DE4213391A1 - Monolithische tandem-solarzelle - Google Patents

Monolithische tandem-solarzelle

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Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine photovoltaische Solarzelle und insbesondere auf eine photovoltaische Tandem-Solarzelle der Mehrfach-Grenzschicht (multÿunction) Bauart. Die Erfindung bezieht sich speziell auf monolithische photovoltaische Tandem-Solarzellen, die effizient, strahlungsbeständig und brauchbar nicht nur in terrestrischen Anwendungsfällen, sondern auch in Weltraumanwendungsfällen sind.
Photovoltaische Zellen, die allgemein auch als Solarzellen bekannt sind, weisen im wesentlichen Halbleiter auf, die die Fähigkeit besitzen, elektromagnetische Energie (wie beispielsweise Licht oder Solarstrahlung) direkt in Elektrizität umzuwandeln. Solche Halbleiter sind normalerweise gekennzeichnet durch feste oder massive Kristallstrukturen, die Energiebandspalte zwischen ihren Wertigkeitselektronenbändern und ihren Leitungselektronenbändern besitzen. Wenn Licht durch das Material absorbiert wird, so werden die niedrigere Energiezustände einnehmenden Elektronen angeregt, um den Bandabstand oder -spalt zu höheren Energiezuständen zu überqueren. Wenn beispielsweise Elektronen im Valenzband eines Halbleiters hinreichend Energie aus Photonen der Solarstrahlung absorbieren, so können sie über den Bandspalt zu dem höheren Energieleitungsband springen.
Elektronen, die auf höhere Energiezustände erregt sind, hinterlassen nicht besetzte Niedrigenergiepositionen oder Löcher. Diese Löcher können im Kristallgitter von Atom zu Atom sich verschieben und wirken dadurch als Ladungsträger, wie dies freie Elektronen im Leitungsband tun, und sie tragen zur Leitfähigkeit des Kristalls bei. Der größte Teil der im Halbleiter absorbierten Photonen bewirkt einen Anstieg dieser Elektronen-Loch-Paare, die den Photostrom erzeugen und ihrerseits die durch die Solarzelle gezeigte Photospannung hervorrufen.
Es ist bekannt, den Halbleiter mit einem unähnlichen Material zu dotieren, um eine Raumladungsschicht zu erzeugen, welche die Löcher und Elektronen zur Verwendung als Ladungsträger trennt. Sobald diese Trennung vorliegt, erzeugen diese gesammelten Loch- und Elektronenladungsträger einer Raumladung, die eine Spannung an der Grenzschicht zur Folge hat, wobei es sich hier um die Photospannung handelt. Wenn man es zuläßt, daß die Loch-und Ladungsträger durch eine externe Last fließen, so bilden sie einen Photostrom.
Es ist bekannt, daß Photonenenergien oberhalb des Schwellenenergiespalts oder Bandspalts zwischen den Valenz- und Leitungsbändern normalerweise als Wärme verloren gehen; auf diese Weise erfolgt eine Verschwendung und es wird keine brauchbare Arbeit geleistet. Speziell gibt es ein festes Quantum an potentieller Energiedifferenz an dem Bandspalt im Halbleiter. Damit ein Elektron im unteren Energievalenz oder Wertigkeitsband zum -Überspringen des Bandspalts zu dem höheren Energieleitungsband angeregt werden kann, muß es ein hinreichendes Energiequantum absorbieren normalerweise aus einem absorbierten Photon, und zwar mit einem Wert mindestens gleich der potentiellen Energiedifferenz über den Bandspalt hinweg.
Der Halbleiter ist transparent gegenüber Strahlung mit Photonenenergien kleiner als dem Bandspalt. Wenn andererseits das Elektron mehr als das Schwellenquantum an Energie absorbiert, beispielsweise von einem eine höhere Energie besitzenden Photon, kann es dem Bandspalt überspringen. Der Überschuß dieser absorbierten Energie über das Schwellenquantum hinaus, welches für das Elektron erforderlich ist, um den Bandspalt zu überspringen, hat ein Elektron zur Folge, das eine höhere Energie besitzt als die meisten anderen Elektronen im Leitungsband. Die überschüssige Energie wird schließlich in der Form von Wärme verloren. Das Nettoresultat besteht darin, daß die effektive Photospannung eines einen einzigen Bandspalt aufweisenden Halbleiters durch den Bandspalt begrenzt ist.
In einer einen einzigen Halbleiter aufweisenden Solarzelle ist es somit erforderlich, daß zum Einfangen von so viel Photonen wie möglich, aus dem Spektrum der Solarstrahlung der Halbleiter einen kleinen Bandspalt besitzt, so daß sogar Photonen niedrigeren Energien Elektronen zum Überspringen des Bandspalts anregen können. Dies hat natürlich damit zusammenhängende Einschränkungen zur Folge. Als erstes ist zu bemerken, daß die Verwendung eines einen schmalen Bandspalt besitzenden Materials eine niedrigere Photospannung für die Vorrichtung zur Folge hat, und somit natürlich auch eine niedrigere Leistungsabgabe. Zum zweiten erzeugen die Photonen aus höherer Energiestrahlung überschüssige Energie, die in der Form von Wärme verloren geht.
Wenn andererseits der Halbleiter mit einem größeren Bandspalt konstruiert wird, um die Photospannung zu erhöhen und den durch die thermische Wirkung der heißen Träger verursachten Energieverlust zu vermindern, dann werden die Photonen mit niedrigeren Energien nicht absorbiert. Infolgedessen ist es bei der Konstruktion konventioneller Solarzellen mit einer einzigen Grenzschicht notwendig, diese Betrachtungen ins Gleichgewicht zu bringen und zu versuchen, einen Halbleiter mit einem optimalen Bandspalt zu konstruieren, wobei man realisieren muß, daß ein signifikanter Energieverlust bei sowohl Photonen mit großer als auch kleiner Energie herauskommt.
