DE4010302A1 - Fotovoltaische einrichtung - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine fotovoltaische
Einrichtung und insbesondere auf eine Verbesserung
der Ausgangscharakteristika und des Schutzes vor einer
lichtbewirkten Degradation in einer fotovoltaischen Einrichtung
mit einer fotoaktiven Schicht auf einem amorphen
Halbleiter.
Es sind fotovoltaische Einrichtungen bekannt, die als eine
fotoaktive Schicht, die zur fotoelektrischen Umwandlung
beiträgt, einen im wesentlichen intrinsischen (i-Typ) amorphen
Halbleiter, wie z. B. elementares Si enthaltendes SiH₄
oder Si₂H₆ benutzt, das durch Zersetzung eines Versorgungsgases
erhalten wird. Ein solcher amorpher Halbleiter enthält
unvermeidlich Wasserstoff aus dem Versorgungsgas, und
der Wasserstoff begrenzt die Bildung nichtpaariger Bindungen
im Halbleiternetz.
Es wird von Y. Kuwano et. al. in J. Non-Cryst. Solid, 97 &
98, 1987, S. 289-292 gelehrt, daß es, falls die Quantität
der Si-H₂ Bindungen in der fotoaktiven Schicht verringert
wird, möglich wird, den Wirkungsgrad der fotoelektrischen
Umwandlung nach einer lang andauernden Lichtbestrahlung zu
verbessern, d. h. es wird möglich, die sogenannte lichtbewirkte
Degradation zu verringern.
Wenn die Konzentration des Wasserstoffs in der fotoaktiven
Schicht verringert wird, wird die optische Energiebandlücke
Egopt schmal. In einer fotoaktiven Schicht eines hydrierten
amorphen Silikats (a-Si : H) z. B. steigt demgemäß der Absorptionskoeffizient
für Licht im langwelligen Bereich von etwa
600 nm oder mehr an, und es wird somit möglich, eine fotovoltaische
Einrichtung mit einem verstärkten fotoelektrischen
Strom zu schaffen.
Es ist bekannt, daß, wenn ein amorpher Halbleiterfilm auf
einem Träger, der eine hohe Temperatur hat, aufgebracht
wird, die Wasserstoffkonzentration in dem aufgebrachten
amorphen Halbleiterfilm geringer wird. Beim Herstellen einer
fotovoltaischen Einrichtung wird jedoch eine i-Typ-fotoaktive
Schicht normalerweise auf einer p-Typ oder n-Typ
dotierten Schicht aufgebracht, die selbst schon auf einem
Träger ausgebildet ist, und nicht direkt auf dem Träger
aufgebracht. Wenn die Temperatur des Trägers übermäßig hoch
ist, wenn eine fotoaktive Schicht auf einer solchen dotierten
Schicht aufgebracht wird, würde der Dopant oder der
Wasserstoff in der dotierten Schicht aufgelöst werden oder
in die fotoaktive Schicht diffundieren, die dadurch wächst.
Wenn der Dopant oder Wasserstoff aus der dotierten
Schicht in die i-Typ-fotoaktive Schicht diffundiert, wird
die Filmqualität der i-Typ-Schicht verschlechtert und die
optische Energiebandstruktur verändert sich insbesondere
nahe der Trennfläche zwischen der dotierten Schicht und der
i-Typ-Schicht, was eine Verschlechterung der Ausgangscharakteristika
der fotovoltaischen Einrichtung hervorruft.
