähnlichem besteht. Eine erste Tandemschicht entsteht auf dem dünnen Film 210 durch fortge setztes Übereinanderschichten einer Schicht 220a eines ersten Leitungstyps (z. B. p) aus einem Material mit geringer Lichtab sorption wie SiC oder ähnlichem, einer Halbleiterschicht (z. B. eigenleitend) für die fotoelektrische Umwandlung, und einer Schicht 222a eines entgegengesetzten Leitungstyps (z.B. n), deren Dicken in der Zeichnung angegeben sind. Über diesen er sten Satz Schichten ist eine Zwischenschicht 230a eines er sten Leitungstyps (z.B. p) mit einer in der Zeichnung angege benen Dicke gelegt, und danach acht Sätze entsprechender Halbleiterschichten 220b, 221b und 222b; 220c, 221c und 222c; . . . 220i, 221i und 222i entsprechend der drei Schichten der vorhergehenden Lage, jeweils mit einer weiteren Zwischenschicht vom ersten Leitungstyps 230b, 230c, . . . 230h. Auf der neunten Tandemschicht mit den Halbleiterschichten 220i, 221i und 222i liegt als oberstes schließlich ein leitender, dünner Film 250 aus Ni, womit die neunlagige Tandemzelle fertig ist.

Diese neunlagige Tandemzelle wird eben falls einer Messung der Lichtabsorptionsrate bezüglich des ro ten Lichts einer LED unterworfen. Es zeigt sich, daß der Foto strom dieser neunlagigen Tandemzelle NL um mehr als 60% ge genüber einer einlagigen Tandemzelle SL verbessert ist, wie in Fig. 14 gezeigt, und es wird für möglich gehalten, diesen Fo tostrom noch weiter zu verbessern, wenn die Anordnung noch mehr optimiert wird.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines photoelektrischen Wandlers, der aus mehreren übereinander angeordneten pin-Halbleiterschichten besteht, in denen jeweils ungefähr die gleiche Lichtmenge absorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Betriebs-Wellenlänge λ so gewählt wird, daß die Beziehung L<1/α(λ) gilt, worin α(λ) der Absorptionskoeffizient der Halbleiterschicht für Licht der Wellenlänge λ und L die Ladungsträger-Sammelstrecke ist.

2. Photoelektrischer Wandler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der pin-Halbleiterschichten größer ist als 1/{α(λ)·L}.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die pin-Halbleiterschichten die Beziehung L<d<nL gilt, wenn d die gesamte Dicke der Halbleiterschichten und n die Anzahl der pin-Halbleiterschichten ist.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der in Richtung des Lichteinfalls m-ten Schicht tmL ist, mit 1<mn.

5. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufsummierte Dicke der pin-Halbleiterschichten von der Seite des Lichteinfalls bis zur m-ten pin-Halbleiterschicht Xm beträgt und folgender Bedingung genügt: Xm = d-{1/α(λ)}sinh^-1 [{1-(m/n)} sinh α(λ)·d] .