DE4422203A1 - Ultra-thin photovoltaic device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauelement zur Um setzung elektromagnetischer Strahlungsenergie in elek trische Energie, das wenigstens eine Halbleiterschicht aufweist, auf deren Oberfläche der Strahlungsfluß ge richtet ist und innerhalb der Ladungsträgerpaare durch die Bestrahlung erzeugbar und separierbar sind.The invention relates to a component for order Setting electromagnetic radiation energy in elec tric energy, the at least one semiconductor layer has, on the surface of the radiation flux ge is established and within the charge carrier pairs the radiation can be generated and separated.
Ziel der alternativen Energiegewinnung im Rahmen der Nutzung der Sonnenenergie ist die Herstellung von So larzellen mit hohem Wirkungsgrad, die flexibel und vielseitig einsetzbar sind und darüberhinaus geringe Herstellkosten erfordern.The aim of alternative energy generation within the Use of solar energy is the production of sun Lar cells with high efficiency that are flexible and are versatile and also small Require manufacturing costs.
Ein großer Nachteil der heute eingesetzten kristallinen oder multikristallinen Solarzellen auf der Basis von Silizium ist der indirekte Bandübergang von Silizium, das bedeutet, daß der Übergang eines Elektrons im Valenzband in das für die Leitfähigkeit des Materials bestimmende Leitungsband zusätzlich zu der bloßen Energiebeabstandung der beiden vorgenannten Bänder einen für einen Phononenübergang notwendigen Energiebetrag erfordert. Die notwendige Einbindung von Phononen vermindert auch die Absorptionswahrscheinlich keit. Dadurch werden mit Silizium große Schichtdicken benötigt. Bei Zimmertemperatur beträgt die Energie zur Anhebung eines Valenzelektrons in das Leitungsband in Silizium 1,14 eV.A big disadvantage of the crystalline used today or multicrystalline solar cells based on Silicon is the indirect band transition of silicon, this means that the transition of an electron in the Valence band in the for the conductivity of the material determining conduction band in addition to the bare Energy spacing of the two aforementioned bands one necessary for a phonon transition Amount of energy required. The necessary integration of Phonons are also likely to decrease absorption speed. As a result, thick layers are made with silicon needed. At room temperature the energy is Raising a valence electron in the conduction band in Silicon 1.14 eV.
Zur Absorption eines ausreichenden Teils des Sonnen spektrums, werden bislang Si-Solarzellen mit Schicht dicken von 100-300 µm eingesetzt. Zur Reduzierung derartig "dicker" Solarzellen-schichten werden tech nologische Vorkehrungen getroffen, beispielsweise "optical confinement" - räumlicher Einschluß der durch die Solarzelle zu absorbierenden Photonen mit Hilfe Brechkraft-spezifischer Materialien -, die die Schicht dicken der Solarzellen bis auf 30 um reduzieren.To absorb a sufficient part of the sun spectrum, so far Si solar cells with a layer thicknesses of 100-300 µm are used. To reduce such "thicker" solar cell layers become tech take biological precautions, for example "optical confinement" - spatial inclusion of the through the solar cell to be absorbed with the help of photons Refractive-specific materials - which make up the layer Reduce the thickness of the solar cells to 30 µm.
Die Herstellung von sogenannten Dünnschicht-Solar zellen, die beispielsweise auf der Basis von amorphem Silizium oder Kupfer-Indium-Diselenid beruhen, die Schichtdicken im Mikrometerbereich ermöglicht, wirft bislang jedoch hohe Kosten auf, so daß Dünnschicht- Solarzellen gegenwärtig unter wirtschaftlichen Ge sichtspunkten unattraktiv sind.The production of so-called thin-film solar cells, for example, based on amorphous Silicon or copper indium diselenide are based on that Allows layer thicknesses in the micrometer range, throws So far, however, high costs, so that thin-film Solar cells currently under economic ge viewpoints are unattractive.