In den vergangenen Jahren wurde viel Arbeit zur Lösung dieses Problems investiert, und zwar durch Herstellung von Tandem- oder Mehrfachgrenzschicht (multÿunction) oder auch sogenannten Kaskade-Solarzellenstrukturen, in denen die obere Zelle einen größeren Bandspalt besitzt und die Photonen höhere Energie absorbiert, während die Photonen niedrigerer Energie durch die obere Zelle in die unteren oder Bodenzellen laufen, die kleinere Bandspalte besitzen zur Absorption der Strahlung niederer Energie.
Die Bandspalte sind von oben nach unten, vom höchsten zum niedrigsten angeordnet, um einen optischen Kaskadeneffekt zu erzielen. Im Prinzip kann eine willkürliche Anzahl von Subzellen in dieser Art und Weise gestapelt werden; als praktische Grenze werden jedoch zwei oder drei angesehen. Die Mehrschichtsolarzellen sind in der Lage, höhere Umwandlungswirkungsgrade zu erreichen, da jede Subzelle Solarenergie in elektrische Energie über ein kleines Photonenwellenlängenband umwandelt, über welches hinweg die Energien in effizienter Weise umgewandelt wird.
Es sind verschiedene Optionen hinsichtlich der elektrischen Verbindung zwischen den Subzellen moglich, und zwar einschließlich der folgenden: (1) Serienverbindung, (2) spannungsangepaßte Verbindung und (3) unabhängige Verbindung. Bei in Serie geschalteten Tandem-Solarzellen ergibt sich eine Stromanpassung der zwei Subzellen. Der Vorteil der unabhängig verbundenen Bauart besteht darin, daß die Probleme der elektrischen Verbindung von zwei Subzellen vermieden werden. Diese Bauart gestattet auch, mehrere Möglichkeiten hinsichtlich der Konstruktion der Solarzelle. Jedoch ist die Herstellung der Solarzelle komplizierter und es ist auch komplizierter, Leistung von jeder separaten Zelle zu einer einzigen elektrischen Last zu liefern. Es handelt sich hierbei um ein Systemproblem.
Diese Tandemzellen können auf zwei unterschiedliche Arten hergestellt werden. Bei der ersten Art wird jede Solarzelle (mit unterschiedlichen Bandspalten) separat hergestellt und sodann erfolgt die Stapelung der Zellen mechanisch in optischer Serie durch irgendeiner Methode aus einer Anzahl von mehreren Methoden. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß eine solche gestapelte Anordnung nur kompliziert herzustellen ist. Der Vorteil ist die Flexibilität bei der Aufeinanderstapelung unterschiedlicher Materialien.
Die zweite Art der Herstellung einer Tandem-Solarzelle sieht die Bildung eines monolithischen kristallinen Stapels aus Materialien mit den gewünschten Bandspalten vor. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die Einfachheit der Verarbeitung. Der Nachteil besteht darin, daß es eine begrenze Anzahl von Materialkombinationen ergibt, die epitaxial in Vorrichtungsqualitätsform gewachsen werden können.
Es ist allgemein von der Fachwelt anerkannt, daß die gewünschte Konfiguration für monolithische Mehrfachgrenzschicht-Tandemvorrichtungen am besten erreicht wird durch die Gitteranpassaung des oberen Zellenmaterials an das untere Zellenmaterial. Fehlanpassungen bei den Gitterkonstanten rufen Defekte oder Versetzungen im Kristallgitter hervor, wo Rekombinationszentren auftreten können, was den Verlust an photoerzeugten Minoritätsträgern zur Folge hat und auf diese Weise in signifikanter Weise die photovoltaische Qualität der Vorrichtung verschlechtert. Insbesondere werden solche Effekte die Leerlaufspannung (Voc), den Kurzschlußstrom (Jsc) und den Füllfaktor (FF) vermindern, was die Beziehung oder das Gleichgewicht zwischen Strom und Spannung für effektive Leistungsabgabe repräsentiert. Der gitterangepaßte monolithische Lösungsweg sieht eine elegante Art und Weise für die Konstruktion von Hochqualitäts-Tandemzellen vor.
Ein allgemeines Problem bei konventionellen Halbleitern ist deren Fehlen eines Strahlungswiderstandes, wie dies erforderlich wäre, um einen verschlechterungsfreien Betrieb im Raum sicherzustellen. Dieses Problem ist besonders ungünstig bei Betrachtung von Raum-photovoltaischen Elementen, wo konventionelle Si-Solarzellen mit der Zeit sich verschlechtern oder degradieren. Somit wurden alternative Halbleitermaterialien zur Überwindung dieser Probleme untersucht.
Indiumphosphid (InP) ist ein attraktiver III-V Halbleiter für verschiedene elektronische Anwendungen unter Verwendung von Heterostrukturen wegen der großen Anzahl von gitterangepaßter III-V ternärer und quaternärer Materialien, die verfügbar sind, wie beispielsweise GaAsSb, GaInAs, AlAsSb, GaInAsP und AlInAs. Zusätzlich zu der Tatsache, daß Gitteranpassung vorliegt, die dieser Verbindungen einen weiten Bereich von Bandspalten, was bei der Konstruktion komplexer Vorrichtungsstrukturen hilfreich ist. InP wird auch als der Hauptkandidat angesehen für photovoltaische Anwendungen im Raum, und zwar wegen seiner überlegenen Strahlungshärte und der erwiesenen hohen Wirkungsgrade.
Die Möglichkeit der Konstruktion von strahlungsbeständigen oder Strahlungshärten auf InP basierendem Tandem-Solarzellen für Raumanwendungsfälle erscheint somit möglich. Nichts im Hinblick darauf wurde jedoch bislang offenbart.
