DE4039390C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarbatterie mit punktförmigen Rückseitenelektroden und auf ein Herstellungsverfahren hierfür.
Eine Solarbatterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus "IEEE Electron Device Letters", Bd. EDL-7, Nr. 10, Seiten 567 bis 569, Oktober 1986 bekannt, Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht der Punktkontakt-Solarbatterie. Eine derart gestaltete Solarbatterie hat folgende Vorteile: Als aktive Schicht wird eine hochohmige Halbleiterschicht mit hohem spezifischem Widerstand verwendet, in der die Lebensdauer der Minoritätsträger lang ist. Da die Oberfläche der Halbleiterschicht mit einem Oxidfilm abgedeckt ist, kann eine Beeinflussung durch die Oberflächenrekombination verringert werden. Da ein pin-Übergang an der Rückfläche des Substrats parallel zum Substrat gebildet ist und Punktkontakte durch Metallelektroden vorgesehen sind, kann der Lichteinfall wirkungsvoll genutzt werden. Da ferner die Oberfläche strukturiert wurde, kann infolge eines Lichteinfangeffekts der Lichtabsorptionswirkungsgrad insbesondere für Licht langer Wellenlängen erhöht werden. Mit einer Solarbatterie gemäß Fig. 4 wird ein hoher Wandlerwirkungsgrad von 22% bei dem Sonnenstrahlungsspektrum AM 1,5 oder von 27,5% bei Lichtsammlung auf 100 Sonneneinheiten erreicht. ("AM 1,5" ist eine Bezeichnung für ein bestimmtes Sonnenstrahlungsspektrum, wobei mit AM die Luftmasse bezeichnet ist, durch die die Sonnenstrahlen hindurchtreten. Als "Sonneneinheiten" sind Energiedichteeinheiten von einfallendem Licht bezeichnet, wobei eine Sonneneinheit einer Energiedichte von 100 mW/cm² entspricht.)
Da jedoch in der derart gestalteten Solarbatterie als Substratmaterial monokristallines Si verwendet wird, bestehen die Nachteile, daß die Herstellungskosten hoch sind, ein Zellenfilm durch Polieren dünn geformt werden muß (zu einer Dicke von 60 bis 100 µm), um den Einfluß durch Auger-Rekombination zu verringern, die durch eine Konzentration von Oberflächen-Ladungsträgern verursacht wird, und dergleichen. Diese Gegebenheiten treten gleichartig wie bei der Verwendung von Silicium auch bei einem Verbindungs- Halbleiter auf.
Zum Beheben dieser Mängel ist aus der EP 02 76 961 A2 als eine Solarbatterie mit einem dünnen Film, der ausreichend große Kristallkorndurchmesser hat, und mit hohem Energieumwandlungswirkungsgrad eine Solarbatterie aus einem Halbleiterkristall mit einer hügelförmigen fazettenartigen Oberfläche bekannt, der an einer kristallkernfreien Fläche, an der sich keine Kristallkerne bilden, von einer Kristallkernformungsfläche ausgehend gebildet ist, deren Formungsdichte ausreichend größer als diejenige der kristallkernfreien Fläche ist und deren Flächeninhalt genügend klein zum Erzeugen eines einzigen Kristallkerns ist, wobei die hügelförmige fazettenartige Fläche eine Lichtempfangsfläche bildet. Gemäß der EP 02 76 961 A2 kann auf einem nicht monokristallinem Substrat preisgünstig eine Solarbatterie in Punktkontakt-Ausführung mit hohem Wandlerwirkungsgrad hergestellt werden.
Da jedoch bei der Solarbatterie gemäß der EP 02 76 961 A2 der pin-Übergang parallel zu dem Substrat angeordnet ist, besteht das Problem, daß es bei diesem Aufbau unmöglich ist, zur Verbesserung des Wandlerwirkungsgrades eine Zweifach- oder Dreifachstruktur anzuwenden, bei der Halbleiterschichten übereinandergelegt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarbatterie, deren Energieumwandlungswirkungsgrad weiter verbessert ist, sowie ein Verfahren zur optimalen Herstellung einer solchen hochleistungsfähigen Solarbatterie zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der Solarbatterie gemäß Patentanspruch 1 bzw. dem Herstellungsverfahren gemäß Patentanspruch 4 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Solarbatterie bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Wenn erfindungsgemäß über dem ersten Halbleiterkristall des ersten Leitungstyps ein erster Halbleiteraufbau mit übereinandergelegten Schichten aus der ersten hochohmigen Halbleiterschicht, der Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps und der Halbleiterschicht des ersten Leituungstyps und über dem zweiten Halbleiterkristall des zweiten Leitungstyps ein zweiter Halbleiteraufbau mit übereinandergelegten Schichten aus der ersten hochohmigen Halbleiterschicht der Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps und der Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps verwendet werden, können drei pin-Übergänge in einer Kombination aus einem Satz der beiden Halbleiteraufbauten gebildet werden. Das heißt, ein erster pin-Übergang wird durch den hügelförmigen fazettenartigen Halbleiterkristall des ersten Leitungstyps, die erste hochohmige Halbleiterschicht und die Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps gebildet. Der zweite pin-Übergang wird durch die Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps, die zweite hochohmige Halbleiterschicht und die zum zweiten Halbleiteraufbau gehörende Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps gebildet. Weiterhin wird ein dritter pin-Übergang durch die zum zweiten Halbleiteraufbau gehörende Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps, die erste hochohmige Halbleiterschicht und den hügelförmigen fazettenartigen Halbleiterkristall des zweiten Leitungstyps gebildet. Andererseits kann durch die Verwendung mehrerer Sätze aus den vorstehend genannten übereinandergelegten Schichten eine größere Anzahl von pin-Übergängen gebildet werden.
