DE68917428T2 - Sonnenzelle und ihr Herstellungsverfahren. - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sonnenzelle bzw. Sonnenzelle und ein Herstellungsverfahren für eine Sonnenzelle und insbesondere auf solch eine Sonnenzelle mit der Eigenschaft, daß sie Zerstörung aufgrund von Spannung in Rückwärtsrichtung verhindert, die auftritt, wenn ein Teil einer Sonnenzelle von einer Vielzahl von in Serie verbundenen Sonnenzellen in den Schatten kommt, während die Sonnenzellenvorrichtung für Lichtelektrizitätserzeugung verwendet wird, und mit der Eigenschaft, die Verringerung des Ausgangssignals des Sonnenzellenbausteins auf das Mindestmaß zu verhindern.
- Eine Sonnenzelle umfaßt im wesentlichen eine Diode mit einem p-n-Übergang. Wenn Sonnenzellen für die Erzeugung von Elektrizität im praktischen Gebrauch zu verwenden sind, wird eine Vielzahl von Sonnenzellen in Serie verbunden, wobei man eine bedeutende Spannung als eine Gesamterzeugungsspannung erhält, die die Summe der Erzeugungsspannungen der jeweiligen Zellen ist. Wenn jedoch ein Bereich von einer der in Serie geschalteten Zellen in den Schatten kommt, dann wird die Zelle mit solch einem Bereich im Schatten einer Spannung in Rückwärtsrichtung (wenn die Sonnenzelle als eine Diode betrachtet wird) unterworfen, die durch die anderen in Serie geschalteten Zellen erzeugt wird. In solch einem Fall wird die Zelle mit dem Bereich im Schatten den Strom sperren, wodurch das Ausgangssignal des Sonnenzellenbausteins in großem Maße reduziert wird. Darüber hinaus tritt, wenn die Rückwärtsrichtung-Sperrspannung der Sonnenzelle niedrig ist, eine Zerstörungserscheinung auf, und die Wirkung der Sonnenzelle wird verringert oder beeinträchtigt.
- Um solch eine Erscheinung zu verhindern, ist es notwendig, die Rückwärtsrichtung-Sperrspannung der Sonnenzelle zu vergrößern oder parallel mit dem Übergang der Sonnenzelle Dioden in Rückwärtsrichtung innerhalb solch eines Bereiches, daß die erzeugte Gesamtspannung der Reihenschaltung von Sonnenzellen die Sperreigenschaft einer Zelle in Rückwärtsrichtung nicht überschreitet, einzusetzen, wodurch die Spannung in Rückwärtsrichtung, die unerwarteterweise an die Zelle angelegt wird, umgeleitet wird.
- Hier wird die Verstärkung der Rückwärtsrichtung-Sperrspannung der Sonnenzelle verwirklicht, indem die Verunreinigungs-Konzentration in der Basisschicht erniedrigt wird. Es ist jedoch im allgemeinen erforderlich, daß Sonnenzellen flache p-n-Übergänge haben, und insbesondere bei Sonnenzellen zur Verwendung in Weltraum ist erforderlich, daß die Tiefe des p-n-Übergangs unterhalb 0,3 bis 0,5 um ist, um die Empfindlichkeit auf kurze Wellenlängen zu verstärken. Hier ist es im Experiment möglich, solch einen p-n-Übergang durch Durchführung von Diffusion in eine Basisschicht mit einer erforderlichen Verunreinigungs-Konzentration, um eine Sperrspannung von mehreren hundert Volt zu erreichen, zu realisieren, aber dies ist in der Massenproduktion sehr schwierig. Darüber hinaus ist es bei einer GaAs-Sonnenzelle schwierig, eine Basisschicht mit einer niedrigen Verunreinigungs-Konzentration herzustellen, beispielweise aufgrund von Einmischen von Verunreinigungen wie O&sub2; in die Zelle bei dem Verfahren des Kristallwachstums, und dann werden nur höchstens mehr als mehrere zehn Volt als Rückwärtsrichtung- Sperrspannung erreicht. Auf diese Weise gibt es eine Begrenzung der Verstärkung der Rückwärtsrichtung-Sperrspannung bei der Sonnenzelle und dies führt zu Schwierigkeiten bei der Verwendung der Sonnenzelle in dem Licht-Spannungserzeugungssystem.
