DE60006323T2 - Photovoltaisches Bauelement aus amorphem Silizium - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf amorphem Silizium beruhende, photovoltaische Dünnfilm-Vorrichtung.
- Es ist in der Technik wohlbekannt, daß es einer photovoltaischen Dünnfilm-Vorrichtung, die eine auf amorphem Silizium beruhende photovoltaische Einheit aufweist, z.B. einer Sonnenbatterie, an Stabilität mangelt. Um genauer zu sein, wenn der durch eingestrahltes Licht angeregte Träger innerhalb der amorphen Halbleiterschicht rekombiniert wird, wird der Bindungszustand des Siliziumatoms durch die Energie geändert, die bei der Rekombination freigesetzt wird, mit dem Ergebnis, daß neue Rekombinationszentren im verbotenen Band gebildet werden. Als Ergebnis wird die Filmeigenschaft, wie die Photoleitfähigkeit der photovoltaischen Siliziumschicht gesenkt, schließlich wird die Umwandlungseffizienz gesenkt. Diese Erscheinung tritt am hervorstechendsten dann auf, wenn in der Vorrichtung Energie verbraucht wird, wenn sie sich im Leerlaufzustand befindet. Übrigens ist in der Technik bekannt, daß wenn die verschlechterte photovoltaische Vorrichtung einer Wärmebehandlung bei annähernd 150°C unterzogen wird, die oben angegebene Änderung so abgemildert wird, daß die Leitfähigkeit wieder hergestellt wird. Diese Erscheinung wird als Staebler-Wronski-Effekt bezeichnet.
- Es ist in der Technik bekannt, zum Beispiel eine Pufferschicht zwischen der p-Schicht und der i-Schicht einer stiftförmigen photovoltaischen Einheit zu bilden, um die Verschlechterung der auf amorphem Silizium beruhenden pho tovoltaischen Dünnfilm-Vorrichtung zu unterdrücken. Jedoch ist es schwierig, die Pufferschicht mit einer geeigneten Störstellenkonzentration zu bilden.
- Andererseits wird das Glassubstratmaterial, das in der herkömmlichen auf amorphem Silizium beruhenden photovoltaischen Dünnfilm-Vorrichtung verwendet wird, in Hinblick darauf ausgewählt, nur die Anfangseigenschaften oder die Kosten zu verbessern. Mit anderen Worten wird die Verschlechterung der Eigenschaften bei der Auswahl des Glassubstratmaterials nicht berücksichtigt. Da die Situation so ist, bleibt die Verschlechterung der Eigenschaften ein praktisches Problem in der herkömmlichen photovoltaischen Vorrichtung, obwohl es im Labormaßstab möglich sein kann, zufriedenstellende Eigenschaften zu erhalten.
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EP 849 808 JP 57149845 - Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine stabile, auf amorphem Silizium beruhende photovoltaische Dünnfilm-Vorrichtung unter Verwendung eines geeigneten Glassubstratmaterials bereitzustellen, die folglich gute Anfangseigenschaften zeigt, während die Verschlechterung der Eigenschaften unterdrückt wird.
- Erfindungsgemäß wird eine auf amorphem Silizium beruhende photovoltaische Dünnfilm-Vorrichtung bereitgestellt, wie in den Ansprüchen angegeben.
- Diese Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht notwendigerweise alle notwendigen Merkmale, so daß die Erfindung auch eine Teilkombination dieser beschriebenen Merkmale sein kann.
- Diese Erfindung kann vollständiger aus der folgenden Beschreibung verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird. Es zeigen:
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1 eine Querschnittansicht, die ein Beispiel der photovoltaischen Dünnfilm-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt; und -
2 eine Querschnittansicht, die ein anderes Beispiel der photovoltaischen Dünnfilm-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt. - Eine auf amorphem Silizium beruhende photovoltaische Dünnfilm-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist ein Glassubstrat und eine Laminatstruktur auf, die auf dem Glassubstrat ausgebildet ist und aus einer transparenten Elektrode, einer Halbleiterschicht, die einen auf amorphem Silizium beruhenden Halbleiter enthält, und einer rückwärtigen Elektrode besteht.