Daher ist es erfindungsgemäß durch Formen dieser pin-Übergänge mit Halbleitern mit jeweils voneinander verschiedenen Bandabständen möglich, eine Punktkontakt-Solarbatterie zu schaffen, in der im wesentlichen eine Zweifach- oder Dreifachstruktur angewandt ist.
Vorzugsweise ist der Bandabstand in den ersten hochohmigen Halbleiterschichten kleiner als der Bandabstand in den zweiten hochohmigen Halbleiterschichten.
Bei dem Herstellungsverfahren für die Solarbatterie wird selektiv ein Einkristall unter Nutzung von Bereichen einer kristallkernfreien Fläche und einer Kristallkernformungsfläche gezüchtet. Das Grundprinzip dieses selektiven Monokristall-Züchtungsverfahrens, welches aus der EP 02 76 961 A2 bekannt ist, wird nun kurz erläutert:
Bei dem selektiven Monokristall-Züchtungsverfahren wird ein Kristall selektiv auf einem Substrat unter Nutzung von Unterschieden hinsichtlich Materialfaktoren, wie Oberflächenenergie-Haltekoeffizienten, Desorptionskoeffizienten, Oberflächen-Diffusionsgeschwindigkeiten gezüchtet, die bei Dünnfilm-Formungsschritten einen Einfluß auf die Kristallkernbildung haben. Das heißt, ein Monokristall wird von der Kristallkernformungsfläche ausgehend gezüchtet, die an einer kristallkernfreien Fläche, nämlich einer Fläche mit geringer Kristallkernformungsdichte gebildet ist und deren Kristallkernformungsdichte ausreichend höher als diejenige der kristallkernfreien Fläche ist, wobei ihr Flächeninhalt klein genug ist, nur einen einzigen Kristallkern zu erzeugen. Gemäß diesem Verfahren wächst von der kristallkernfreien Fläche kein Kristall weg, sondern es wird nur an der Kristallkernformungsfläche ein Kristallkern erzeugt, an welchem der Monokristall wächst.
In den Fig. 5A bis 5C ist das vorstehend beschriebene Kristallwachsen dargestellt. Die Figuren zeigen ein isolierendes Substrat 601, eine Kristallkernformungsfläche 601′, einen Film 602, der eine kristallkernfreie Fläche bildet, und eine kristallkernfreie Fläche 602′, an der kein Kristallkern geformt wird. Mit 603 ist der gezüchtete Kristall bezeichnet.
Als Materialien, die bei dem selektiven Monokristall- Züchtungsverfahren verwendet werden können, können für die kristallkernfreie Fläche beispielsweise SiOx, Si₃N₄ oder dergleichen, für die Kristallkernformungsfläche Si, GaAs, Si₃N₄, Metall oder dergleichen und für den zu züchtenden Kristall Si, GaAs, InP, Metall oder dergleichen verwendet werden. Es können jedoch für die kristallkernfreie Fläche und die Kristallkernformungsfläche nicht die gleichen Zusammensetzungen Si₃N₄ verwendet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1A ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Gestaltung der erfindungsgemäßen Solarbatterie zeigt.
Fig. 1B zeigt eine Äquivalenzschaltung der in Fig. 1A dargestellten Solarbatterie.
Fig. 2A bis 2H sind schematische Querschnittsansichten, die Prozeßschritte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Solarbatterie veranschaulichen.
Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel für den Aufbau der erfindungsgemäßen Solarbatterie zeigt.
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel für eine herkömmliche Solarbatterie zeigt.
Fig. 5A bis 5C sind schematische Querschnittsansichten für die Erläuterung eines selektiven Monokristallzüchtungsverfahrens, das bei dem erfindungsgemäßen Solarbatterie-Herstellungsverfahren angewandt wird.