Andere Verfahren zur Herstellung einer Tandem-Solarzelle sind bekannt. Beispielsweise beschreibt US-PS 42 89 920 eine Zweizellenkonstruktion, bei der unterschiedliche Halbleitermaterialen auf entgegengesetzte Oberflächen eines transparenten Isolationssubstrats aufgewachsen werden. Anders ausgedrückt, befinden sich die zwei Halbleiter nicht in körperlichem Kontakt miteinander. Infolgedessen besteht keine Notwendigkeit für eine Gitteranpassung der beiden Halbleiter; die Probleme im Zusammenhang mit der Ausbildung von Hochqualitätshalbleiterschichten auf dem Zwischensubstrat sind jedoch zweifelsohne beträchtlich. Eine die Bodenoberfläche des unteren Halbleiters abdeckende Schicht reflektiert Licht durch die Struktur. Die Metallschicht erstreckt sich um die Kante, um die zwei Zellen elektrisch in Serie zu schalten.
Bisher wurde noch keine monolithische photovoltaische Tandem-Solarzelle vorgesehen mit den Vorteilen sowie der zweckmäßigen Kombination von Merkmalen, wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist.
Zusammenfassung der Erfindung. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung monolithische photovoltaische Tandem-Solarzellen vorzusehen, die außerordentlich strahlungsbeständig und effizient sind. Ferner bezweckt die Erfindung, eine monolithische photovoltaische Tandem-Solarzelle anzugeben, in der eine prismatische Deckschicht vorgesehen ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine monolithische photovoltaische Tandem-Solarzelle vorzusehen, die Schichten aus InP und GaInAsP (oder GaInAs) aufweist, wobei die photovoltaische Zelle beispielsweise für Anwendungsfälle auf dem Gebiet der Leistungserzeugung im Raum geeignet ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine photovoltaische Tandem-Solarzelle anzugeben, die ein verbessertes Leistungs-zu-Masseverhältnis aufweist. Schließlich bezweckt die Erfindung eine monolithische photovoltaische Tandem-Solarzelle vorzusehen, bei der eine einzigartige Mittelkontaktzone vorgesehen ist zwischen den beiden Subzellen. Schließlich bezweckt die Erfindung auch eine verbesserte drei Anschlüsse aufweisende monolithische photovoltaische Tandem-Solarzelle vorzusehen.
Um die genannten sowie weitere Ziele zu erreichen, weist die erfindungsgemäße monolithische photovoltaische Tandem-Solarzelle folgendes auf:
  • a) ein InP-Substrat mit einer oberen Oberfläche (Oberseite);
  • b) eine erste photoaktive Subzelle an der Oberseite des InP-Substrats. wobei die erste Subzelle GaInAs (welches GaInAsP) aufweisen könnte) aufweist und eine Homo- oder Gleichgrenzschicht (homojunction) besitzt;
  • c) eine zweite photoaktive Subzelle über der ersten Subzelle, wobei die zweite Subzelle InP aufweist und eine Homogrenzschicht besitzt, und
  • d) eine optisch transparente prismatische Abdeckschicht über der zweiten Subzelle.
Die GaInAs (die GaInAsP aufweisen könnte) Subzelle ist gitterangepaßt mit dem InP. Die InP-Subzelle besitzt einen größeren Energiebandspalt als die erste Subzelle.
Die photovoltaische Solarzelle der Erfindung zeigt mehrere Vorteile. Es ist eine monolithische gitterangepaßte Vorrichtungsstruktur, die im Prinzip mit bis zu lediglich vier unterschiedlichen oder distinktiven Epitaxialschichten oder -lagen hergestellt werden kann. Der Bandspalt der unteren Subzelle kann abgestimmt oder konstruiert werden ohne einen Kompromiß hinsichtlich der Gitteranpassung machen zu müssen.
Ein Computermodell der Leistungsfähigkeit der erfindungsgemnäßen Solarzelle zeigt, daß die Solarzelle in der Lage ist mit sehr hohen Wirkungsgraden zu arbeiten, und zwar bei AMO oder terrestrischen Beleuchungsbedingungen (insbesondere bei konzentrierter Sonnenbeleuchtung).
Die Technologie zur Herstellung und zur Handhabung von InP und GaInAsP-Materialien ist weit entwickelt bei Anwendungen auf anderen elektronischen und opto-elektronischen Vorrichtungsgebieten, was die Vorrichtungsbearbeitung erleichtert.
Für Raumanwendungsfälle ist die Tandem-Solarzelle besonders vorteilhaft, weil sie eine Strahlungshärte oberer Zelle verwendet, die 75 bis 80% der gesamten Ausgangsleitung der Tandem-Solarzelle erzeugt.
Die erfindungsgemäße Solarzellenkonstruktion ist vorzugsweise als eine Drei-Anschlußvorrichtung ausgebildet, und zwar einschließlich einer einzigartigen Mittelkontaktzone. Bevorzugste Solarzellenkonstruktionnen weisen auch Schichten auf aus n-Typ GaInAs und InP zwischen der InP oberen Zelle und den oberen Kontakten.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen monolithischen photovoltaischen Tandem-Solarzelle;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer monolithischen photovoltaischen Tandem-Solarzelle gemäß der Erindung;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer monolithischen photovoltaischen Tandem-Solarzelle der Erfindung;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Quanteneffizienzdaten für eine Solarzelle der Bauart gemäß Fig. 1;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Stromspannungsdaten für eine Solarzelle der Bauart gemäß Fig. 1;
Fig. 6 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer monolithischen photovoltaischen Tandem-Solarzelle der Erfindung;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der in Fig. 6 gezeigten Solarzelle;
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Wirkungsgrads einer drei Anschlüsse aufweisenden photovoltaischen Tandem-Solarzelle der Erfindung; und
Fig. 9 eine graphische Darstellung der Stromspannungsdaten für eine verbesserte Solarzelle gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer monolithischen zwei Grenzschichten und drei Anschlüsse aufweisenden Einkristall-Tandem-Solarzelle. Diese Zelle weist eine obere InP-Subzelle 10 auf, die eine gleichartige oder "Homo"-Grenzschicht (homojunction) 10A aufweist. Die Solarzelle weist auch eine GaInAs- oder GaInAsP-Bodensubzelle 20 auf, die eine Homo-Grenzschicht 20A umfaßt. Unter der unteren oder Bodensubzelle befindet sich ein InP-Substrat 15.