- Darüber hinaus denkt man, daß eine Vorrichtung, umfassend eine Diode, die in Rückwärtsrichtung parallel mit dem Übergang der Sonnenzelle angeordnet ist, wodurch die Spannung in Rückwärtsrichtung umgeleitet wird, die an das Element anzulegen ist, effektiv als ein System ist, aber es ist Platz für die externen, in Rückwärtsrichtung parallelen Dioden erforderlich. Dies führt zu einer kostspieligen Vorrichtung aufgrund der Dioden-Schaltung und erniedrigt ferner die Verläßlichkeit des Systems aufgrund der Erhöhung der Anzahl der Teile. Insbesondere werden dies wichtige Probleme bei der Verwendung der Vorrichtung im Weltraum, bei der eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist.
- Es gibt ein weiteres Verfahren zur Herstellung unabhängiger Dioden, die in Rückwärtsrichtung parallel mit weiteren Zellen einer Sonnenzellen-Vorrichtung verbunden sind und wodurch dieselben Effekte wie durch die Einfügung der externen, in Rückwärtsrichtung parallelen Dioden erreicht werden. Um den Einschluß einer Bypass-Diode einfach auf diese Weise zu ermöglichen, denkt man daran, die n(p)-Schicht der Sonnenzelle von der n(p)-Schicht der Bypass-Diode elektrisch zu trennen und eine Zweizellen(p-n-Übergangs)-Struktur, die voneinander auf einem Isolatorsubstrat getrennt ist, herzustellen und sie dazu zu bringen, jeweils als ein Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle und als ein Bereich einer Bypass-Diode zu wirken.
- Zum Beispiel zeigen die Figuren 3 bis 5 ein Sonnenzellen- Element mit solch einer Struktur, das in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. Sho 57-204180 beschrieben ist. Figur 3 zeigt eine Draufsicht von solch einer Sonnenzelle, und die Figuren 4 und 5 zeigen Querschnitte in den Linien A - A' bzw. B - B' von Figur 3.
- In diesen Figuren bezeichnet Bezugszeichen 1 ein halbisolierendes Substrat wie GaAs. Eine n-Typ GaAs-Schicht 2, eine p-Typ GaAs-Schicht 3 und eine p-Typ AlGaAs-Schicht 4 sind aufeinanderfolgend an einer breiteren Seite auf dem Substrat 1 laminiert, und eine n-Typ GaAs-Schicht 5, eine p-Typ GaAs-Schicht 6 und eine p-Typ AlGaAs-Schicht 7 sind aufeinanderfolgend an einer schmaleren Seite auf dem Substrat 1 laminiert. Die Schichten von n-Typ GaAs-Schicht 2 bis p-Typ AlGaAs-Schicht 4 bilden eine Sonnenzelle, und die Schichten von n-Typ GaAs-Schicht 5 bis p-Typ AlGaAs-Schicht 7 erzeugen eine Rückwärtsrichtungsspannung-Sperrdiode. Bezugszeichen 8 bezeichnet einen isolierenden Film, der auch als ein reflexionsverhindernder Film wirkt. Die p-Typ AlGaAs-Schicht 4 und die n-Typ GaAs-Schicht 5 sind über eine positivseitige Elektrode 9 verbunden, und die n-Typ GaAs-Schicht 2 und die p-Typ AlGaAs-Schicht 7 sind über eine negativseitige Elektrode 10 jeweils miteinander verbunden. Demgemäß wird im üblichen Zustand des vorstehend beschriebenen Aufbaus eine negative Spannung an der n-Typ GaAs-Schicht 2 erzeugt, und eine positive Spannung wird an der p-Typ GaAs-Schicht 3 erzeugt, wobei die Schichten 2 und 3 eine Sonnenzelle bilden. Jedoch wird, da die Sonnenzelle in einer Rückwärtsrichtung gegen die durch die n-Typ GaAs- Schicht 5 und die p-Typ GaAs-Schicht 6 erzeugte Diode vorliegt, diese Diode bei Betrieb der Sonnenzelle nicht beeinflußt, und wenn eine Spannung in Rückwärtsrichtung an die Schichten 2 und 3 angelegt wird, das heißt, eine positive Spannung wird an die n-Typ GaAs-Schicht 2 angelegt, und eine negative Spannung wird an die