In Fig. 1 wird schematisch ein Beispiel einer Energiebandstruktur
in einem Halbleiterfilm dargestellt, in welchem
der Reihe nach eine p-Typ-Schicht, eine i-Typ-Schicht und
eine n-Typ-Schicht auf einem Träger aufgebracht sind. In
dieser graphischen Darstellung ist auf der Ordinate das Energieband
aufgetragen. Die waagerechte Linie F stellt das
Fermi-Niveau dar. Die durchgezogene Kurvenlinie A auf der
oberen Seite gibt die Untergrenze eines Leitungsbandes
wieder, in dem Falle, in dem die p-Typ-Schicht, die i-Typ-
Schicht und die n-Typ-Schicht unter einer relativ niedrigen
Temperatur aufgebracht werden, und die durchgezogene Kurvenlinie
B auf der unteren Seite geben die obere Grenze
eines Valenzbandes wieder. Wenn die i-Typ-Schicht auf der
p-Typ-Schicht unter einer hohen Temperatur aufgebracht
wird, wird der Dopant oder der Wasserstoff aus der p-Typ-
Schicht dissipiert, oder diffundiert in die i-Typ-Schicht,
und folglich verändert sich die Energiebandstruktur, wie
durch die gestrichelten Kurvenlinien gezeigt wird. Genauer
gesagt, es wird die Energiedifferenz zwischen der p-Typ-
Schicht und der i-Typ-Schicht klein und insbesondere wird
der Neigungswinkel des Energiebandes nahe der Grenzfläche
zwischen der p-Typ-Schicht und der i-Typ-Schicht flach.
Folglich wird das innere elektrische Feld zum Bewegen von
Ladungsträgern, das in der i-Typ-Schicht durch Lichtbestrahlung
erzeugt wird, schwach und insbesondere können die
Ladungsträger leicht in einem Bereich nahe der Grenzfläche
zwischen der i-Typ-Schicht und der p-Typ-Schicht gefangen
werden. Als Ergebnis werden die Ausgangscharakteristika der
fotovolatischen Einrichtung verschlechtert.
Hinzu kommt, eine dotierte Schicht auf der Lichteinfallsseite
hat vorzugsweise einen sogenannten Fenstereffekt, und
zwar daß der Absorptionsbetrag des Einfallslichts verringert
wird. Deshalb wird die dotierte Schicht auf der Lichteinfallsseite
absichtlich so ausgebildet, daß sie z. B. 15%
oder mehr Wasserstoff enthält, so daß sie eine große optische
Energiebandlücke aufweist. Deshalb ist es wünschenswert,
wenn eine fotoaktive Schicht auf einer dotierten
Schicht auf der Lichteinfallsseite aufgebracht werden soll,
die fotoaktive Schicht unter einer relativ geringen Temperatur
aufzubringen, um eine Dissipation oder Diffusion von
Wasserstoff zu vermeiden.
Wie oben beschrieben, ist es für den Zweck einer Verbesserung
bei einer lichteinwirkenden Degradation der fotovoltaischen
Einrichtung wünschenswert, die fotoaktive Schicht
bei relativ hohen Temperaturen aufzubringen, dagegen ist es
für den Zweck der Vermeidung einer Verschlechterung der
Ausgangscharakteristika wünschenswert, die fotoaktive
Schicht bei relativ niedrigen Temperaturen von 200°C oder
weniger aufzubringen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine lichtbewirkte
Degradation zu vermeiden und die Ausgangscharakteristika in
einer fotovoltaischen Einrichtung mit einer fotoaktiven
Schicht auf einem amorphen Halbleiter zu verbessern.