Bei der in Fig. 1A gezeigten Solarbatterie sind auf einem isolierenden Substrat 101 Sammelelektroden 103 und 104 angeordnet. Teile der Oberfläche der Elektroden 103 und 104 stehen jeweils über in einer Isolierschicht 102 ausgebildete Löcher mit Halbleiterkristallen in Kontakt, nämlich mit einem p-Halbleiterkristall 105 bzw. einem n-Halbleiterkristall 112. Auf den Halbleiterkristallen 105 und 112 sind jeweils aufeinanderfolgend erste hochohmige i-Halbleiterschicht 106, in die absichtlich keine Fremdatome eingefügt sind und in der die Lebensdauer der Minoritätsträger lang ist, eine Halbleiterschicht des zum Leitungstyp des Halbleiterkristalls entgegengesetzten Leitungstyps, nämlich eine n-Halbleiterschicht 107 bzw. eine p-Halbleiterschicht 111 und eine Halbleiterschicht vom gleichen Leitungstyp wie der Halbleiterkristall, nämlich eine p-Halbleiterschicht 108 bzw. eine n-Halbleiterschicht 110 ausgebildet. Ferner sind auf den Oberflächen der p-Halbleiterschicht 108 und der n-Halbleiterschicht 110 zweite hochohmige i-Halbleiterschichten 109 gebildet. Über die hochohmigen Halbleiterschichten 109 stehen die benachbarten hügelförmigen fazettenartigen mehrschichtigen Halbleiter miteinander in Verbindung. Die oberen Bereiche der Halbleiter sind mit einem Passivierungsfilm 115 abgedeckt.
Die Strombahnen in der Solarbatterie sind in Fig. 1B dargestellt. Es sind im wesentlichen Dioden in drei Stufen miteinander verbunden, wodurch eine Solarbatterie mit Dreifachstruktur geformt ist. Falls daher beispielsweise die Halbleiterschichten bzw. Halbleiterkristalle 105, 106, 107, 111 und 112 durch Si-Monokristalle gebildet sind und die Halbleiterschichten 108, 109 und 110 durch GaAs-Monokristalle gebildet sind, kann eine hohe Leerlaufspannung Voc=0,6+ 0,7+0,6=1,9 V oder darüber erreicht werden. Als aktive Schicht ist jede der hochohmigen Halbleiterschichten 106 und 109 ausgebildet, in denen die Lebensdauer der Minoritätsträger lang ist und deren Bandabstände voneinander verschieden sind. Daher kann das Licht auf wirkungsvolle Weise aufgenommen werden und die erzeugten Ladungsträger können gesammelt werden. Als Material für das Bilden der Halbleiterschichten bzw. Halbleiterkristalle 105 bis 112 kann beliebiges Halbleitermaterial wie Si, GaAs, InP, SiGe, SiC, ZnSe, ZnS oder dergleichen gewählt werden. Für das wirkungsvolle Absorbieren des Lichts ist es jedoch vorteilhaft, den Bandabstand der ersten hochohmigen Halbleiterschicht 106 kleiner als denjenigen der zweiten hochohmigen Halbleiterschicht 109 zu wählen.
Anhand der Fig. 2A bis 2H werden nun die Schritte bei der Herstellung der Solarbatterie gemäß dem Beispiel erläutert:
(1) Als erstes wird durch Aufsprühen auf ein isolierendes Substrat 101 ein Metall aufgedampft. Durch Leitermusterformung werden kammförmige Sammelelektroden 103 und 104 gebildet, die als Kristallkernformungsflächen dienen (Fig. 2A).
Vorzugsweise wird die Breite einer jeden der Sammelelektroden 103 und 104 normalerweise auf einen Wert im Bereich von 5 bis 180 µm gewählt, obgleich dies von der Größe der Kristallkernformungsfläche abhängig ist, was nachfolgend erläutert wird. Andererseits ist es auch anzustreben, den Abstand zwischen den Elektroden auf einen Wert in einem Bereich von 20 bis 200 µm als Mittenabstand anzusetzen, obwohl dieser durch einen Zwischenabstand zwischen den Kristallkernformungsflächen bestimmt ist. Die Dicke der Elektroden ist vorzugsweise zu 0,3 µm oder darüber zu wählen. Hierbei wird das Substrat 101 aus Quarz, Keramikmaterial oder dergleichen gebildet, wobei irgendein Material verwendet werden kann, das eine bestimmte Wärmewiderstandsfähigkeit hat. Bei dem Beispiel wurden zwar die Sammelelektroden 103 und 104 aus verschiedenen Materialien geformt, jedoch können sie aus dem gleichen Metall gebildet sein, wobei irgendein Material mit einem verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt verwendet werden kann. Beispielsweise kann Mo, W oder dergleichen verwendet werden.