Andererseits wären dünne bzw. gedünnte Solarzellen aus mehrerer Hinsicht für alle Halbleitermaterialien vorteil haft. Zum einen kann der Materialeinsatz erheblich reduziert werden, der bei geeigneten Herstellungsver fahren ebenso zu einer Kostenminimierung beiträgt, zum anderen verbesseren sich durch die Dünnschicht-Te chnologie viele Eigenschaften der Solarzellen. So nimmt beispielsweise oder Dunkelstrom deutlich ab, da die Anzahl der frei beweglichen Ladungsträger abnimmt. Dadurch nimmt die Photospannung durch Bestrahlung mit Licht zu. Auch nimmt die Bedeutung der Ladungsträgerle bensdauer insofern ab, als geringe Schichtdicken die Diffusionswegstrecken der erzeugten Ladungsträger be grenzen. Auf diese Weise sind die Anforderungen an die Reinheit des Materials und gute Kristallinität nicht mehr so hoch.On the other hand, thin or thinned solar cells would be made advantageous in several respects for all semiconductor materials arrested. First, the use of materials can be significant be reduced, with suitable manufacturing ver driving also contributes to minimizing costs others improve through the thin-layer Te technology many properties of solar cells. So take for example, or dark current significantly, since the The number of freely moving charge carriers decreases. As a result, the photo voltage increases with radiation Light too. The importance of charge carriers is also decreasing duration insofar as the thin layer thicknesses Diffusion paths of the charge carriers generated be limit. In this way, the demands on the Purity of the material and good crystallinity are not more so high.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Bauelement zur Umsetzung elektromagnetischer Strahlungsenergie in elektrische Energie, das wenigstens eine Halbleiter schicht aufweist, auf deren Oberfläche der Strahlungs fluß gerichtet ist und innerhalb der Ladungsträgerpaare durch die Bestrahlung erzeugbar und separierbar sind, derart weiterzubilden, daß die Bauelementdicke er heblich reduziert werden soll, die Herstellungskosten minimiert und die Betriebsparameter optimiert werden sollen.It is therefore the object of the invention to provide a component to convert electromagnetic radiation energy into electrical energy, the at least one semiconductor Has layer on the surface of the radiation flow is directed and within the charge carrier pairs can be generated and separated by the radiation, to develop such that the component thickness he should be significantly reduced, the manufacturing costs minimized and the operating parameters optimized should.
Die Lösung der, der Erfindung zugrunde liegenden Auf gabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Aus führungsformen sind in den Ansprüchen 2ff. enthalten. The solution of the, on which the invention is based gift is given in claim 1. Favorable off leadership forms are in claims 2ff. contain.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Bauelement zur Um setzung elektromagnetischer Strahlungsenergie in elek trische Energie, das wenigstens eine Halbleiterschicht aufweist, auf deren Oberfläche der Strahlungsfluß ge richtet ist und innerhalb der Ladungsträgerpaare durch die Bestrahlung erzeugbar und separierbar sind, dadurch aus, daß die der Bestrahlung exponierte Halbleiter schicht mit einer die Strahlungsenergie absorbierenden Schicht überzogen ist.According to the invention, the component is distinguished by the order Setting electromagnetic radiation energy in elec tric energy, the at least one semiconductor layer has, on the surface of the radiation flux ge is established and within the charge carrier pairs the radiation can be generated and separated, thereby from that the semiconductor exposed to radiation layer with a radiation energy absorbing Layer is coated.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist, die Ab sorption der Photonen nicht in der Halbleiterschicht stattfinden zu lassen, sondern in einer getrennt auf der Halbleiterschicht aufgebrachten Strahlungsenergie absorptionsschicht. Die Absorptionsschicht hat bei dem erfindungsgemäßen Bauelement die Funktion eines "An tennensystems", das ähnlich dem Chlorophyll in der Natur zur Photosynthese die Sonnenenergie in eine für die die Pflanze lebensnotwendige Energieform überführt.The idea underlying the invention is the Ab sorption of the photons not in the semiconductor layer to take place, but in one separately radiation energy applied to the semiconductor layer absorption layer. The absorption layer has the Component according to the invention the function of a "To tennensystems ", which is similar to chlorophyll in the Nature for photosynthesis the solar energy into one for the the plant transfers vital energy form.
Von diesem Antennensystem wird die Strahlungsenergie der absorbierten Photonen, durch die ein Anre gungsprozeß in Form einer Elektronenanregung erfolgt, über Dipol-Dipolwechselwirkungen ohne Ladungsträger transport direkt an den Halbleiter weitergegeben, in dem die Ladungsträgergeneration stattfindet. Der Halb leiter hat in diesem Fall nur noch die Aufgabe, die Ladungsträger zu trennen und einzusammeln. Diese Auf gabe kann mit der erfindungsgemäßen Schichtkombination in Halbleiterschichten < 1 µm bewerkstelligt werden. Auf diese Weise ist eine deutliche Schichtdickenredu zierung möglich. The radiation energy is from this antenna system of the absorbed photons, through which an excitation process takes place in the form of an electron excitation, about dipole-dipole interactions without charge carriers forwarded directly to the semiconductor, in where the charge carrier generation takes place. The half In this case, the manager only has the task of: Separate and collect load carriers. This on can with the layer combination according to the invention in semiconductor layers <1 µm. In this way there is a clear reduction in layer thickness decoration possible.