p-Typ GaAs-Schicht 3 angelegt, wird eine negative Spannung an die n-Typ GaAs- Schicht 5 angelegt, und eine positive Spannungwird an die p-Typ GaAs-Schicht 6 angelegt, wodurch sich für die Diode, die durch die n-Typ GaAs-Schicht 5 und die p-Typ GaAs- Schicht 6 aufgebaut ist, eine Spannung in Vorwärtsrichtung ergibt. Dann wird nur eine Spannung, die sich aus dem Spannungsabfall der Diode in Vorwärtsrichtung ergibt, an die n- Typ GaAs-Schicht 2 und an die p-Typ GaAs-Schicht 3 der Sonnenzelle angelegt. Als ein Ergebnis dessen wird die Sonnenzelle durch die Diode vor der Spannung in Rückwärtsrichtung geschützt.
- Im Fall einer Sonnenzelle mit einer Struktur, die in den Figuren 3 bis 5 gezeigt wird, ist es jedoch, da ein halbisolierendes Substrat als das Substrat 1 verwendet wird, nicht möglich, eine Elektrode zu erzeugen, die der lichtaufnehmenden Oberfläche des Bereichs mit Funktion der Sonnenzelle an der rückseitigen Oberfläche des Substrats gegenüberliegt. Dagegen ist es erforderlich, einen Bereich der n-Typ GaAs-Schicht 2, die auf dem isolierenden Substrat an einem Bereich der lichtaufnehmenden Oberfläche hergestellt ist, freizulegen und darauf eine negativseitige Elektrode 10 herzustellen. Daher wird in Fällen von Sonnenzellen mit großer Fläche der innere Reihenwiderstand der Sonnenzelle durch den Widerstand in lateraler Richtung der n-Typ GaAs-Schicht 2 erhöht, und der photoelektrische Wirkungsgrad wird erniedrigt. Darüber hinaus wird durch Herstellung einer n-Typ-Schicht 2 an einem Bereich der lichtaufnehmenden Oberfläche die effektive lichtaufnehmende Fläche verringert, und der photoelektrische Wirkungsgrad wird erniedrigt. Außerdem muß, um einen Bereich der n-Typ Schicht 2 an dem Bereich der lichtaufnehmenden Oberfläche freizulegen, die Ätztiefe streng kontrolliert werden, während die p-Typ Schicht 3, beispielsweise durch Naß-Ätzen, selektiv entfernt wird. Jedoch ist in Fällen, in denen die p-Typ Schicht 3 und die n-Typ Schicht 2 aus demselben Material als solches hergestellt sind, die strenge Kontrolle der Ätztiefe sehr schwierig. Darüber hinaus wird, wenn eine Sonnenzelle verwendet wird, indem man eine Vielzahl von Sonnenzellen in Reihe schaltet, eine beträchtlich große Menge an Wärme an den Schweiß-Bereich der vorderseitigen Elektrode angelegt, und die Temperatur des äußeren Verbindungsstücks kann teilweise mehr als 500ºC betragen. In Fällen einer GaAs-Sonnenzelle hat die Tiefe des p-n-Übergangs an dem Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle jedoch eine Schranke von ungefähr 0,5 um, wie vorstehend diskutiert, und es treten Probleme auf, daß der p-n-Übergang Schädigungen aufgrund von Wärme unterworfen wird, wodurch Eigenschaften verschlechtert werden oder es wahrscheinlich ist, daß Risse des GaAs erzeugt werden. Diese führen ferner zu Beschränkungen der Schweiß-Bedingungen.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sonnenzelle zu Verfügung zu stellen, die, umfassend in Rückwärtsrichtung parallel geschaltete Dioden auf demselben Halbleiter- Substrat, die Eigenschaft hat, die Erzeugung von elektromotorischer Kraft der in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Dioden zu verhindern.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Herstellungsverfahren einer Sonnenzelle zu Verfügung zu stellen, mit der Eigenschaft, durch ein einfaches Verfahren eine Sonnenzelle mit hohem photoelektrischen Wirkungsgrad herzustellen.
- Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung, die nachstehend gegeben ist, deutlich; es sollte jedoch klar sein, daß die detaillierte Beschreibung und die spezifische Ausführungsform nur als Veranschaulichung gegeben sind.
- Bei einer Sonnenzelle gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleiterbereich von einem zweiten Leitfähigkeitstyp als eine in Rückwärtsrichtung parallel geschaltete Diode bei einem Herstellungsbereich eines Bereichs mit Funktion einer Sonnenzelle eines Halbleitersubstrats von einem ersten Leitfähigkeitstyp gebildet, und ein Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle wird erzeugt, indem man aufeinanderfolgend eine erste Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp und eine zweite Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp auf einer Substratoberfläche bildet, außer auf dem Abschnitt für die in Rückwärtsrichtung parallel geschaltete Diode. Dann wird der p-n-Übergang zwischen der Oberfläche des Halbleitersubstrats und dem Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle zu einem Übergang mit fast keiner Sperreigenschaft bei Spannung in Rückwärtsrichtung gemacht. Darüber hinaus wird eine Oberflächenelektroden-Metallschicht, die die zweite Halbleiterschicht und den Halbleiterbereich verbindet, so hergestellt, daß sie die gesamte Oberfläche des in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Diodenbereichs bedeckt, und die andere Elektrode wird an der rückseitigen Oberfläche des Substrats gebildet. Demgemäß kann das Licht mit Wellenlängen, die zu der Erzeugung licht-elektromotorischer Kraft beitragen, das den p-n- Übergangsbereich von der in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Diode erreichen kann, perfekt aufgefangen werden, wodurch die Verhinderung der Erzeugung von elektromotorischer Kraft der in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Dioden ermöglicht wird. Darüber hinaus wird in einem Fall, in dem ein Bereich der Sonnenzelle, der in Reihe geschaltet ist, in den Schatten kommt, der in Rückwärtsrichtung parallel geschaltete Diodenbereich in eine Vorwärtsrichtung vorgespannt, und es wird verhindert, daß eine Rückwärtsspannung an den p-n-Übergang mit der ursprünglichen Funktion als eine Sonnenzelle angelegt wird. Darüber hinaus kann, da die in Rückwärtsrichtung parallel geschaltete Diode durch die Anordnung der p-n-Übergänge in dem Substrat elektrisch separat erzeugt ist, der Herstellungsprozeß einer in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Diode in einem großen Ausmaß vereinfacht werden. Darüber hinaus kann der Elektrodenbereich oberhalb der in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Diode als Schweiß-Bereich für das äußere Verbindungsstück verwendet werden, wodurch eine Verringerung der effektiven lichtaufnehmenden Oberfläche verhindert wird.
- Die Merkmale der Sonnenzelle und ihres Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung werden in Anspruch 1 bzw. Anspruch 10 gezeigt.
- Figur 1 ist ein Diagramm, das einen Aufbau einer Sonnenzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt zeigt;
- Die Figuren 2(a) bis (e) sind Diagramme, die jeweilige Herstellungsverfahrensschritte zur Herstellung der Sonnenzeile von Fig. 1 zeigen;
- Figur 3 ist eine Draufsicht, die einen Aufbau einer Sonnenzelle gemäß dem Stand der Technik zeigt;
- Figur 4 ist eine Querschnittsansicht der Linie a - a' von Figur 3; und
- Figur 5 ist eine Querschnittsansicht der Linie b - b' von Figur 3.
- Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- Figur 1 zeigt einen Aufbau einer Sonnenzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt. In Figur 1 bezeichnet Bezugszeichen 100 ein p-Typ Ge-Substrat. Ein n-Typ Ge-Bereich 102 ist auf der Hauptoberfläche des p-Typ Ge-Substrats 100 gebildet. Eine n-Typ GaAs- Schicht 201 mit hoher Verunreinigungs-Konzentration ist auf dem p-Typ Ge-Substrat 100 angeordnet. Eine Gitter-Anpassungsschicht 202 ist auf der n-Typ GaAs-Schicht 201 mit hoher Verunreinigungs-Konzentration angeordnet. Eine n-Typ GaAs-Schicht 203 ist auf der Gitter-Anpassungsschicht 202 angeordnet. Eine p-Typ GaAs-Schicht 204 ist auf der n-Typ GaAs-Schicht 203 angeordnet. Eine AlGaAs-Schicht 205 ist auf der p-Typ GaAs-Schicht 204 angeordnet. Eine selektive Diffusions-Maske 301 (in Figur 2) wird zur selektiven Diffusion von Verunreinigungen zur Herstellung des n-Typ Ge- Bereichs 102 verwendet. Eine reflexionsverhindernde Schicht 302 ist auf der AlGaAs-Schicht 205 angeordnet. Bezugszeichen 401 bezeichnet eine positivseitige Sonnenzellen-Elektrode. Bezugszeichen 402 bezeichnet eine positivseitige Sonnenzellen-Schweißelektrode, die einstückig mit der Elektrode 401 ausgebildet ist, und Bezugszeichen 403 bezeichnet eine negativseitige Sonnenzellen-Elektrode.
- Die Figuren 2(a) bis (e) zeigen Herstellungsverfahrensschritte zur Herstellung der Sonnenzelle von Figur 1, und das Produktionsverfahren wird unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben.
- An erster Stelle wird, wie in Figur 2(a) gezeigt, ein Siliziumnitrid-Film 301 auf beiden Oberflächen des p-Typ Ge-Substrats 100 mit einer Substratdicke von 100 bis 300 um gebildet, und ein Siliziumnitrid-Film 301 wird als eine selektive Diffusions-Maske bis zu einer Dicke von ungefähr 1000 Å (10 Å = 1 nm) durch CVD (Chemisches Dampfphasen-Beschichten) hergestellt. Hier wird, um die Bildung eines ohmschen Kontaktes mit der n-Typ GaAs-Schicht mit hoher Verunreinigungs-Konzentration, die später hergestellt werden wird, zu vereinfachen, die Verunreinigungs-Konzentration der Oberfläche des Substrats auf mindestens oberhalb 1 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder vorzugsweise ungefähr 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ eingestellt. Das heißt, wenn ein Substrat mit einer Verunreinigungs-Konzentration von niedriger als 1 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ verwendet wird, dann ist es zur Herstellung eines Bereichs mit Funktion einer Sonnenzelle erforderlich, eine p-Typ Schicht mit hoher Konzentration durch Diffusion von Bor in einen vorbestimmten Bereich eines Bereichs der Oberfläche des p-Typ Substrats herzustellen.
- Danach wird, wie in Figur 2(b) gezeigt, ein Siliziumnitrid- Film 301 an einem vorbestimmten Bereich mit Hilfe von Photolithographie entfernt, und Diffusion von P wird durch diese Öffnung durchgeführt, wodurch ein n-Typ Ge-Bereich 102 hergestellt wird. Danach wird, wie in Figur 2(c) gezeigt, der Siliziumnitrid-Film 301 an der Oberflächenseite (lichtaufnehmenden Oberflächenseite) entfernt, und danach wird, um einen p-n-Übergang mit der Funktion als eine GaAs- Sonnenzelle herzustellen, eine n-Typ GaAs-Schicht 201 mit hoher Verunreinigungs-Konzentration in einer Filmdicke von 100 bis 1000 Å, eine Gitter-Anpassungsschicht 202, umfassend eine Übergitter-Schicht, die abwechselnd laminierte AlGaAs- und GaAs-Schichten mit jeweiligen Filmdicken von 100 Å umfaßt, eine n-Typ GaAs-Schicht 203 in einer Filmdicke von 3 bis 5 um, eine p-Typ GaAs-Schicht 204 in einer Filmdicke von 0,3 bis 0,5 um und eine p-Typ AlxGa1-xAs- Schicht (x = 0,8 bis 0,9) 205 in einer Filmdicke unterhalb 0,1 um aufeinanderfolgend durch ein Verfahren wie MOCVD (Metallorganisches Dampfphasen-Beschichten) oder MBE (Molekular-Strahl-Epitaxie) Verfahren gewachsen. Es ist erwünscht, daß dann die Verunreinigungs-Konzentration der n- Typ GaAs-Schicht 201 mit hoher Verunreinigungs-Konzentration unterhalb ungefähr 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ ist. Darüber hinaus wird ein vorbestimmter Bereich der Epitaxie-Schichten, umfassend mindestens einen p-n-Übergangsbereich der Ge-Substrat-Oberfläche, durch Ätzen entfernt, wodurch der Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle und der Bereich der in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Diode voneinander getrennt werden.