- Wenn das Glassubstrat einen hohen Lichtdurchlaßgrad aufweist, wird eine große Menge von Trägern in der auf amorphem Silizium beruhenden Halbleiterschicht erzeugt, was zu einer erhöhten Energieerzeugung, insbesondere Stromerzeugung der photovoltaischen Vorrichtung führt. Da jedoch die Anzahl der Träger, die in der Halbleiterschicht rekombinieren, ebenfalls erhöht wird, führt dies dazu, daß die photovoltaische Vorrichtung verschlechtert wird. Wenn andererseits der Lichtdurchlaßgrad des Glassubstrats niedrig ist, wird die Energieerzeugung vermindert, obwohl die photovoltaische Vorrichtung weniger verschlechtert wird. Da die Situation so ist, wird in der vorliegenden Erfindung ein Glassubstrat mit einem optimal eingestellten Lichtdurchlaßgrad verwendet, um die Verschlechterung zu unterdrücken, ohne die Energieerzeugung der photovoltaischen Vorrichtung zu senken.
- In der vorliegenden Erfindung wird ein Glassubstrat mit einem Lichtdurchlaßgrad von 88 bis 90% für das Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm und 84 bis 87% für das Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm verwendet. Der Lichtdurchlaßgrad des Lichts mit einer Wellenlänge, die nicht kürzer als 700 nm ist, kann gesteuert werden, indem die Zusammensetzung des Metalloxids, z.B. Eisenoxid eingestellt wird, das das Glassubstrat bildet. Es sollte beachtet werden, daß die auf amorphem Silizium beruhende Halbleiterschicht effektiv auf Licht mit einer Wellenlänge von bis zu etwa 800 nm empfindlich ist. Im Fall einer Verwendung eines Glassubstrats mit den oben angegebenen Werten des Lichtdurchlaßgrads von Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm bis 800 nm kann die Verschlechterung unterdrückt werden, ohne die Energieerzeugung der photovoltaischen Vorrichtung zu senken.
- Es ist für das Glassubstrat notwendig, daß es dick genug ist, um einem Winddruck von 225 kg/m2 standzuhalten, wie in den Standards IEC 1215 festgelegt. Um eine mechanische Festigkeit zu erhalten, die hoch genug ist, um dem oben angegebenen Winddruck standzuhalten, ist es für das Glassubstrat mit einer Größe von 100 cm × 50 cm notwendig, daß es eine Dicke von 4 mm aufweist, und für das Glassubstrat mit einer Größe von 100 cm × 100 cm, daß es eine Dicke von 5 mm aufweist.
- Natürlich wird in der vorliegenden Erfindung ein Glassubstrat mit einer Dicke von z . B. 4 mm verwendet, die groß genug ist, um es zu ermöglichen, daß das Glassubstrat die mechanische Festigkeit zeigt, die die IEC-Standards bezüglich der Beständigkeit gegen den Winddruck erfüllt und außerdem den oben beschriebenen Lichtdurchlaßgrad aufweist. Das besondere Glassubstrat kann zum Beispiel hergestellt werden, indem der Eisenoxidgehalt des Glassubstrats gesteuert wird oder indem ein Glassubstrat mit einem hohen Eisenoxidgehalt auf eine Verstärkungsglasplatte mit einem niedrigen Eisenoxidgehalt geklebt wird, so daß die Struktur eine Dicke von z.B. 4 mm aufweist, die groß genug ist, daß die Struktur eine gewünschte mechanische Festigkeit zeigt, die die IEC-Standards bezüglich der Beständigkeit gegen den Winddruck erfüllt.
- Die auf amorphem Silizium beruhende photovoltaische Dünnfilm-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist wie folgt aufgebaut.