Aufgrund des reinen Energietransfers zwischen Absorber- und Halbeiterschicht unterscheidet sich dieses Prinzip maßgeblich von herkömmlichen farbstoffsensibilisierten elektrochemischen Solarzellen, bei denen die Anre gungsenergie über Ladungstransport weitergegeben wird. Alle diese Systeme benötigen ein zusätzliches Ladungs trägertransportsystem, typischerweise einen flüssigen Elektrolyten, das in der Praxis große Schwierigkeiten bereitet. Diese Systeme sind in der Literatur auch als "Grätzelzellen" bekannt. Das hier vorgeschlagene System ist eintrockenes rein physikalisches System, das bei der Umsetzung prinzipiell große Vorteile besitzt.Due to the pure energy transfer between absorber and semiconductor layer, this principle differs significantly from conventional dye-sensitized electrochemical solar cells in which the inc energy is passed on via charge transport. All of these systems require an additional charge carrier transport system, typically a liquid one Electrolytes, which in practice are very difficult prepares. These systems are also known in the literature "Grätzelzellen" known. The system proposed here is a dry, purely physical system that the implementation has great advantages in principle.
Die Absorptionsschicht, die als Antennensystem dient, beinhaltet vorzugsweise Farbstoffe, die in ähnlicher Weise in Fluoreszenzkollektoren oder Farbstoff sensi bilisierten elektrochemischen Solarzellen eingesetzt werden. Die Wahl der Farbstoffkonzentration innerhalb der Absorptionsschicht ist dabei derart vorzunehmen, daß es einerseits nicht zu einem Quenchen der Anre gungen durch direkte Nachbarfarbstoffmoleküle kommt (Dimerenbildung ist meist schädlich) und andererseits darf der Abstand zwischen den Farbstoffmolekülen nicht zu groß sein, da sonst kein effektiver Energietransfer in Form von Dipol-Dipolwechselwirkung stattfinden kann.The absorption layer, which serves as an antenna system, preferably includes dyes that are similar Way in fluorescent collectors or dye sensi bilized electrochemical solar cells used will. The choice of the dye concentration within the absorption layer is to be carried out in such a way that on the one hand there is no quenching of the stimulus by direct neighboring dye molecules (Dimer formation is usually harmful) and on the other hand the distance between the dye molecules must not be too large, otherwise there is no effective energy transfer can take place in the form of dipole-dipole interaction.
Ferner ist der Farbstoff innerhalb der Absorp tionsschicht derart vorzusehen, daß der spektrale Absorptionsbereich des Farbstoffes mit dem spektralen Absorptionsbereich der Halbleiterschicht zumindest überlappt. Zudem ist die räumliche Einlagerung des Farbstoffes innerhalb der Absorptionsschicht bevorzug ter Weise in geordneter Form vorzunehmen, in dem der Farbstoff in sogenannte Zeolith-Kristalle eingelagert ist. Eine derartige matrixartige Einlagerung in eine kristallin vorgegebenen Struktur definiert zudem einen optimalen Abstand zwischen den Farbstoffmolekülen zu einander. Ein von der Verwendung des Farbstoffes ab hängiger typischer Farbstoffabstand beträgt etwa 10 bis 60 Angström.Furthermore, the dye is inside the absorber tion layer to provide such that the spectral Absorption area of the dye with the spectral Absorption area of the semiconductor layer at least overlaps. In addition, the spatial storage of the Preferred dye within the absorption layer ter manner in an orderly form in which the Dye embedded in so-called zeolite crystals is. Such a matrix-like storage in a a crystalline structure also defines one optimal distance between the dye molecules each other. One depends on the use of the dye dependent typical dye spacing is about 10 to 60 angstroms.
Durch die Wahl geeigneter Kristalle kann die Dipol-Dipolwechselwirkungseigenschaften und somit der Energietransport von der Absorptionsschicht hin zur Halbleiterschicht entsprechend angepaßt und optimiert werden.By choosing suitable crystals, the Dipole-dipole interaction properties and thus the Energy transport from the absorption layer to the Semiconductor layer adapted and optimized accordingly will.
Die Verwendung mehrerer Farbstoffe mit unterschiedli chen Absorptionsverhalten innerhalb einer einzigen Absorptionsschicht führt vorteilhafterweise zur Ver größerung des spektralen Absorptionsbereich der zu absorbierenden Photonen. Dabei muß jedoch der Anre gungszustand des langwelligsten Farbstoffes noch einen Überlapp mit der Absorption des Halbleiters haben, um die Energie übertragen zu können.The use of several dyes with different chen absorption behavior within a single Absorbent layer advantageously leads to Ver increase in the spectral absorption range of the absorbing photons. However, the anre condition of the long-wave dye Overlap with the absorption of the semiconductor to have to be able to transmit the energy.