Der obere leitende Kontakt 11 wird durch die Oberseite (obere Oberfläche) der oberen Subzelle 10 getragen, wie dies dargestellt ist, und hat einen niedrigen Widerstandswert und ist elektrisch von Ohmscher Natur. Der hintere leitende Kontakt 13 steht in Kontakt mit der Unterseite (untere Oberfläche) des InP-Substrats und besitzt einen niedrigen Widerstandswert und ist elektrisch von Ohmscher Natur. Ein Mittelkontakt 12 wird von der p-Schicht der oberen Zelle 10 getragen und besitzt einen niedrigen Widerstandswert und ist elektrisch von Ohmscher Natur. Die Kontakte 11 und 13 können beispielsweise aus Gold bestehen. Der Kontakt 12 kann beispielsweise ein Laminat aus Gold und Zink sein.
Jede Subzelle weist photoaktive Regionen oder Zonen auf. Beispielsweise weisen die photoaktiven Regionen der Subzelle 10 die n⁺-InP Oberregion und ein Teil der p-InP unteren Region direkt unterhalb der n⁺/p-Grenzschicht auf. Die photoaktive Region der Subzelle 20 weist sowohl p⁺- als auch n-Typregionen auf. Die untere Region der Subzelle 10 und die obere Region der Subzelle 20 sind von einem gemeinsamen Leitfähigkeitstyp. Die untere Region der Subzelle 10 und die obere Region der Subzelle 20 sind somit beide vom p-Typ. Wenn gewünscht, können natürlich beide Regionen auch stattdessen vom n-Typ sein (d. h. für p/n/p-Vorrichtungen). Der Ohmsche Mittelkontakt 12 ist zwischen den photoaktiven Regionen beider Subzellen angeordnet.
Auf der Oberfläche (obere Oberfläche) der oberen Subzelle 10 ist ein konventioneller Antireflektionsüberzug 14 angebracht. Der Zweck dieses Überzugs besteht darin, zu verhindern, daß Strahlung von Oberseite der Subzelle 10 zurückreflektiert wird.
Das Substrat ist in den Zeichnungen als ein InP-Subtrat dargestellt. InP ist ein attraktiver III-V-Halbleiter für verschiedene elektronische Vorrichtungsanwendungen wegen seiner elektronischen und opto-elektronischen Eigenschaften. Die Hauptnachteile bei Verwendung dieses Materials als Substrat sind die hohen Kosten, die Brüchigkeit und die hohe Massendichte von InP.
Das Substrat 15 kann im wesentlichen aus InP bestehen oder es kann eine dünne Schicht aus InP auf einem anderen Halbleitermaterial sein, oder alternativ kann irgendeine der Substratstrukturen verwendet werden, die in US-PS 49 63 949 beschrieben sind. Dieses Patent beschreibt Verfahren zum Aufwachsen von InP in Vorrichtungsqualität auf fremden Substraten, wobei die Fortpflanzung von Versetzungen in die InP-Schicht minimiert wird. Derartige Verfahren ermöglichen die Verwendung einer kostengünstigen leichten Substratstruktur mit guter Festigkeit für eine auf InP basierte Halbleitervorrichtung. Somit können derartige Verfahren bei der Herstellung von Substratstrukturen verwendet werden, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind.
Die untere oder Bodensubzelle 20 wird auf die obere Oberfläche (Oberseite) des InP-Substrats 15 epitaxial aufgewachsen, so daß das Material der Subzelle 20 an das InP-Gitter angepaßt ist. Die obere Subzelle 10 wird auf die Oberseite (obere Oberfläche) der unteren Subzelle epitaxial aufgewachsen, so daß die obere InP-Subzelle an die untere Subzelle gitterangepaßt ist. Auf diese Weise wird eine monolithische Einkristall-Tandem-Solarzelle der photovoltaischen Bauart erhalten.
Die Zusammensetzung der unteren Subzelle 20 wird durch die Formel GaxInl-xAsyPl-y repräsentiert, wobei x im Bereich von 0,200 bis 0,467 liegt, und y liegt im Bereich von 0,436 bis 1,000. Die notwendige Beziehung zwischen x und y wird definiert durch die Formel y = 2,209x/(1+0,06864x). Somit ist an einem Endpunkt, wo y gleich 1, kein Phosphor in der Zusammensetzung enthalten. Solange die Komposition definiert wird durch die Beziehung von x und y, wie oben beschrieben, wird das untere Subzellenmaterial gitterangepaßt mit dem InP-Substrat und auch der oberen InP-Subzelle. Die hier vorgenommenen Bezugnahmen auf GaInAs oder GaInAsP sind allgemeine Bezugnahmen auf die Zusammensetzung der unteren Subzelle, wie oben definiert. Im folgenden wird darauf als GaInAsP Bezug genommen.
Die GaInAsP-Schicht kann auf das InP-Substrat aufgewachsen oder abgeschieden werden und die InP obere Subzelle wird auf der oberen Oberfläche der GaInAsP-Subzelle durch ein epitaxiales Kristallwachstumsverfahren abgeschieden, wie beispielsweise die bei atmoshärischem Druck ausgeführte metallorganische Dampfphasenepitaxie. Dieses Verfahren ist auf diesem Gebiet der Technik wohl bekannt.