Eine fotovoltaische Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
umfaßt: Einen Träger mit einer leitenden Elektrode,
und eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps,
eine im wesentlichen intrinsische zweite Halbleiterschicht
und eine dritte Halbleiterschicht des entgegengesetzten
Leitungstyps, die nacheinander auf der leitenden Elektrode
aufgebracht sind. Der Wasserstoffgehalt in zumindest der
ersten Halbleiterschicht beträgt 10% oder weniger, und zumindest
die zweite Halbleiterschicht wird durch einen amorphen
Halbleiter gebildet.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand
der Zeichnungen im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine graphische Darstellung einer Energiebandstruktur
in einem Halbleiterfilm mit einer p-Typ-
Schicht, einer i-Typ-Schicht und einer n-Typ-
Schicht;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung vom Aufbau
einer fotovoltaischen Einrichtung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3A eine graphische Darstellung eines Profils einer
Borkonzentration in einem Halbleiterfilm;
Fig. 3B eine graphische Darstellung eines Profils einer
Wasserstoffkonzentration in einem Halbleiterfilm;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
dem Wasserstoffgehalt in der zweiten Halbleiterschicht
und der lichtbewirkten Degradation einer
fotovoltaischen Einrichtung;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
dem Wasserstoffgehalt in der zweiten Halbleiterschicht
und dem Absorptionskoeffizienten für
langwelliges Licht;
Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus
einer fotovoltaischen Einrichtung gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 2 wird ein Aufbau einer fotovoltaischen Einrichtung
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als
schematische Schnittdarstellung gezeigt. Ein Träger 1 aus
einem lichtdurchlässigen Isolator, wie z. B. Glas, hat eine
erste Oberfläche, auf die Lichtenergie h γ einfällt, und
eine zweite Oberfläche entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche.
Eine Frontelektrode 2 aus TCO (lichtdurchlässiges,
leitfähiges Oxid), wie z. B. ITO (Indium Zinn Oxid) oder
SnO₂, wird auf der zweiten Oberfläche des Trägers 1 ausgebildet.
Ein Halbleiterfilm 3 wird auf der Frontelektrode 2
durch Zersetzung eines Versorgungsgases aufgebracht. Der
Halbleiterfilm 3 wird so ausgebildet, daß er eine Halbleiterverbindung,
wie pin oder pn⁻n⁺, parallel zu dem Film
enthält. Eine Hinterelektrode 4 ist auf dem Halbleiterfilm
3 ausgebildet. Die Hinterelektrode 4 kann einen einschichtigen
Aufbau haben oder einen vielschichtigen Aufbau aus
Metall wie Al, Ti, Ag, Ni und Cr. Die Hinterelektrode 4
kann einen vielschichtigen Aufbau haben, mit einer TCO-
Schicht, die auf dem Halbleiterfilm 3 ausgebildet ist, und
einer darauf ausgebildeten, stark reflektierenden Metallschicht.
Der Halbleiterfilm 3 umfaßt: Eine erste Halbleiterschicht
3₁ einer ersten Leitungstyps, z. B. dem p-Typ, der auf der
Frontelektrode 2 ausgebildet ist und aus einem Wasserstoff
enthaltenden amorphen Halbleiter oder mikrokristallinen
Halbleiter hergestellt ist; eine zweite Halbleiterschicht
3₂, die im wesentlichen intrinsisch ist auf der ersten
Halbleiterschicht 3₁ aufgebracht ist und aus einem Wasserstoff
enthaltenden amorphen Halbleiter hergestellt ist; und
eine dritte Halbleiterschicht 3₃ des entgegengesetzten Leitungstyps,
z. B. dem n-Typ, der auf der zweiten Halbleiterschicht
ausgebildet ist und aus einem Wasserstoff enthaltenden
Halbleiter oder mikrokristallinen Halbleiter hergestellt
ist. Diese Halbleiterschichten 3₁, 3₂, 3₃, können
durch Zersetzung eines Versorgungsgases aufgebracht werden,
das Si als eine Hauptkomponente enthält, wie SiH₄ oder
Si₂H₆. Bei dieser Gelegenheit wird Wasserstoff in diese
Halbleiterschichten aufgenommen, um als ein Begrenzer (Terminator)
der nichtpaarigen Bindungen (dangling bonds) des
Siliziums zu dienen.
Der zu verwendende amorphe Halbleiter kann z. B sein hydriertes
amorphes Silizium (a-Si : H), hydriertes amorphes
Silizium Germanium (a-SiXGe1-X : H), hydriertes amorphes Silizium
Karbid (a-SiXC1-X : H), hydriertes amorphes Silizium
Oxid (a-SiXO1-X : H), hydriertes amorphes Silizium Nitrid
(a-SiXN1-X : H) oder hydriertes amorphes Silizium Oxynitrid
(a-Si1-X-YXXOXNY : H). Die gleiche Zusammensetzung wie die
des amorphen Halbleiters kann für den mikrostallinen
Halbleiter verwendet werden.