- Konkret ist eine transparente Elektrode auf dem Glassubstrat ausgebildet. Es ist erwünscht, daß das Material der transparenten Elektrode einen hohen Lichtdurchlaßgrad aufweist, der für Licht mit einer Wellenlänge von 500 bis 1200 nm nicht niedriger als 80% ist. Die transparente Elektrode besteht aus einem transparenten leitfähigen Oxid, das zum Beispiel SnO2, ZnO und ITO aufweist. Unter diesen Materialien ist SnO2 hinsichtlich des Lichtdurchlaßgrads, der Leitfähigkeit und der chemischen Stabilität besonders erwünscht. ITO ist hinsichtlich der Bearbeitbarkeit, der Leitfähigkeit und des Lichtdurchlaßgrads ebenfalls besonders erwünscht. Die transparente Elektrode wird zum Beispiel durch Vakuumabscheidung, thermische CVD oder ein Sputterverfahren gebildet. Es ist für die transparente Elektrode erwünscht, daß sie eine Struktur aufweist, die bei einem optischen Einschluß vorteilhaft ist, wie eine unregelmäßige Struktur.
- Auf der transparenten Elektrode ist eine photovoltaische Einheit ausgebildet, die aus Halbleiterschichten besteht, die einen auf amorphem Silizium beruhenden Halbleiter enthalten, z.B. eine Laminatstruktur, die aus einer p leitenden a-Si:H-Schicht, einer eigenleitenden a-Si:H-Schicht und einer n-leitenden mikrokristallinen Si:H-Schicht besteht. Jede der Halbleiterschichten, die in der photovoltaischen Einheit enthalten sind, wird durch ein Plasma-CVD-Verfahren abgeschieden, in dem die Temperatur des Substrats auf 400°C oder niedriger eingestellt wird. Das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Plasma-CVD-Verfahren umfaßt zum Beispiel eine Parallelplatten-HF-Plasma-CVD, die in der Technik verbreitet bekannt ist, und eine Plasma-CVD, die eine Hochfrequenzleistungsquelle nutzt, die von einem HF-Bereich mit einer Frequenz von 150 MHz oder weniger bis zu einem VHF-Bereich reicht. Übrigens ist es möglich, die abgeschiedene Halbleiterschicht zur Steuerung der Kristallinität und der Trägerkonzentration mit gepulsten Laserlicht zu bestrahlen (Laseranlassen).
- Es ist auf der photovoltaischen Einheit eine rückwärtige Elektrode ausgebildet. Es ist für die rückwärtige Elektrode erwünscht, daß sie aus einer Laminatstruktur besteht, die zum Beispiel aus einem transparenten leitfähigen Oxid und einem lichtreflektierenden Metall besteht, obwohl es möglich ist, nur ein lichtreflektierendes Metall zu verwenden. Es ist erwünscht, ein transparentes leitfähiges Oxid zu verwenden, da das besondere Oxid die Haftfähigkeit der lichtreflektierende Metallschicht verbessert, um die Reflexionseffizienz zu verbessern, und dazu dient, die photovoltaische Einheit vor einer chemischen Veränderung zu schützen. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete transparente leitfähige Oxid wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus ITO, SnO2 und ZnO besteht. Es ist besonders erwünscht, ein auf ZnO beruhendes transparentes leitfähiges Oxid zu verwenden. Es ist für die auf ZnO beruhende, transparente leitfähige Oxidschicht erwünscht, daß sie eine Dicke von 50 nm bis 1 μm und einen spezifischen Widerstand aufweist, der nicht höher als 1,5 × 10–3 Ω·cm ist. Die lichtreflektierende Metallschicht kann durch Vakuumabscheidung oder ein Sputterverfahren gebildet werden. Es ist für das lichtreflektierende Metall erwünscht, daß es aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ag, Au, Al, Cu, Pt und Legierungen besteht, die diese Metalle enthalten. Zum Beispiel ist es erwünscht, ein lichtreflektierendes Metall bei 100 bis 330°C, vorzugsweise 200 bis 300°C durch Abscheidung aus der Gasphase von Ag zu bilden, das ein hohes Lichtreflexionsvermögen aufweist. Es ist auch möglich, ein lichtreflektierendes Metall durch ein Sputterverfahren bei Raumtemperatur zu bilden.
- Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben.
- Im ersten Schritt wurden drei Arten von Glassubstraten (a) bis (c) hergestellt, die unten angegeben werden. Jedes dieser Glassubstrate enthielt 73 Gew.-% des Hauptbestandteils SiO2, 14 bis 15 Gew.-% Na2O, etwa 10 Gew.-% CaO, MgO, Al2O3, Fe2O, und Spuren anderer Bestandteile. Der Lichtdurchlaßgrad von Licht mit einer Wellenlänge, die nicht kürzer als 700 nm ist, wird am stärksten durch den Fe2O3-Gehalt des Glassubstrats beeinflußt.
- (a) 4 mm dickes eisenarmes Flachglas Fe2O3-Gehalt : 0,01 Gew.-% Lichtdurchlaßgrad für Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm: 90,1% Lichtdurchlaßgrad für Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm: 89,3%
- (b) 4 mm dickes herkömmliches Flachglas Fe2O3-Gehalt: 0,1 Gew.-% Lichtdurchlaßgrad für Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm: 85,1 Lichtdurchlaßgrad für Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm: 80,8%
- (c) 1,8 mm dickes herkömmliches Flachglas Fe2O3-Gehalt: 0,1 Gew.-% Lichtdurchlaßgrad für Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm: 89,6% Lichtdurchlaßgrad für Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm: 86,8
- Es wurde eine amorphe Sonnenbatterie mit einer Struktur, wie in
1 gezeigt, unter Verwendung jedes dieser Glassubstrate hergestellt. Wie in der Zeichnung gezeigt, wurden auf einem Glassubstrat10 eine transparente Elektrode20 , die aus SnO2 besteht, eine photovoltaische Einheit30 , die aus einer p- leitenden amorphen Siliziumschicht31 , einer eigenleitenden amorphen Siliziumschicht32 und einer n-leitenden amorphen Siliziumschicht33 besteht, und eine rückwärtige Elektrode40 mit einer Laminatstruktur gebildet, die aus einer transparenten leitfähigen Oxidschicht41 , die aus ZnO besteht, und einer lichtreflektierenden Metallschicht42 besteht, die aus Ag besteht. Licht fällt auf das Substrat10 der photovoltaischen Vorrichtung. - Es wurde eine Messung bezüglich der Leerlaufspannung Voc, der Kurzschlußstromdichte Jsc, dem Füllfaktor FF und des photoelektrischen Wirkungsgrads Eff der Sonnenbatterie durchgeführt, die auf jedem der Glassubstrate gebildet wurde. Die Messung wurde unmittelbar nach der Herstellung (Anfangseigenschaften) und nach einer Lichtbestrahlung in einer Menge durchgeführt, die der Lichtbestrahlung für ein Jahr entspricht. Die Lichtbestrahlung, die der Lichtbestrahlung für ein Jahr äquivalent ist, ist gleich der Bedingung, daß die Sonnenbatterie mit Licht von AM 1,5 mit einer Ausgangsleistung von 100 mW/cm2 für 550 Stunden bei 48°C bestrahlt wurde. Die Stabilität der Sonnenbatterie werden bewertet, indem das Verhältnis des photoelektrischen Wirkungsgrads Eff nach der zu einem Jahr äquivalenten Lichtbestrahlung zum anfänglichen photoelektrischen Wirkungsgrad berechnet wurde. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.