Die obere Subzelle hat einen größeren Energiebandspalt oder Bandabstand als die untere Subzelle. Der Energiebandspalt für die obere Subzelle beträgt 1,35 eV bei 300K. Der Energiebandspalt der unteren Subzelle kann verändert werden durch Änderung der Zusammensetzung der Elemenhte in der GaInAsP-Subzelle.
Der optimale untere Subzellenbandspalt liegt im Bereich von 0,75 bis 1,0 eV., abhängig von den Betriebsbedingungen (d. h. der Temperatur, dem Solarkonzentrationsverhältnis und dem einfallenden Spektrum) und der Subzellenverbindungsfähigkeit. Dieser Bandspaltbereich wird innerhalb des breiten Zusammensetzungsbereichs erhalten, wie er für die untere GaInAsP-Subzelle oben definiert wurde.
Obwohl die Solarzelle gemäß Fig. 1 als eine Solarzelle dargestellt wurde, die eine obere Subzelle des n/p-Typs und eine untere Subzelle des p/n-Typus aufweist, so ist doch auch die entgegengesetzte Konfiguration als ein funktionelles Äquivalent anzusehen.
Die Dicke der unteren Subzelle kann sich ändern, aber sie liegt im allgemeinen im Bereich von ungefähr 3 bis 6 Mikron. Die Dicke der oberen Subzelle kann sich auch ändern, liegt aber allgemein im Bereich von ungefähr 0,5 bis 5 Mikron. Die Dicke des Substrats 15 liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 300 bis 600 Mikron.
Die Tandem-Solarzelle gemäß Fig. 1 ist eine Drei-Klemmenvorrichtung. Bei Verwendung dieser Konfiguration ist entweder ein spannungsangepaßter Betrieb oder ein unabhängiger Betrieb möglich.
Die obere Subzelle zeigt einen guten Strahlungswiderstand. Daher kann die Tandem-Solarzelle in Raumfahrtanwendungsfällen eingesetzt werden. Sie zeigt auch einen hohen Umwandlungswirkungsgrad und ein hohes Leistungs-zu-Masseverhältnis. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die den niedrigeren Bandspalt aufweisende untere Subzelle empfindlich gegenüber Infrarotstrahlung ist, die außerordentlich reichlich im AMO-Spektrum ist. Die Solarzelle ist natürlich auch brauchbar für terrestrische Anwendungsfälle, wie dies weiter unten im einzelnen erläutert wird.
Für die n-Typdotierung ist es bekannt, konventionelle extrinsische Verunreinigungen zu verwenden, wie beispielsweise Schwefel, Tellur oder Selen. Für die p-Typdotierung ist es bekannt, Elemente, wie beispielsweise Zink, Cadmium, Beryllium oder Magnesium zu verwenden.
Die folgende Tabelle I veranschaulicht die Modelleffizienz der Tandem-Solarzelle der Fig. 1, wenn die untere Subzelle die Zusammensetzung Ga0,47In0,53As besitzt. Die Daten gelten für theoretischen Betrieb der Solarzelle bei AMO (d. h. im Weltraum).
Tabelle I
Die folgende Tabelle II veranschaulicht die Modelleffizienz der gleichen Tandem-Solarzelle für den theoretischen Betrieb bei terrestrischer Beleuchtung.
Tabelle II
Fig. 4 veranschaulicht die absoluten externen Quanteneffizienzdaten für eine tatsächliche Solarzelle der in Fig. 1 gezeigten Bauart. Die Solarzelle gemäß Fig. 4 besaß keinen Antireflektionsüberzug. Die Solarzelle zeigte eine sehr hohe insgesamte Quanteneffizienz.
Fig. 5 veranschaulicht beleuchtete Stromspannungsdaten bei einem Standardglobalspektrum für eine tatsächliche Solarzelle der Bauarts gemäß Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die Solarzelle keinen Antireflektionsüberzug besitzt. Die Solarzelle würde bei Vorhandensein eines Antireflektionsbelags noch bessere Ergebnisse zeigen.
Die Drei-Anschluß-Konfiguration (beispielsweise wie in Fig. 1 gezeigt) ist von Vorteil, weil sie die unabhängige Leistungssammlung von jeder Subzelle in dem monolithischen Stapel gestattet. Dies minimiert den nachteiligen Einfluß von Strahlungsbeschädigungen auf die insgesamte Tandemeffizienz.
Realistische Computermodellberechnungen sagen voraus, daß eine Effizienzsteigerung von 7% bis 11% erreicht werden kann, und zwar aus der Ga0,47In0,53As Bodenzelle unter AMO-Beleuchtung (25°C) für Konzentrationsverhältnisse im 1-1000 Bereich. Auf diese Weise wird als möglich angenommen, daß praktische AMO-Effizienzen von 25% bis 32% mit der InP/Ga0,47In0,53As-Tandemzelle erreichbar sind.
Fig. 2 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Solarzelle, die eine monolithische Einkristall, Zwei-Grenzschicht, Zwei-Anschlußtandem-Solarzelle ist. Diese Zelle weist eine InP obere Subzelle 30 auf, die eine Homo-Grenzschicht 30A besitzt. Die untere oder Bodensubzelle 40 weist eine Homo-Grenzschicht 40A auf. Unter der unteren Subzelle befindet sich, wie oben beschrieben, ein InP-Substrat 15.
Die oberen leitenden Kontakte 11 werden durch und in elektrischem Kontakt getragen mit der Oberseite (oberen Oberfläche) der oberen Subzelle 30, wie dargestellt. Der hintere leitende Kontakt 13 ist in elektrischer Verbindung mit der Unterseite oder der unteren Oberfläche des InP-Substrats. Ein konventioneller Antireflektionsbelag 14 wird von der Oberseite der oberen Subzelle getragen.