Vorzugsweise wird die erste Halbleiterschicht 3₁ durch a-
SiXC1-X : H gebildet, was ermöglicht, daß eine breite optische
Bandlücke erhalten wird, und die zweite und die dritte
Halbleiterschicht 3₂, 3₃ können durch a-Si : H gebildet werden,
was ermöglicht, daß leicht ausgezeichnete Filmcharakteristika
erhalten werden. Tabelle I zeigt ein Beispiel unterschiedlicher
Zustände beim Aufbringen der drei Halbleiter
3₁, 3₂, 3₃, durch ein Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung
einer RF (high radio freqency) Energieversorgung
von 13.56 MHz.
Ein wichtiges Merkmal, das aus Tabelle I herausgelesen werden
kann ist, daß die Trägertemperatur während der Aufbringung
der ersten Halbleiterschicht 3₁ bei 400°C gehalten
wird, viel höher als 200°C einer herkömmlichen Trägertemperatur.
Die Trägertemperatur während der Aufbringung der
zweiten Halbleiterschicht 3₂ wird bei 350°C gehalten, was
beträchtlich höher als 200°C ist.
Die Tabelle II zeigt unterschiedliche Filmcharakteristika
der drei Halbleiterschichten 3₁, 3₂, 3₃, die nacheinander
unter den in Tabelle I angegebenen Zuständen aufgebracht
wurden. Da die erste Halbleiterschicht 3₁ bei der hohen
Temperatur von 400°C aufgebracht wird, beträgt der Wasserstoffgehalt
in der ersten Halbleiterschicht nur 6%. Jedoch
gleicht Kohlenstoff in der ersten Halbleiterschicht die
Verringerung der optischen Bandlücke aus, die durch die Abnahme
des Wasserstoffgehaltes hervorgerufen wird, so daß
eine große Bandlücke von Egopt=2,1 eV erhalten werden
kann. Da die zweite Halbleiterschicht 3₂, die als die fotoaktive
Schicht zum Erzeugen optischer Ladungsträger
dient, um zur fotoelektrischen Umwandlung beizutragen,
ebenfalls bei der hohen Temperatur von 350°C auf der ersten
Halbleiterschicht 3₁ aufgebracht wird, wird auch der Wasserstoffgehalt
in der zweiten Halbleiterschicht 3₂ auf 9%
gesenkt. Andererseits wird die dritte Halbleiterschicht 3₃
auf der zweiten Halbleiterschicht 3₂ bei 200°C aufgebracht,
was die Temperatur des herkömmlichen Trägers ist, und folglich
hat die dritte Halbleiterschicht 3₃ einen Wasserstoffgehalt
von 15%, was dem normalerweise verwendete Wert
entspricht.