-
- Wie aus Tabelle 1 deutlich wird, ist die Probe, die das eisenarme Flachglas mit einem hohen Lichtdurchlaßgrad verwendet, gegenüber der Probe in den Anfangseigenschaften überlegen, die das herkömmliche Flachglas verwendet, das einen niedrigen Lichtdurchlaßgrad aufweist, wenn jedes Glassubstrat dieselbe Dicke (4 mm) aufweist. Jedoch erleidet die Probe, die das eisenarme Flachglassubstrat verwendet, eine merkliche Verminderung von Eff und weist folglich eine schlechte Stabilität auf. Andererseits wurde festgestellt, daß die Probe, die das 1,8 mm dicke herkömmliche Flachglas verwendet, sowohl in den Anfangseigenschaften als auch der Stabilität zufriedenstellend war. Es wird als vernünftig angesehen, zu verstehen, daß das 1,8 mm dicke Flachglas einen passenden Lichtdurchlaßgrad für Licht mit einer Wellenlänge von 700 bis 800 nm zeigte, was zu zufriedenstellenden Ergebnissen führt.
- Um es zu ermöglichen, daß das Glassubstrat mit einer Dicke von 4 mm, das eine mechanische Festigkeit aufweist, die hoch genug ist, um einem vorbestimmten Winddruck standzuhalten, im Lichtdurchlaßgrad für Licht mit einer Wellenlänge von 700 bis 800 nm äquivalent zu dem 1,8 mm dicken Glassubstrat ist, ist es geeignet, den Fe2O3-Gehalt auf 0,026 bis 0,065 Gew.-% zu steuern.
- Alternativ ist es möglich, wie in
2 gezeigt, ein Verstärkungsglassubstrat11 , das zum Beispiel aus einem 2,2 mm dicken eisenarmen Flachglas besteht, an das Glassubstrat10 anzukleben, das aus einem 1,8 mm dicken herkömmlichen Flachglas besteht, auf dem eine zu jener der1 gleiche Laminatstruktur ausgebildet ist. - Zusätzliche Vorteile und Modifikationen werden Fachleuten leicht deutlich werden. Daher ist die Erfindung in ihren breiteren Aspekten nicht aus die spezifischen Details und repräsentativen Ausführungsformen beschränkt, die hierin gezeigt und beschrieben werden. Folglich können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Geist oder den Rahmen des allgemeinen erfinderischen Konzepts zu verlassen, wie es durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.
Claims (6)
- Auf amorphem Silizium basierende, photovoltaische Dünnfilm-Vorrichtung, mit: einem Glassubstrat (
10 ;10 ,11 ); und einer Laminatstruktur, die auf dem Glassubstrat (10 ) ausgebildet ist und aus einer transparenten Elektrode (20 ), einer Halbleiterschicht (30 ), die einen auf amorphem Silizium basierenden Halbleiter enthält, und einer rückwärtigen Elektrode (40 ) besteht, wobei das Glassubstrat (10 ;10 ,11 ) einen Lichtdurchlaßgrad von 88 bis 90% für Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm und 84 bis 87% für Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm aufweist, und 0,026 bis 0,065 Gew.-% Eisenoxid enthält. - Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Glassubstrat aus einem Glassubstratabschnitt (
10 ) und einer Verstärkungsglasplatte (11 ) besteht, wobei die Verstärkungsglasplatte (11 ) an den Glassubstratabschnitt (10 ) angeklebt ist und auf einer Lichteinfallsseite angeordnet ist, und wobei der Eisengehalt des Glassubstratabschnitts (10 ) höher als der Eisengehalt der Verstärkungsglasplatte (11 ) ist. - Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Glassubstrat (
10 ;10 ,11 ) eine Dicke aufweist, die groß genug ist, um eine mechanische Festigkeit zu erhalten, die ausreicht, einem vorbestimmten Winddruck standzuhalten. - Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei eine transparente, leitfähige Oxidschicht, die die transparente Elektrode (
20 ) bildet, eine unregelmäßige Struktur aufweist, und die rückwärtige Elektrode (40 ) aus einer lichtreflektierenden Metallschicht oder einer Laminatstruktur gebildet wird, die aus einer transparenten, leitfähigen Oxidschicht und einer lichtreflektierenden Metallschicht besteht. - Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das lichtreflektierende Metall aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ag, Au, Al, Cu, Pt und deren Legierungen besteht.
- Photovoltaische Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei das transparente leitfähige Oxid aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus ITO, SnO2 und ZnO besteht.
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