Die untere Subzelle 40 hat die gleiche Zusammensetzung, wie dies in Verbindung mit der Solarzelle der Fig. 1 beschrieben wurde mit der Ausnahme, daß sie vorgesehen ist als ein n/p-Typ anstelle eines p/n-Typs.
Zwischen der oberen Subzelle 30 und der unteren Subzelle 40 ist eine Tunnelgrenzschichtverbindung (interconnect) 35. Diese Grenzschicht (junction) verbindet die oberen und unteren Subzellen in Serie.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel der in Fig. 2 gezeigten Solarzelle, kann diese dadurch optimiert werden, daß man die Dicke der oberen InP-Subzelle einstellt, um an die Stromdichten der zwei Subzellen angepaßt zu sein. Beispielsweise ist für Subzellen in Massen- oder Bulkform (d. h. dick genug, um sämtliche Photonen mit Energie oberhalb ihren entsprechenden Bandspalten zu absorbieren) unter dem AMO-Spektrum unter Verwendung von Ga0,47In0,53As als der Bodensubzelle die Bodensubzelle strombegrenzend. Es ist daher erforderlich, daß die Dicke der InP oberen Subzelle auf einen entsprechenden Wert reduziert werden muß derart, daß die Stromdichten der Subzellen angepaßt sind.
In einem weiteren speziellen Ausführungsbeispiel der in Fig. 2 gezeigten Solarzelle kann diese dadurch optimiert werden, daß man die Flächen oder Gebiete der oberen und unteren Subzellen derart einstellt, daß sie an die Stromdichten der zwei Subzellen angepaßt sind. Beispielsweise kann die Fläche der oberen Subzelle kleiner gemacht sein als die Fläche der unteren Subzelle. Dies kann auf verschiedene Arten erreicht werden, einschließlich der Verwendung des selektiven chemischen Naßätzens der oberen Subzelle unter Verwendung von im folgenden beschriebenen Verfahrensweisen.
Fig. 3 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer monolithischen, zwei Grenz- oder Sperrschichten aufweisenden Einkristall-Zwei-Anschluß-Tandem-Solarzelle. Diese Zelle weist eine InP-obere Subzelle 30 auf, die eine Homo-Grenzschicht 30A besitzt. Sie weist auch eine untere Subzelle 40 auf, die eine Homo-Grenzschicht 40A besitzt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die obere Subzelle 30 mit der unteren Subzelle 40 in Serie geschaltet, und zwar mittels einer Metallverbindung (interconnect) 36. Dies ist funtionell äquivalent zu der Tunnelgrenzschicht (tunnel junction), obwohl die Metallverbindung die Verarbeitungsschritte komplizierter macht.
Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen eine erfindungsgemäße verbesserte drei Anschlüsse besitzende monolithische photovaltaische Tandem-Solarzelle. Wie gezeigt, ist eine einzigartige Mittelkontaktzone oder Kontaktregion vorgesehen zwischen der unteren Subzelle und der oberen Subzelle.
Die mittlere Kontaktregion weist eine stark dotierte Schicht von p-Typ InP und eine stark dotierte p-Typ Schicht von GaInAs auf. Die p-Typ InP-Schicht wird als eine laterale Leitungsschicht (lateral conduction layer = LCL) bezeichnet, weil sie die seitliche oder laterale Leitung von Strom von beiden Subzellen zu dem gemeinsamen Mittelkontakt gestattet. Die p-Typ GaInAs-Schicht dient zwei Zwecken: (1) es ist eine stopp-geätzte Schicht (stop-etch layer = SEL), welche das Ätzen der Kanäle durch die InP obere Zellenschichten begrenzt. Diese Funktion ist notwendig, um den Mittelkontakt an der gewünschten Position innerhalb der Tandemstruktur anzuordnen. (2) Sie sieht auch einen Kontaktwiderstand für den Mittelkontakt vor.
Die Mittelkontaktregion dient einer sehr wichtigen Funktion für die Tandem-Solarzelle. Sie vermindert den hohen Serienwiderstand, der andernfalls große Wirkungsgradverluste und Subzellenkopplungseffekte hervorrufen würde.
In den Fig. 6 und 7 ist ebenfalls die Verwendung einer optisch transparenten Abdeckschicht dargestellt. Diese Abdeckschicht ist eine prismatische Abdeckung. Sie weist eine Reihe von parallelen Linsenelementen auf, die in der Lage sind, einfallendes Licht in einer Art und Weise ähnlich einer Linse zu brechen (d. h. in einer solchen Art und Weise, daß parallele Strahlen durch die Brechungswirkung einer Linse umgeleitet werden).
Die Abdeckschicht leitet ankommende Lichtstrahlen weg von Strukturen an der Oberfläche der Solarzelle und in aktive lichtabsorbierende Regionen der oberen Zelle. Dies gestattet, daß ein beträchtlicher Anteil der Oberfläche der oberen Zelle mit der Gittermetallisierung bedeckt wird und es gestattet ferner die Bildung von Kanälen, die erforderlich sind für die Anordnung des Mittelkontaktes. Dies ist ein wichtiges Merkmal für Konzentrationszellen, die große Photoströme erzeugen. Die Knoten der Abdeckschicht sind in Ausrichtung mit Gitterlinienmitten des Gittermusters des oberen Kontakts wie dargestellt. Die Abdeckung dieser Bauart sind beispielsweise in US-PS 47 11 872 beschrieben.