Tabelle III zeigt die fotovoltaischen Anfangscharakteristika
mit einer Spannung bei offenem Stromkreis Voc, einem
Kurzschlußstrom Isc, einem Füllfaktor FF und einem fotoelektrischen
Umwandlungswirkungsgrad η, die bei einer Bestrahlung
mit einer Intensität von 100 mW/cm² mit AM-1
Licht, entsprechend dem besonderen Lichtspektrum am Äquator,
gemessen wurden, und die die fotovoltaische Einrichtung
betreffen, die die erste, zweite und dritte Halbleiterschicht
3₁, 3₂, 3₃, mit den in Tabelle II gezeigten
Filmcharakteristika aufweist. Tabelle III zeigt ebenfalls
Fotovoltaische Anfangscharakteristika, die für eine Vergleichseinrichtung
gemessen wurden. In dieser Vergleichseinrichtung
wurde die erste Halbleiterschicht bei der herkömmlichen
Trägertemperatur von 200°C aufgebracht. Folglich
hat die erste Halbleiterschicht in der Vergleichseinrichtung
einen normalen Wasserstoffgehalt von 15%. Jedoch
wurde die Strömungsrate des CH₄-Gases während der Zersetzung
der ersten Halbleiterschicht der Vergleichseinrichtung
auf 1SCCM gesenkt, und entsprechend hat die erste Halbleiterschicht
der Vergleichseinrichtung die gleiche optische
Energiebandlücke Egopt = 2,1 eV, wie die erste Halbleiterschicht
der Einrichtung der Ausführungsform. Folglich hat
die Vergleichseinrichtung fast die gleichen Filmcharakteristika
wie die in Tabelle II gezeigten, mit Ausnahme, daß
der Wassergehalt in der ersten Halbleiterschicht auf 15%
erhöht ist.
Als Ergebnis des Vergleichs in Tabelle III wurde herausgefunden,
daß die gotovoltaischen Charakteristika der Ausführungsform
nicht nur durch Senken des Wasserstoffgehalts in
der zweiten Halbleiterschicht auf 10% oder weniger beträchtlich
verbessert wurden, sondern auch durch Absenken
des Wasserstoffgehaltes in der ersten Halbleiterschicht auf
10% oder weniger, auf welcher die zweite Halbleiterschicht
aufgebracht ist. Deshalb haben die Erfinder der vorliegenden
Erfindung, um die Gründe für die Verbesserung der fotovoltaischen
Charakteristika zu untersuchen, unter Verwendung
der SIMS (sekundären Ionen-Massenspektroskopie) die
Borkonzentration der p-Typ-Dopants und der Wasserstoffkonzentrationsprofile
in der Tiefenrichtung des Halbleiterfilms
in jeder der Ausführungseinrichtungen und der in Tabelle
III angegebenen Vergleichseinrichtung gemessen.
Fig. 3A zeigt ein Borkonzentrationsprofil in dem Halbleiterfilm.
Auf der Abzisse ist die Tiefe (Å) des Halbleiterfilms
von der Oberseite der dritten Halbleiterschicht aufgetragen
und auf der Ordinate ist die Borkonzentration
(cm-3) aufgetragen. In einem oberen Bereich dieser Figur
sind die erste, zweite und dritte Halbleiterschicht schematisch
dargestellt, entsprechend den jeweiligen Tiefen auf
der Abzisse. In der grafischen Darstellung von Fig. 3A
stellen die durchgezogene Kurvenlinie und die gestrichelte
Kurvenlinie die Borkonzentrationsprofile jeweils der
Ausführungseinrichtung und der Vergleichseinrichtung dar.
Der Pegel A, der durch den waagerechten Pfeil A angedeutet
wird, gibt die Borkonzentration in der ersten Halbleiterschicht
wieder, nachdem sie auf dem Träger ausgebildet
wurde, und zwar sowohl in der Ausführungseinrichtung, als
auch in der Vergleichseinrichtung.
Wie aus der graphischen Darstellung in Fig. 3A ersichtlich
ist, tritt sowohl in der Ausführungseinrichtung als auch in
der Vergleichseinrichtung eine Diffusion oder Dissipation
des Bors in der zweiten Halbleiterschicht kaum auf. Es wird
angenommen, daß dies deshalb so ist, weil Bor nicht in die
zweite Halbleiterschicht diffundiert, da die Wasserstoffkonzentration
in der zweiten Halbleiterschicht nur bei 9%
liegt. Jedoch ist die Borkonzentration in der ersten Halbleiterschicht
der Vergleichseinrichtung um das 10fache
kleiner als in der ersten Halbleiterschicht der Ausführungseinrichtung.