Denkbar sind der Einbau eines Farbstoffes, der selbst organischer oder anorganischer Natur sein kann, in eine ebenso organische oder anorganische Matrix oder auch Kombinationen, die beispielsweise auch eine statistisch verteilte Struktur, zum Beispiel eine Sol-Gel-Schicht, oder ein Schichtensystem gemäß einer Langmuir-Blodgett- Schicht, sein können.It is conceivable to incorporate a dye that itself can be organic or inorganic in nature likewise organic or inorganic matrix or also Combinations that, for example, are also statistical distributed structure, for example a sol-gel layer, or a layer system according to a Langmuir-Blodgett Layer.
Die Halbleiterschicht kann ein Halbleitersystem auf weisen, das aus kristallinem Silizium einen konventio nellen p-n-Übergang aufweist, oder eine m-i-s-Struktur besitzt. Ebenso kann das Halbleitersystem aus amorphem Silizium eine p-i-n-Struktur aufweisen. Ferner sind Halbleitersysteme aus porösem Silizium denkbar, in deren Poren die Farbstoffe eingelagert sind.The semiconductor layer can be a semiconductor system have a convention of crystalline silicon nellen p-n junction, or an m-i-s structure owns. Likewise, the semiconductor system can be made of amorphous Silicon have a p-i-n structure. Furthermore are Semiconductor systems made of porous silicon conceivable, in whose pores contain the dyes.
Grundsätzlich läßt sich die erfindungsgemäße Kombina tion nicht nur auf Silizium, sondern auch auf andere Halbleitermaterialien mit anderen Bandabständen an wenden. Auch ist der Aufbau von Stapelsystemen mit verschiedenen Farbstoff- und Halbleitersystemen mög lich.Basically, the Kombina according to the invention tion not only on silicon, but also on others Semiconductor materials with different band gaps turn. The construction of stacking systems is also included different dye and semiconductor systems possible Lich.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von einem Aus führungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:The invention is hereinafter without limitation general inventive concept based on an off management example with reference to the drawing described by way of example, to the rest regarding the disclosure of all not explained in the text The details according to the invention are expressly referred to becomes. Show it:
Fig. 1 Prinzipskizze einer bevorzugten Ausführungs form der erfindungsgemäßen Schichtenkombi nation. Fig. 1 schematic diagram of a preferred embodiment of the layer combination nation according to the invention.
In Fig. 1 ist der schematisierte Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schichtensystems dargestellt, das eine Absorptions schicht 1 aufweist, die einen Farbstoff innerhalb einer Matrixstruktur vorsieht. Licht, das auf die Absorp tionsschicht 1 auftrifft, wird in dieser absorbiert und führt zu Polarisationseffekten, die über Dipol-Dipol wechselwirkungen an die Grenzschicht der Halbleiter schicht gelangen. Innerhalb der Halbleiterschicht 2 ent stehen sodann die Ladungsträger, die aufgrund den dort herrschenden elektrostatischen Raumladungsbedingungen getrennt und entsprechend abgeführt werden. Die Halb leiterschicht ist in der in Fig. 1 dargestellten Aus führungsform kammartige strukturiert und weist p- und n-dotierte Bereiche auf. Zwischen den dotierten Be reichen sind jeweils isolierende zwischenbereiche vor gesehen. Es können jedoch auch reine p-n-Strukturen oder m-i-s-Strukturen eingesetzt werden. In vorteil hafter Weise ist eine Substratschicht 3 vorgesehen, auf die die erfindungsgemäßen Schichten aufgebracht sind.In Fig. 1, the schematic cross section of a preferred embodiment of the layer system according to the invention is shown, which has an absorption layer 1 , which provides a dye within a matrix structure. Light that strikes the absorption layer 1 is absorbed in this layer and leads to polarization effects that reach the boundary layer of the semiconductor layer via dipole-dipole interactions. Then within the semiconductor layer 2 arise the charge carriers, which are separated due to the prevailing electrostatic space charge conditions and are removed accordingly. The semiconductor layer is structured like a comb in the embodiment shown in FIG. 1 and has p- and n-doped regions. Between the doped Be insulating areas are seen before. However, pure pn structures or mis structures can also be used. Advantageously, a substrate layer 3 is provided, on which the layers according to the invention are applied.
Die Schichtstrukturen können im Bereich von 1 µm lie gen, so daß Maskentechnologie eingesetzt werden kann. Die Schichtdicken können deutlich unter 1 µm liegen.The layer structures can lie in the range of 1 µm gene so that mask technology can be used. The layer thicknesses can be well below 1 µm.
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