- Danach wird, wie in Figur 2(d) gezeigt, ein Siliziumnitrid- Film 302 als ein reflexionsverhindernder Film und isolierender Film für die Metallverdrahtung hergestellt.
- Danach werden, wie in Figur 2(e) gezeigt, Bereiche des Siliziumnitrid-Films 302 und der p-Typ AlGaAs-Schicht 205 an vorbestimmten Stellen der vorderseitigen Oberfläche und der rückseitigen Oberfläche mit Hilfe von Photolithographie entfernt, und eine Elektroden-Metallschicht wird an vorbestimmten Bereichen der in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Diode und des Bereichs mit Funktion einer Sonnenzelle durch Sputtern oder Abscheidung hergestellt. Das heißt, die Elektrode 401 an der vorderseitigen Oberfläche der Sonnenzelle wird so hergestellt, daß sie die p-Typ GaAs-Schicht 204 und den n-Typ Ge-Bereich 102 verbindet, und die Elektrode 403 an der rückseitigen Oberfläche wird an der gesamten rückseitigen Oberfläche des p-Typ Ge-Substrats 100 hergestellt. Dann ist die Elektrode auf der vorderseitigen Oberfläche so hergestellt, daß sie vollständig einen Bereich, umfassend den Bereich des p-n-Übergangs an der Oberfläche des Ge-Substrats 100 und dem n-Typ Ge-Bereich 102, bedeckt. Darüber hinaus wird, wenn die Sonnenzelle im Weltraum beispielsweise als Energieversorgung für einen künstlichen Satelliten verwendet wird, die Verbindung zwischen der Elektrode der Sonnenzelle und dem äußeren Verbindungsstück oft durch ein Schweißverfahren wie beispielsweise das Parallel-Spalt-Verfahren (Parallel Gap Method) durchgeführt. Es ist dann erforderlich, daß die Elektrode auf der vorderseitigen Oberfläche eine Fläche von ungefähr 5 mm x 10 mm hat, die als ein Schweißbereich mit dem Verbindungsstück zum äußeren Verbindungsteil zu verwenden ist, und es ist erwünscht, daß die Elektrode 401 auf dem n-Typ Ge-Bereich 102 als Muster gestaltet ist, so daß sie diese Bedingung erfüllt.
- Die Vorrichtung wird wie folgt arbeiten.