Da die erste Halbleiterschicht der Vergleichseinrichtung
vor der Aufbringung der zweiten Halbleiterschicht
die Borkonzentration des Pegels A hatte, bedeutet
das, daß eine große Menge Bor vor der ersten Halbleiterschicht
dissipiert wurde, bevor und/oder während der
Aufbringung der dicken zweiten Halbleiterschicht unter der
hohen Temperatur von 350°C. Im Vergleich dazu wird in der
Ausführungseinrichtung, da dort nur 6% Wasserstoff in der
ersten Halbleiterschicht enthalten sind, angenommen, daß
die Dissipation des Bors von der ersten Halbleiterschicht
wegen der Diffusionsschwierigkeit von Bor beträchtlich unterdrückt
wird.
Fig. 3B, die ähnlich wie Fig. 3A ist, gibt die
Wasserstoffkonzentration in Halbleiterfilmen wieder. Die
Pegel B und C, die durch die waagerechten Pfeile B und C angedeutet
werden, geben die Wasserstoffkonzentrationen in
den jeweiligen ersten Halbleiterschichten wieder, nachdem
diese Schichten auf den jeweiligen Trägern ausgebildet worden
sind und bevor die zweiten Halbleiterschichten in der
Ausführungseinrichtung und der Vergleichseinrichtung aufgebracht
worden sind. Wie aus der graphischen Darstellung der
Fig. 3B ersichtlich ist, verändert sich die Wasserstoffkonzentration
in der Halbleiterschicht der Ausführungseinrichtung
kaum nach der Aufbringung der zweiten Halbleiterschicht.
Andererseits verringert sich die Wasserstoffkonzentration
in der ersten Halbleiterschicht der Vergleichseinrichtung
beträchtlich nach der Aufbringung der zweiten
Halbleiterschicht.
Zusammenfassend wird angenommen, daß, da die erste Halbleiterschicht
der Vergleichseinrichtung eine große Menge Wasserstoff
(15%) enthält und einen losen Aufbau hat, Bor und
Wasserstoff von der ersten Halbleiterschicht während der
Aufbringung der zweiten Halbleiterschicht und der hohen
Temperatur von 350°C dissipieren und dadurch eine Verschlechterung
der fotovoltaischen Charakteristika der in
Tabelle III angegebenen Einrichtung, verglichen mit der
Ausführungseinrichtung, hervorrufen.
Tabelle IV zeigt fotovoltaische Charakteristika, die nach
einem Bestrahlungstest über fünf Stunden mit einer Intensität
von 500 mW/cm² mit AM-1 Licht in der Ausführungseinrichtung
mit den in Tabelle III angegebenen fotovoltaischen
Ausgangscharakteristika erhalten werden. Die Werte in der
unteren Reihe der Tabelle IV gegen Werte der fotovoltaischen
Charakteristik nach dem Bestrahlungstest an, normiert
durch die fotovoltaischen Anfangscharakteristika. Aus
diesen normierten Werten geht hervor, daß die Ausführungseinrichtung
eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit
gegen lichtbewirkte Degradation hat.
In Fig. 4 wird eine Beziehung zwischen dem Wasserstoffgehalt
in der zweiten Halbleiterschicht und der lichtbewirkten
Degradation der fotovoltaischen Einrichtung dargestellt.
In dieser graphischen Darstellung ist auf der Abzisse
die Wasserstoffkonzentration in der zweiten Halbleiterschicht
und auf der Ordinate der fotoelektrische Umwandlungswirkungsgrad
nach dem Lichtbestrahlungswert, normiert
durch die Anfangswerte, aufgetragen. In der fotovoltaischen
Einrichtung, an der der Bestrahlungstest durchgeführt
wurde, hat sich nur der Wasserstoffgehalt in der zweiten
Halbleiterschicht geändert, während die anderen
Filmcharakteristika im wesentlichen die gleichen sind, wie
in Tabelle II angegeben. Wie aus der graphischen Darstellung
der Fig. 4 klar hervorgeht, gibt es nur eine geringe
Veränderung in der lichtbewirkten Degradation bei einem
Wasserstoffgehalt in der zweiten Halbleiterschicht bis zu
10%, während die lichtbewirkte Degradation ansteigt, wenn
der Wasserstoffgehalt 10% übersteigt.