(2) Unter Verwendung einer CVD-Anlage wird ein Isolierfilm 102 als kristallkernfreie Fläche in einer Dicke von 50 bis 100 nm abgelagert. Zuerst wird allein für die p-Sammelelektrode 103 durch Ätzen eine Kontaktöffnung gebildet, wodurch die Kristallkernformungsfläche freigelegt wird (Fig. 2B). Der Isolierfilm 102 wird vorzugsweise aus SiO₂, Si₃N₄ oder dergleichen geformt.
Die Fig. 2H ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für ein Muster der hierbei gebildeten Kristallkernformungsflächen zeigt. In dieser Fig. 2 sind mit 413 und 414 Sammelleitungen bezeichnet, die für den Anschluß der p- bzw. n-Sammelelektroden dienen und zum Übertragen der durch die Sammelelektroden 103 und 104 gesammelten Fotoströme zu einer externen Schaltung verwendet werden. Das Format von Kristallkernformungsflächen 416 wird vorzugsweise auf 6 µm im Quadrat oder weniger, besser auf 4 µm im Quadrat oder weniger gewählt, obgleich die richtige Festlegung des Formats durch das Material, die Formungsbedingungen und dergleichen des darauf aufgebrachten Halbleiters bestimmt ist.
(3) Unter Anwendung des vorangehend beschriebenen selektiven Monokristallzüchtungsverfahrens wird auf der freigelegten Kristallkernformungsfläche 416 ein p-Halbleiterkristall 105 gezüchtet, um dadurch eine hügelförmige Fazette zu erhalten. Wenn ein wachsender Kristallkern eine bestimmte Größe erreicht, wird das Wachstum unterbrochen. Auf jede Oberfläche des hügelförmigen monokristallinen Halbleiterkristalls 105 wird mittels der gleichen CVD-Anlage ein dünner Film 105′ aus SiO₂, Si₃N₄ oder dergleichen in einer Dicke von 10 bis 30 nm ausgebildet (Fig. 2C).
Die Größe des hügelförmigen fazettenförmigen Monokristalls 105 wird normalerweise auf einen Wert in einem Bereich von 2 bis 10 µm gewählt, obgleich dies auf geeignete Weise entsprechend der Filmdicke der ganzen gebildeten mehrschichtigen Halbleiterschicht, nämlich entsprechend dem Aufbau der Solarbatterie bestimmt wird.
(4) Auf gleichartige Weise wie bei dem Schritt (2) wird an der n-Sammelelektrode 104 in dem Isolierfilm 102 eine Kontaktöffnung gebildet, wodurch eine Kristallkernformungsfläche freigelegt wird. Ähnlich wie bei dem Schritt (3) wird nach dem selektiven Monokristallzüchtungsverfahren ein n-Halbleiterkristall 112 gezüchtet (Fig. 2D). Da zu diesem Zeitpunkt auf der Oberfläche des p-Halbleiterkristalls 105 der Isolierfilm 105′ mit geringer Kernformungsdichte geformt ist, wächst an dieser Fläche kein n-Halbleiterkristall. Es ist zweckdienlich, die Größe des Halbleiterkristalls 112 gleichermaßen wie diejenige des isolierten Halbleiterkristalls 105 auf einen Wert im Bereich von 2 bis 10 µm einzustellen.
(5) Der Isolierfilm 105′ an der Oberfläche des Halbleiterkristalls 105 wird durch Ätzen entfernt, wodurch die Kristalloberfläche wieder freigelegt wird. Danach werden der p-Halbleiterkristall 105 und der n-Halbleiterkristall 112 als Kristallkeime verwendet, an denen nach dem selektiven Monokristallzüchtungsverfahren eine i-Halbleiterschicht 106 ausgebildet wird (Fig. 2E).
Hierbei werden die Oberfläche des p-Halbleiterkristalls 105 und des n-Halbleiterkristalls 112 zu Kristallkernformungsflächen. Es ist normalerweise vorteilhaft, die Filmdicke der i-Halbleiterschicht 106 auf einen Wert in einem Bereich von 5 bis 50 µm zu wählen, obgleich dieser Wert auf geeignete Weise durch das Halbleitermaterial und den Aufbau der Solarbatterie bestimmt ist.
(6) Danach wird mittels der CVD-Anlage ein Isolierfilm aus SiO₂ oder Si₃N₄ in einer Dicke von ungefähr 10 bis 30 nm abgelagert. Durch Ätzen wird nur die Oberfläche der an dem p-Halbleiterkristall 105 gebildeten i-Halbleiterschicht 106 freigelegt. Auf die freigelegte Oberfläche wird ähnlich wie bei dem Schritt (3) eine n-Halbleiterschicht 107 aufgebracht. Danach wird mittels der CVD-Anlage wieder ein Isolierfilm in einer Dicke von 10 bis 30 nm abgelagert. Dann wird nur die Oberfläche der i-Halbleiterschicht 106 an dem n-Halbleiterkristall 112 freigelegt. Ähnlich wie auf die vorstehend beschriebene Weise wird auf die freigelegte Fläche eine p-Halbleiterschicht 111 aufgebracht (Fig. 2F).