- In der Sonnenzelle mit solch einem Aufbau wird, wenn Licht auf die lichtaufnehmende Oberfläche eintrifft, eine lichtelektromotorische Kraft zwischen der p-Typ GaAs-Schicht 204 und der n-Typ GaAs-Schicht 203 erzeugt, und sie wirkt als eine Batterie, die eine positive Spannung an dem Anode 401 und eine negative Spannung an der Kathode 403 erzeugt. Obwohl die in Rückwärtsrichtung parallel geschaltete Diode mit einem p-n-Übergang, die durch die p-Typ Ge-Schicht 100 und den n-Typ Ge-Bereich 103 hergestellt ist, eine elektrizitätserzeugende Funktion in Rückwärtsrichtung hat, die rückwärtsgerichtet zu der ursprünglichen elektrizitätserzeugenden Richtung der Sonnenzelle ist, tritt, da die gesamte Oberfläche von dem Elektrodenmetall 402 bedeckt ist und das eintreffende Licht aufgefangen wird, Erzeugung von Elektrizität in der Rückwärtsrichtung auf, wodurch die Wirkung der Sonnenzelle nicht behindert wird. Darüber hinaus wird, bei dem Sonnenzellen-Baustein, der in Serie durch die äußeren Verbindungselektroden 401 und 403 verbunden ist, wenn ein Bereich der Sonnenzelle in den Schatten kommt, eine Rückwärtsspannung angelegt, und die Anode 401 wird mit einer Minus-Spannung vorgespannt, während die Kathode 403 mit einer positiven Spannung vorgespannt wird. Der in Rückwärtsrichtung parallel geschaltete Diodenbereich jedoch ist in diesem Falle in einer Vorwärtsrichtung vorgeschaltet, und ein Strom fließt von der Kathode 403 durch den in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Diodenbereich zu der Anode 401. Demgemäß wird keine Spannung in Rückwärtsrichtung an den p-n-Übergang mit einer ursprünglichen elektromotorischen Kraft-Funktion als eine Sonnenzelle angelegt.
- Wie vorstehend beschrieben, hat die Sonnenzelle der vorliegenden Erfindung eine Leitfähigkeit in Rückwärtsrrichtung und das Element wird nicht durch eine Spannung in Rückwärtsrichtung zerstört. Demgemäß wird, da keine Notwendigkeit besteht, eine Diode an der Außenseite einzufügen, die Anzahl der Teile als ein ganzes System nicht ansteigen. Darüber hinaus kann die in Rückwärtsrichtung parallel geschaltete Diode unabhängig gemacht werden durch einen selektiven Ätzvorgang, der durchgeführt wird, nachdem ein p-n-Übergang an dem Substrat hergestellt worden ist, wodurch eine Vereinfachung des Verfahrens ermöglicht wird. Darüber hinaus können, während die Elektrode 401 auf der vorderseitigen Oberfläche der Sonnenzelle mit dem äußeren Verbindungsstück verschweißt wird, indem die Elektrode auf dem n-Typ Ge-Bereich 102 zu einem Schweißbereich gemacht wird, Schäden an dem p-n-Übergang an dem Bereich mit Wirkung einer Sonnenzelle und Risse in dem GaAs perfekt verhindert werden. Außerdem ist die Haftstärke des Elektrodenmetalls an dem Halbleitersubstrat besser als die auf dem isolierenden Film, und die Elektrode auf der n-Typ Ge-Schicht 102 wird zu einer besseren Schweiß-Elektrode. Ferner ist es, indem man eine Schweiß-Elektrode herstellt, für die erforderlich ist, daß sie in gewissem Maße eine Fläche auf dem n-Typ Ge-Bereich 102 hat, möglich, die Verringerung der effektiven lichtaufnehmenden Fläche aufgrund der Herstellung von Bypass-Dioden an der lichtaufnehmenden Oberfläche zu unterdrücken.
- Während in der vorstehend beschriebenden Ausführungsform eine p- auf n-Typ GaAs/Ge-Sonnenzelle beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung auf jede Sonnenzelle wie beispielsweise eine GaAs/Si-Sonnenzelle angewendet werden, ohne daß sie auf eine p- auf n- oder n- auf p-Sonnenzelle beschränkt ist.
- Bei dem Herstellungsverfahren der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird ein Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle mit einem p-n-Übergang auf der gesamten Oberfläche des Substrats hergestellt, und danach wird der Abschnitt der in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Dioden durch Ätzen entfernt. Es können jedoch Schichten mit einem p-n- Übergang durch Epitaxie hergestellt werden, nachdem eine Epitaxie-Wachstums-Sperrschicht, wie ein Siliziumnitrid- Film, an einem vorbestimmten Bereich mit einem p-n-Übergangsbereich und einer n(p)-Typ Ge-Schicht an der Oberfläche des Ge-Substrats hergestellt worden sind, bevor ein Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle hergestellt wird. Dann kann ein Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle, der vom Beginn unabhängig ist, hergestellt werden.