Fig. 5 ist ähnlich Fig. 4 und auf der Ordinate in der graphischen
Darstellung von Fig. 5 ist der Absorptionskoeffizient
der zweiten Halbleiterschicht mit Bezug zu einem
Licht, das eine Wellenlänge von 700 nm hat, aufgetragen.
Sowie der Wasserstoffgehalt in der zweiten Halbleiterschicht
anwächst, nimmt der Absorptionskoeffizient ab. Mit
anderen Worten heißt das, daß langwelliges Licht wirkungsvoll
absorbiert wird, entsprechend der Abnahme des Wasserstoffgehalts
in der zweiten Halbleiterschicht, und daß das
absorbierte langwellige Licht zur Verbesserung des fotoelektrischen
Umwandlungswirkungsgrades beiträgt.
Kurz, es gilt als erwiesen, daß die erste Halbleiterschicht
mit einem Wasserstoffgehalt von 10% oder weniger und vorzugsweise
6% oder weniger exzellente fotovoltaische Anfangscharakteristika
für die fotovoltaische Einrichtung
liefert. Zusätzlich gilt als erwiesen, daß die zweite Halbleiterschicht
mit einem Wasserstoffgehalt von 10% oder weniger
und vorzugsweise 6% oder weniger dazu dient, die
lichtbewirkte Degradation der fotovoltaischen Einrichtung
zu unterbinden und den fotoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad
durch Verwendung von langwelligem Licht zu verbessern.
Ferner kann in der ersten Halbleiterschicht die Abnahme der
optischen Bandlücke aufgrund der Verringerung des Wasserstoffgehaltes
durch Zugabe eines Elementes wie Kohlenstoff,
Stickstoff und Sauerstoff ausgeglichen werden, um die optische
Bandlücke zu vergrößern. Folglich ist es möglich, die
erste Halbleiterschicht so herzustellen, daß sie einen ausreichenden
Fenstereffekt aufweist, trotz des Verringerns
des Wasserstoffgehalts, und bessere fotovoltaische
Charakteristika liefert.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die n-Typ-
dritte Halbleiterschicht bei der herkömmlichen Trägertemperatur
von 200°C aufgebracht, und sie hat einen Wasserstoffgehalt
von 15%. Es muß jedoch nicht erwähnt werden, daß
sie auch bei einer hohen Trägertemperatur von etwa 300°C
oder mehr aufgebracht werden kann, um einen Wasserstoffgehalt
von etwa 10% oder weniger aufzuweisen. Weiterhin ist
die Halbleiterverbindung in dem Halbleiterfilm nicht auf
den pin-Typ beschränkt. Es kann der pn⁻n⁺ oder nip-Typ
sein, und er kann einen Tandemaufbau mit zwei oder mehr
solcher Halbleiterverbindungen haben.
In Fig. 6 wird ein Aufbau einer fotovoltaischen Einrichtung
entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung als eine schematische Schnittdarstellung gezeigt.
In der Ausführungsform der Fig. 6 ist die Einfallsrichtung
des Lichtes umgekehrt, verglichen mit der der Ausführungsform
aus Fig. 2. Genauer gesagt, muß der Träger 10
nicht lichtdurchlässig sein, und es können Metall, Keramiken,
hitzebeständige Kunststoffe oder dgl. für den Träger
10 verwendet werden. Wenn der Träger 10 aus Metall gebildet
wird, kann er ebenfalls als eine Elektrode verwendet werden.