(7) Im weiteren werden durch Wiederholen eines dem vorangehenden Schritt (6) vorangehenden Prozesses ein p-Halbleiterkristall 108 auf der n-Halbleiterschicht 107 und ein n-Halbleiterkristall 110 auf der p-Halbleiterschicht 111 ausgebildet. Dabei ist es normalerweise vorteilhaft, die Filmdicke der Halbleiterkristalle bzw. Halbleiterschichten 107, 108, 110 und 111 auf Werte in einem Bereich von ungefähr 0,1 bis 5 µm anzusetzen, obgleich diese Werte auf richtige Weise in Abhängigkeit von dem Halbleitermaterial und dem Aufbau der Solarbatterie bestimmt werden.
(8) Bei freiliegenden Kristalloberflächen der Halbleiterkristalle bzw. Halbleiterschichten 108 und 110 werden an diesen Flächen i-Halbleiterschichten 109 geformt und gezüchtet, bis sie schließlich miteinander in Berührung kommen.
Für die i-Halbleiterschicht 109 besteht keine Einschränkung auf eine monokristalline Schicht, so daß diese Schicht polykristallin oder amorph sein kann. Andererseits besteht hinsichtlich des Verfahrens für das Aufbringen der i-Halbleiterschicht 109 keine Einschränkung auf das selektive Monokristallzüchtungsverfahren, so daß auch irgendein gewöhnliches Verfahren wie ein Atmosphärendruck-CVD-Verfahren, ein Unterdruck-CVD-Verfahren, ein Plasma-CVD-Verfahren oder dergleichen angewandt werden kann.
(9) Abschließend wird mittels der CVD-Anlage auf der Oberfläche des mehrschichtigen Halbleiters ein Passivierungsfilm 115 aus SiO₂, Si₃N₄ oder dergleichen in einer Dicke von 50 bis 100 nm gebildet (Fig. 2G).
Der vorstehend beschriebene Aufbau der Solarbatterie und das Verfahren zu dessen Herstellung betreffen den Fall, daß ein Aufbau aus übereinandergelegten Schichten mit der i-Halbleiterschicht 106, der n-Halbleiterschicht 107 und der p-Halbleiterschicht 108 und ein Aufbau aus übereinandergelegten Schichten mit der i-Halbleiterschicht 106, der p-Halbleiterschicht 111 und der n-Halbleiterschicht 110 verwendet sind. Es können jedoch auch in der Solarbatterie mehrere Aufbauten aus solchen übereinandergelegten Schichten verwendet werden. Eine Solarbatterie, bei der zwei oder mehr Aufbauten dieser übereinandergelegten Schichten zusammengebaut sind, wird durch abwechselndes mehrmaliges Wiederholen der Prozeßschritte (5) und (6) hergestellt. Nimmt man für diesen Fall an, daß jeweils n Aufbauten dieser zwei Arten von übereinandergelegten Schichten zusammengebaut sind, wird die Anzahl der im wesentlichen als ein Stromkreis zusammengesetzten pin-Übergang-Dioden zu 2n+1. Auch in diesem Fall ist es anzustreben, von der Lichteinfallseite her gesehen die Bandabstände der als Materialien für die hochohmigen Schichten verwendeten Halbleiter aufeinanderfolgend verringert zu wählen.
Es werden nun praktische Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Solarbatterie beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
Es wurde die Solarbatterie mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau nach dem selektiven Monokristallzüchtungsverfahren in den Herstellungsschritten gemäß Fig. 2A bis 2H unter Verwendung von Si als Material für die Halbleiterschichten 105, 106, 107, 111 und 112 und GaAs als Material für die Halbleiterschichten 108, 109 und 110 hergestellt.
Die Schritte bei der Herstellung der Solarbatterie gemäß diesem Ausführungsbeispiel waren folgende:
(1) Auf das isolierende Substrat 101 aus Al₂O₃ wurde durch Aufsprühen in einer Dicke von 0,4 µm eine Schicht aus W aufgedampft, aus der die Sammelelektroden 103 und 104 gemäß Fig. 2H geformt wurden (Fig. 2A).
(2) Nach dem Atmosphärendruck-CVD-Verfahren wurde bis zu einer Dicke von 100 nm ein SiO₂-Film als kristallkernfreie Fläche bzw. Fläche ohne Kristallkernformung abgelagert. An der Sammelelektrode 103 wurden Kontaktöffnungen derart gebildet, daß die Kristallkernformungsflächen (W) in dem Format von 4 µm im Quadrat in Abständen von 100 µm freigelegt waren (Fig. 2B).