Die Dicke der Abdeckschicht kann sich ändern, beispielsweise von ungefähr 0,002 bis 0,005 Zoll. Vorzugsweise hat die Abdeckschicht eine Dicke von ungefähr 0,003 bis 0,005 Zoll (1 Zoll = 2,54 cm). Die Abdeckschicht kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, das optisch transparent ist. Typischerweise besteht die Abdeckschicht aus einem Kunststoffmaterial (beispielsweise Silicon) aus wirtschaftlichen Gründen. Wenn gewünscht, kann sie auch aus Glas bestehen.
Die Abdeckschicht haftet normalerweise an der oberen Oberfläche (der Oberseite) des oberen Kontakts mittels eines Klebemittels an. Das Klebemittel muß elektrisch isolierend sein und muß einen Brechungsindex besitzen, der ähnlich dem Material ist, welches die Abdeckschicht bildet.
Die Verwendung der hier beschriebenen Abdeckschicht macht es möglich, daß ungefähr 20% der Oberfläche der oberen Zelle mit Metall abgedeckt sind, ohne daß die Fähigkeit der Solarzelle Lichtstrahlen zu absorbieren vermindert wird.
Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen ein weiteres bevorzugtes Merkmal der verbesserten Tandem-Solarzelle der Erfindung. Dieses Merkmal umfaßt das Vorsehen von Schichten aus n-Typ InP und GaInAs zwischen dem oberen Kontakt und der oberen InP-Zelle.
Es wurde beobachtet gemäß der Erfindung, daß InP und GaInAs selektiv geätzt werden können unter Verwendung von zwei unterschiedlichen nassen chemischen Ätzmitteln. Konzentrierte HCl ätzt InP, aber nicht GaInAs. Eine Lösung von 10 H2SO4 : 1H2O2 : 1H2O ätzt GaInAs, aber nicht InP. Dies ermöglicht das selektive Ätzen, um das gewünschte Muster für die Halbleitermaterialien zu erhalten. Die Verwendung von Schichten von n-Typ InP und GaInAs als Ersatz für konventionelle Photoresistmaterialien ist vorteilhaft. Solche Schichten dienen als sehr stabile und inerte Ätzmasken, welche besser arbeiten als konventionelle positive Photoresistsmaterialien und sie können in zweckmäßiger Weise von der Struktur entfernt werden, wenn die Struktur verarbeitet wird ohne Schädigung der permanenten Merkmale der Struktur. Dieses Verfahren ist von Wichtigkeit zur Erzeugung einer Konzentrationsversion der Tandem-Solarzelle infolge der kleineren dabei vorhandenen Dimensionen (beispielsweise dort, wo die Gräben oder Kanäle 10 bis 50 Mikron breit sind). Es können natürlich ähnliche Ätzverfahren, wenn gewünscht, verwendet werden, unter Verwendung von unterschiedlichen Arten von Maskiermaterialien (beispielsweise Siliciumdioxid).
Fig. 8 veranschaulicht die Effizienz oder den Wirkungsgrad, der erreicht werden kann bei einer Tandem-Solarzelle unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensweisen.
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Betriebsparameter für eine erfindungsgemäße Tandem-Solarzelle.
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Eine monolithische photovoltaische Einkristall-Tandem-Solarzelle weist folgendes auf: (a) ein InP-Substrat mit oberen und unteren Oberflächen, (b) eine erste photoaktive Subzelle an der Oberfläche des InP-Substrats, (c) eine zweite photoaktive Subzelle auf der ersten Subzelle; und (d) eine optisch transparente prismatische Abdeckschicht über der zweiten Subzelle. Die erste photoaktive Subzelle ist GaInAsP von definierter Zusammensetzung. Die zweite Subzelle ist InP. Die zwei Subzellen sind gitterangepaßt.

Claims (21)

1. Monolithische photovoltaische Einkristall-Tandem-Solarzelle, die folgendes aufweist:)
  • a) ein InP-Substrat mit oberen und unteren Oberflächen;
  • b) eine erste photoaktive Subzelle auf der oberen Oberfläche des Substrats; eine erste Subzelle, die GaInAs aufweist; wobei die erste Subzelle eine Homogrenzschicht aufweist;
  • c) und eine zweite photoaktive Subzelle auf der ersten photoaktiven Subzelle; wobei die zweite Subzelle InP aufweist; wobei die zweite Subzelle eine Homogrenzschicht aufweist; und wobei ferner die Zelle gekennzeichnet ist durch das Merkmal,
  • d) daß eine optisch transparente prismatische Abdeckschicht angeordnet ist über der zweiten Subzelle,
wobei das GaInAs gitterangepaßt ist mit dem InP, wobei die zweite Subzelle einen größeren Energiebandspalt besitzt als die erste Subzelle.
2. Zelle nach Anspruch 1, wobei das GaInAs die folgende Zusammensetzung besitzt: GaxInl-xAs Pl-y, wobei x im Bereich von 0,200 bis 0,467 liegt und y im Bereich von 0,436 bis 1,00 liegt, und wobei die Beziehung von x und y definiert ist durch die Formel y = 2,209x/(1+0,06864x).
3. Zelle nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Subzellen jeweils eine n/p-Homogrenzschicht aufweisen.
4. Zelle nach Anspruch 3, wobei sie zwei Klemmen aufweist, und wobei die Subzellen in Serie geschaltet sind.
5. Zelle nach Anspruch 1, wobei die Subzellen eine n/p-Homogrenzschicht aufweisen und die andere der Subzellen eine p/n-Homogrenzschicht besitzt, und wobei die Solarzelle drei Anschlüsse besitzt.
6. Zelle nach Anspruch 1, wobei die erste photoaktive Subzelle die Zusammensetzung Ga0,47In0,53As besitzt.
7. Zelle nach Anspruch 1, wobei die Solarzelle ferner ein oberes Kontaktgittermuster über der zweiten Subzelle aufweist, und zwar in einem einen niedrigen Widerstand besitzenden Ohmschen Kontakt ermitteln, wobei die Abdeckschicht Knoten aufweist, die in Ausrichtung mit dem Gittermuster sind.