Eine erste Halbleiterschicht 11₁ eines Leitungstyps,
eine im wesentlichen intrinsische zweite Halbleiterschicht
11₂ und eine dritte Halbleiterschicht 11₃ des entgegengesetzten
Leitungstyps werden aufeinanderfolgend auf dem Metallträger
10 aufgebracht. Der Wasserstoffgehalt von zumindest
der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 11₁, 11₂,
werden auf 10% oder weniger eingestellt. In diesem Fall
braucht die erste Halbleiterschicht 11₁ nicht als eine Fensterschicht
dienen, und es ist nicht notwendig, ein Element
zum Vergrößern der Bandlücke hinzuzufügen. Eine Frontelektrode
aus TCO wird auf der dritten Halbleiterschicht 11₃
ausgebildet.
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen haben zumindest
die erste und die zweite Halbleiterschicht einen
Wasserstoffgehalt von 10% oder weniger. Jedoch braucht nur
die erste Halbleiterschicht einen Wasserstoffgehalt von
etwa 10% oder weniger zu haben. Der niedrige Wasserstoffgehalt
der ersten Halbleiterschicht dient nicht nur dazu,
die Dissipation des Dopants zu verhindern, sondern auch
dazu, eine Diffusion und einen Eintritt von Verunreinigungselementen
aus der benachbarten Elektrode zu unterdrücken.
Des weiteren dient in dem Falle, in dem die erste Halbleiterschicht
einen solch geringen Wasserstoffgehalt aufweist,
sogar wenn die Temperatur in der fotovoltaischen Einrichtung
bei deren Tätigkeit anwächst, die erste Halbleiterschicht
als eine Sperrschicht für eine Hitzedissipation von
Verunreinigungen aus einer benachbarten Elektrode oder einem
Träger in die erste und die zweite Halbleiterschicht,
und es kann folglich die thermische Stabilität der fotovoltaischen
Einrichtung verbessert werden. Wenn der Wasserstoffgehalt
der dritten Halbleiterschicht auf etwa 10%
oder weniger abgesenkt wird, ist es möglich, die Diffusion
von Verunreinigungen aus einer benachbarten Elektrode in
den Halbleiterfilm zu unterdrücken.
Claims (5)
1. Fotovoltaische Einrichtung mit einem Träger (1, 10),
der eine leitende Elektrode aufweist, und
einer ersten Halbleiterschicht (3₁, 11₁) eines ersten Leistungstyps,
einer im wesentlichen intrinsischen zweiten
Halbleiterschicht (3₂, 11₂) und einer dritten Halbleiterschicht
(3₃, 11₃) eines dem ersten Leitungstyps entgegengesetzten
Leitungstyps, die nacheinander auf der leitenden
Elektrode aufgebracht sind,
wobei der Wasserstoffgehalt in zumindest der ersten Halbleiterschicht
(3₁, 11₁) 10% oder weniger beträgt, und
zumindest die zweite Halbleiterschicht (3₂, 11₂) aus einem
amorphen Halbleiter gebildet wird.
2. Fotovoltaische Einrichtung nach Anspruch 1, in der
der Wasserstoffgehalt in der zweiten Halbleiterschicht (3₂,
11₂) 10% oder weniger beträgt.
3. Fotovoltaische Einrichtung nach Anspruch 2, in der
der Wasserstoffgehalt in der dritten Halbleiterschicht (3₃,
11₃) 10% oder weniger beträgt.
4. Fotovoltaische Einrichtung nach Anspruch 1, in der
der Träger (1) lichtdurchlässig ist, wobei die zweite Halbleiterschicht
(3₂) mit Licht bestrahlt wird, das zuerst
durch die erste Halbleiterschicht (3₁) hindurchgeht und die
erste Halbleiterschicht (3₁) Wasserstoff und zumindest ein
weiteres Element außer Wasserstoff enthält, um die optische
Energiebandlücke zu vergrößern.
5. Fotovoltaische Einrichtung nach Anspruch 4, in der
das Element oder die Elemente zum Vergrößern der optischen
Energiebandlücke zumindest ein Element aus der Gruppe, bestehend
aus Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff ist.
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