(3) Nach dem selektiven Monokristallzüchtungsverfahren wurden die hügelförmigen fazettenartigen p-Si-Kristalle 105 gezüchtet, bis ein Korndurchmesser von 6 µm erreicht war (Fig. 2C). Dabei wurden die Wachstumsbedingungen derart gewählt, daß das Durchflußverhältnis von Rohmaterialgasen auf SiH₂Cl₂ : HCl : H₂ : B₂H₆=0,54 : 1,4 : 100 : 0,03 (l/min) eingestellt war, die Substrattemperatur auf 900°C gehalten wurde und der Druck auf 20 kPa eingestellt war.
(4) Dann wurde nach dem Atmosphärendruck-CVD-Verfahren auf der ganzen Substratoberfläche ein SiO₂-Film in einer Dicke von 20 nm abgelagert. An der Sammelelektrode 104 wurden ähnlich wie bei dem Schritt (2) Kontaktlöcher gebildet. Die n-Si-Kristalle 112 wurden bis zum Erreichen eines Korndurchmessers von 6 µm gezüchtet (Fig. 2D). Die Wachstumsbedingungen waren diesmal im wesentlichen die gleichen wie bei dem Schritt (2) mit der Ausnahme, daß als Dotierungsmittel anstelle von B₂H₆ PH₃ verwendet wurde.
(5) Durch Ätzen mit einer HF-Lösung wurde der Oxidfilm 105′ an den p-Si-Kristallen 105 abgetragen. Danach wurden die p-Si-Kristalle 105 und die n-Si-Kristalle 112 als Kristallkeime verwendet, an denen die i-Si-Schichten 106 gezüchtet wurden, wobei ein Durchflußverhältnis SiH₂Cl₂ : HCl : H₂= 0,54 : 2,0 : 100 (l/min), eine Substrattemperatur von 920°C und ein Druck von 20 kPa eingestellt wurden. Der Züchtungsprozeß wurde bei einem Korndurchmesser von 70 µm abgebrochen.
(6) Auf dem i-Si-Kristall 106 wurde wieder nach dem Atmo­ sphärendruck-CVD-Verfahren ein SiO₂-Film in einer Dicke von 20 nm abgelagert. Es wurde nur die Oberfläche des an dem p-Si-Kristall 105 gebildeten i-Si-Kristalls 106 freigelegt. Unter den gleichen Formungsbedingungen wie für den n-Si-Kristall 112 wurde die n-Si-Schicht 107 bis zu einer Filmdicke von 3 µm gezüchtet, d. h., bis der Korndurchmesser des mehrschichtigen Halbleiterkristalls als ganzes ungefähr 76 µm war. Danach wurde wieder eine SiO₂-Schicht aufgebracht. Dann wurde ähnlich wie auf die vorstehend beschriebene Weise unter den gleichen Formungsbedingungen wie für den p-Si-Kristall 105 auch an der Oberfläche des an dem n-Si-Kristall 112 gebildeten i-Si-Kristalls 106 der p-Kristall 111 in einer Dicke von 3 µm gezüchtet.
(7) Dann wurde mittels einer gewöhnlichen MOCVD-Anlage in Schritten, die den vorstehend beschriebenen Prozeßschritten gleichartig waren, auf dem mehrschichtigen Si-Halbleiterkristall hetero-epitaxial ein GaAs-Kristall gezüchtet. Zuerst wurde auf der n-Si-Schicht 107 die p-GaAs-Schicht 108 gezüchtet, wonach dann auf der p-Si-Schicht 111 die n-GaAs-Schicht 110 gezüchtet wurde. Das Verhältnis und die Durchflußraten der Rohmaterialgase wurden zu Trimethyl-Gallium (TMG) : Arsenwasserstoff (AsH₃)=3×10-5 : 1,8×10-4 (Mol/min) und H₂=3,0 (l/min) angesetzt, während als Dotierungsmittel für die p-Leitfähigkeit Trimethyl-Zink (TMZn)= 1,5×10-6 Mol/min und für die n-Leitfähigkeit Selenwasserstoff (H₂Se)=2×10-7 Mol/min zugemischt wurde. Die Substrattemperatur wurde auf 700°C eingestellt und der Druck wurde auf 10,7 kPa eingeregelt. Die Filmdicken der p-GaAs-Schicht 108 und der n-GaAs-Schicht 110 wurden auf 1 µm eingeregelt.
(8) Bei einem Zustand, bei dem die Oberflächen der GaAs-Schichten 108 und 110 nicht mit SiO₂ überdeckt waren, nämlich die Kristallflächen dieser GaAs-Schichten freigelegt waren, wurden unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen, jedoch ohne Zusatz eines Dotierungsmittels die i-GaAs-Schichten 109 gezüchtet, bis die benachbarten mehrschichtigen Halbleiter schließlich miteinander in Berührung kamen.