8. Zelle nach Anspruch 7, wobei ferner Schichten aus GaInAs und InP zwischen dem Gittermuster un der zweiten Subzelle vorgesehen sind.
9. Zelle nach Anspruch 7, wobei ferner eine Mittelkontaktregion vorgesehen ist zwischen den ersten und zweiten Subzellen, und wobei die Mittelkontaktregion gesonderte kontinuierliche Schichten aus GaInAs und InP aufweist.
10. Monolithische photovoltaische Einkristall-Tandem-Solarzelle, die folgendes aufweist:
  • a) ein InP-Substrat mit oberen und unteren Oberflächen;
  • b) eine erste photoaktive Subzelle auf der oberen Oberfläche des Substrats, wobei die erste Subzelle GaInAs aufweist, und eine Homogrenzschicht besitzt, wobei ferner GaInAs die Zusammensetzung GaxInl-xAs Pl-y besitzt und wobei x im Bereich von 0,200 bis 0,467 liegt und y im Bereich von 0,436 bis 1,00 liegt, und wobei schließlich die Beziehung von x und y definiert ist durch die Formel y = 2,209x/(1+0,06864x); und
  • c) eine zweite photoaktive Subzelle auf der ersten Subzelle, wobei die zweite Subzelle InP aufweist und eine Homogrenzschicht besitzt;
  • d) ein oberes Kontaktgliedmuster über der zweiten Subzelle und elektrischen Kontakt damit;
  • e) eine optisch transparente prismatische Abdeckschicht über dem Gittermuster, wobei die Abdeckschicht Knoten aufweist, die in Ausrichtung sind mit dem Gittermuster;
wobei das GaInAs gitterangepaßt ist mit dem InP und wobei schließlich die zweite Subzelle einen größeren Energiebandspalt besitzt als die erste Subzelle.
11. Zelle nach Anspruch 10, wobei die erste photoaktive Subzelle die Zusammenseztung Ga0,47In0,53As aufweist.
12. Zelle nach Anspruch 10, wobei die zweite Subzelle eine obere Oberfläche aufweist, wobei jede Subzelle eine photoaktive Region besitzt und wobei die zweite Subzelle eine untere Region unterhalb ihrer photoaktiven Region aufweist und wobei schließlich die untere Region der oberen Subzelle und die photoaktive obere Region der unteren Subzelle zu einer gemeinsamen Leitfähigkeitstype gehören, und wobei die Solarzelle ferner folgenden aufweist:
  • a) eine leitende Schicht, die einen einen niedrigen Widerstandswert besitzenden Ohmschen Kontakt vorsieht zur unteren Oberfläche des InP-Subtrats;
  • b) einen leitenden Mittelkontakt, der einen einen niedrigen Widerstandswert besitzenden Ohmschen Kontakt vorsieht mit der unteren Region der zweiten Subzelle.
13. Zelle nach Anspruch 10, wobei ferner Schichten aus GaInAs und InP zwischen dem Gittermuster und der zweiten Subzelle vorgesehen sind.
14. Zelle nach Anspruch 12, wobei ferner eine Mittelkontaktzone zwischen den ersten und zweiten Subzellen vorgesehen ist, wobei die Mittelkontaktzone oder -region gesonderte kontinuierliche Schichten aus GaInAs und InP aufweist.
15. Verfahren zur Herstellung einer monolithischen photovoltaischen Einkristall-Tandem-Solarzelle unter Verwendung der folgenden Schritte:
  • a) vorsehen eines InP-Substrats mit einer oberen Oberflälche;
  • b) epitaxiale Abscheidung auf der oberen Oberfläche einer Schicht aus GaInAs zur Bildung einer ersten photoaktiven Subzelle; wobei das GaInAs in einer Art und Weise abgeschieden wird, daß eine Homogrenzschicht in der Schicht vorgesehen wird:
  • c) epitaxiales Abscheiden einer Schicht von p-Typ InP auf der GaInAs-Schicht;
  • d) epitaxiales Abscheiden einer Schicht von p-Typ GaInAs auf der p-Typ InP-Schicht;
  • (e) epitaxiales Abscheiden einer oberen Schicht von InP auf der p-Typ GaInAs-Schicht zur Bildung einer zweiten photolaktiven Subzelle, wobei das InP in einer Art und Weise abgeschieden wird, daß eine Homogrenzschicht vorgesehen wird in der InP-Schicht;
  • f) selektives Ätzen der oberen Schicht von InP zur Bildung von mit Abstand angeordneten Kanälen darin, die sich nach unten zu dem p-Typ GaInAs erstrecken;
  • g) Bildung von elektrisch leitenden Mittelkontakten in den Kanälen; und
  • h) Bildung eines Gittermusters von oberen Kontakten in einen niedrigen Widerstandswert aufweisendem Ohmschen Kontakt mit der oberen Schicht aus InP;
wobei das GaInAs gitterangepaßt ist mit dem InP-Substrat und der p-Typ InP-Schicht.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das GaInAs die Zusammensetzung GaxInl-xAs Pl-y aufweist und wobei x im Bereich von 0,200 bis 0,467 liegt, und wobei y im Bereich von 0,436 bis 1,00 liegt und wobei die Beziehung von x und y definiert ist durch die Formel y = 2,209x/(1+0,06864x).
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Homogrenzschicht zum n/p-Typ gehört.
18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine der Subzellen eine n/p-Homogrenzschicht besitzt und wobei die andere der Subzellen eine p/n-Homogrenzschicht aufweist, und wobei schließlich die Solarzelle drei Anschlüsse besitzt.
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