(9) Abschließend wurde auf der Oberfläche des erzeugten mehrschichtigen Halbleiters eine SiO₂-Passivierungsschicht in einer Dicke von 50 nm aufgebracht. Damit waren die vorstehend beschriebenen Prozeßschritte abgeschlossen.
Unter Lichtbestrahlung gemäß den Bedingungen AM 1,5 wurde die Strom/Spannungs- bzw. I/V-Kennlinie der auf die vorstehend beschriebenen Weise hergestellten Solarbatterie mit Mehrschichtenstruktur gemessen. Dabei ergab sich bei einer Zellenfläche von 1 cm² eine Leerlaufspannung Voc von 2,0 V, ein Kurzschluß-Fotostrom Isc von 13,5 mA/cm² und ein Füllfaktor FF von 0,77. Der Wandlerwirkungsgrad betrug 27%. Es wurden damit außerordentlich gute Eigenschaften erzielt.
Zweites Ausführungsbeispiel
Die Solarbatterie mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau wurde unter Verwendung von Si als Material für die Halbleiterschichten 105, 107, 108, 109, 110, 111 und 112 und von SiGe als Material für die Halbleiterschicht 106 hergestellt.
Nachstehend werden die Herstellungsschritte für die Herstellung der Solarbatterie gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben:
(1) Auf gleichartige Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurden auf dem Al₂O₃-Substrat 101 die hügelförmigen fazettenartigen Si-Kristalle 105 (mit p-Leitfähigkeit) und 112 (mit n-Leitfähigkeit) jeweils in einer Größe von 6 µm gezüchtet. Danach wurden diese Kristalle als Kristallisationskeime verwendet, an denen die i-SiGe-Kristalle 106 unter folgenden Bedingungen gezüchtet wurden: SiH₂Cl₂ : GeH₄ : HCl : H₂=0,54 : 0,15 : 1,5 : 100 (l/min), Substrattemperatur =890°C und Druck =20 kPa. Der Wachstumsprozeß wurde abgebrochen, sobald der Korndurchmesser gleich 50 µm war.
(2) Dann wurden auf gleichartige Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aufeinanderfolgend auf den bei dem Schritt (1) geformten SiGe-Kristallen die dotierten Si-Schichten 107, 111, 108 und 110 jeweils in einer Dicke von 3 µm gebildet. Danach wurden die i-Si-Kristalle 109 gezüchtet, bis die benachbarten hügelförmigen mehrschichtigen Halbleiter miteinander in Berührung kamen. Abschließend wurde auf der Oberfläche des mehrschichtigen Halbleiters der SiO₂-Film in einer Dicke von 50 nm als Passivierungsfilm abgelagert.
Unter Lichtbestrahlung gemäß den Norm-Bedingungen AM 1,5 wurden die I/V-Kennlinien der auf die vorstehend beschriebenen Weise erhaltenen Solarbatterie gemessen. Bei einer Zellenfläche von 1,5 cm² ergab sich: Voc=1,62 V, Isc=21,2 mA/cm² und FF=0,75. Es wurde ein hoher Umwandlungswirkungsgrad von 25,8% erreicht.
Drittes Ausführungsbeispiel
Auf im wesentlichen die gleiche Weise wie bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wurde eine Solarbatterie mit dem in Fig. 3 dargestellten Aufbau hergestellt. Als Material für Halbleiterschichten 105, 107, 108, 509, 510, 514, 110, 111 und 112 wurde Si verwendet. Als Material für Halbleiterschichten 106 wurde SiGe verwendet, während als Material für Halbleiterschichten 511, 109 und 513 GaAs verwendet wurde. Die Halbleiterschichten wurden auf dem gleichen Substrat wie demjenigen bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die Formungsbedingungen für die jeweiligen Schichten waren die gleichen wie bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. Die Dicken der p-Halbleiterschichten und der n-Halbleiterschichten waren die gleichen wie bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. Bezüglich der i-Halbleiterschichten wurde die Dicke der SiGe-Schicht 106 auf 20 µm eingestellt, die Dicke der Si-Schicht 509 auf ungefähr 12 µm eingestellt und die Dicke der GaAs-Schicht 109 auf ungefähr 5 µm gewählt.
Unter Lichtbestrahlung gemäß den Bedingungen AM 1,5 wurde die I/V-Kennlinie der auf die vorstehend beschriebenen Weise geformten Solarbatterie gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel gemessen. Dabei ergab sich Voc=2,9 V, Jsc=13,6 mA/cm² und FF=0,72. Es wurde somit ein außerordentlich hoher Wandlerwirkungsgrad von 28,4% erreicht.

Claims (7)

1. Solarbatterie
  • - mit mindestens einer ersten Elektrode (103) und mindestens einer zweiten Elektrode (104), die alle auf der der Lichteinfallseite gegenüberliegenden Seite der Solarbatterie abwechselnd nebeneinander angeordnet sind, wobei auf der ersten Elektrode (103) jeweils ein erster Halbleiterkristall (105) eines ersten Leitungstyps und auf der zweiten Elektrode (104) jeweils ein zweiter Halbleiterkristall (112) eines zweiten Leitungstyps geformt ist, und
  • - mit einer zweiten hochohmigen Halbleiterschicht (109), deren Oberfläche die Lichtempfangsfläche bildet,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die ersten und zweiten Elektroden (103, 104) auf einem gemeinsam isolierenden Substrat (101) angeordnet sind,
  • - daß auf den ersten und zweiten Halbleiterkristallen (105, 112) jeweils aufeinanderfolgend und die jeweiligen Halbleiterkristalle überdeckend eine erste hochohmige Halbleiterschicht (106), eine Halbleiterschicht (107, 111) des zum Leitungstyp des jeweiligen Halbleiterkristalls entgegengesetzten Leitungstyps und eine Halbleiterschicht (108, 110) vom gleichen leitungstyp wie der jeweilige Halbleiterkristall ausgebildet sind und
  • - daß die derart über jeden Halbleiterkristall gebildeten mehrschichtigen Halbleiteraufbauten durch die zweite hochohmige Halbleiterrschicht (109) überdeckt und über diese miteinander elektrisch verbunden sind.
2. Solarbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandabstände der ersten hochohmigen Halbleiterschichten (106) kleiner als die Bandabstände der zweiten hochohmigen Halbleiterschicht (109) sind.
3. Solarbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkristalle und die Halbleiterschichten jeweils aus einem Material hergestellt sind, das aus der Gruppe Si, GaAs und SiGe gewählt ist.
4. Verfahren zur Herstellung einer Solarbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß an dem isolierenden Substrat (101), an dem die ersten und zweiten Elektroden (103, 104) gebildet sind, ein als eine nicht zur Kristallisationskernbildung geeignete Fläche dienender Bereich geformt wird,
daß in der kristallkernfreien Fläche an der ersten Elektrode eine Kontaktöffnung gebildet wird, wodurch die Oberfläche der ersten Elektrode freigelegt wird, welche als Kristallkernformungsfläche (416) dient, deren Kristallkerndichte ausreichend größer als diejenige der kristallkernfreien Fläche ist und deren Flächeninhalt klein genug zum Erzeugen eines einzigen Kristallkerns ist,
daß nur an der Kristallkernformungsfläche selektiv ein Monokristall gebildet wird, wodurch der erste Halbleiterkristall (105) des ersten Leitungstyps gebildet wird,
daß in der kristallkernfreien Fläche an der zweiten Elektrode (104) eine Kontaktöffnung gebildet wird, wodurch die Oberfläche der zweiten Elektrode freigelegt wird, die als Kristallkernformungsfläche dient, deren Kristallkerndichte ausreichend größer als diejenige der kristallkernfreien Fläche ist und deren Flächeninhalt klein genug zum Erzeugen von nur einem einzigen Kristallkern ist,
daß nur an der Kristallkernformungsfläche selektiv ein Monokristall geformt wird, wodurch der zweite Halbleiterkristall (112) des zweiten Leitungstyps gebildet wird,
daß auf dem Halbleiterkristall des ersten Leitungstyps und auf dem Halbleiterkristall des zweiten Leitungstyps die erste hochohmige Halbleiterschicht (106) gebildet wird,
daß auf der über dem ersten Halbleiterkristall angeordneten ersten hochohmigen Halbleiterschicht aufeinanderfolgend die Halbleiterschicht (107) des zweiten Leitungstyps und die Halbleiterschicht (108) des ersten Leitungstyps gebildet werden,
daß auf der über dem zweiten Halbleiterkristall des zweiten Leitungstyps angeordneten ersten hochohmigen Halbleiterschicht aufeinanderfolgend die Halbleiterschicht (111) des ersten Leitungstyps und die Halbleiterschicht (110) des zweiten Leitungstyps gebildet werden, und
daß auf den zuletzt gebildeten der Halbleiterschichten des ersten Leitungstyps und des zweiten Leitungstyps die zweiten hochohmigen Halbleiterschichten (109) gebildet werden, wodurch die zuletzt gebildeten Halbleiterschichten des ersten und des zweiten Leitungstyps elektrisch verbunden werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandabstand der ersten hochohmigen Halbleiterschichten kleiner als der Bandabstand der zweiten hochohmigen Halbleiterschichten gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der als kristallkernfreie Fläche dienende Bereich aus SiO₂ gebildet wird.
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