- Wie aus der vorstehenden Beschreibung offensichtlich ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Bypass-Diode hergestellt, indem eine Halbleiterschicht mit einem dem des Substrats entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp an einem Bereich der Herstellungsoberfläche des Bereichs mit Funktion einer Sonnenzelle eines Halbleitersubstrats bereit gestellt wird, und ein Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle wird auf dem Substrat außer auf dem Herstellungsbereich für die Bypass-Diode hergestellt. Inzwischen wird der p-n-Übergang zwischen der Halbleitersubstrat-Oberfläche und dem Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle zu einem Übergang mit fast keiner Sperreigenschaft bei Spannung in Rückwärtsrichtung gemacht, und eine Elektrode wird hergestellt, so daß sie den Bereich mit Funktion einer Sonnenzelle und den Bereich der Bypass-Diode verbindet, wobei sie die gesamte Oberfläche des Bypass-Dioden-Bereichs mit dieser Oberflächenelektroden-Metallschicht bedeckt, und ferner wird die andere Elektrode an der rückseitigen Oberfläche des Substrats hergestellt. Demgemäß kann Licht der Wellenlänge, die zu der Erzeugung der licht-elektromotorischen Kraft beiträgt, das den p-n-Übergangsbereich der in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Diode erreichen kann, perfekt ausgeschnitten werden, und die Erzeugung von elektromotorischer Kraft der in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Diode kann verhindert werden. Darüber hinaus ist es, da der in Rückwärtsrichtung parallell geschaltete Diodenbereich in eine Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, wenn ein Bereich der Sonnenzelle, der in Reihe geschaltet ist, in den Schatten kommt, es möglich, zu verhindern, daß eine Rückwärtsspannung an einen p-n-Übergang mit einer ursprünglichen Funktion als Sonnenzelle angelegt wird. Außerdem ist es, da es keine Notwendigkeit gibt, eine Diode an der Außenseite eine zusetzen, nicht notwendig, die Anzahl der Teile als ein System zu erhöhen, und da die in Rückwärtsrichtung parallel geschaltete Diode unabhängig hergestellt wird, indem sie zur selben Zeit wie der Bereich mit Funktion der Sonnenzelle hergestellt wird und danach selektives Ätzen derselben durchgeführt wird, wodurch sie voneinander getrennt werden, was die Vereinfachung des Verfahrens ermöglicht. Darüber hinaus können, während die Oberflächenelektrode der Sonnenzelle an ein äußeres Verbindungsstück geschweißt wird, indem die Elektrode auf dem Bereich der in Rückwärtsrichtung parallel geschalteten Diode zu einem Schweißbereich gemacht wird, Schäden und Risse an dem p-n-Übergang des Bereichs mit Funktion einer Sonnenzelle perfekt verhindert werden, und die Verringerung der effektiven lichtaufnehmenden Oberfläche aufgrund der Herstellung der Bypass- Diode an der lichtaufnehmenden Oberfläche kann auf ein Mindestmaß unterdrückt werden.
Claims (18)
1. Sonnenzelle, umfassend:
ein Halbleitersubstrat (100) von einem ersten
Leitfähigkeitstyp mit gegenüberliegenden ersten und zweiten
Haupt-Oberflächen;
einen Halbleiterbereich (102) von einem zweiten
Leitfähigkeitstyp, der sich von einem Teil von der ersten
Haupt-Oberfläche in das Halbleitersubstrat (100) erstreckt;
eine erste Halbleiterschicht (203) von einem zweiten
Leitfähigkeitstyp, die auf der ersten Haupt-Oberfläche des
Halbleitersubstrats (100) außer auf dem Teil von der ersten
Haupt-Oberfläche hergestellt ist und einen p-n-Übergang mit dem
Halbleitersubstrat (100) mit fast keiner Sperreigenschaft bei
Spannung in Rückwärtsrichtung bildet;
eine zweite Halbleiterschicht (204) von einem ersten
Leitfähigkeitstyp, die auf der ersten Halbleiterschicht (203)
hergestellt ist;
eine erste Elektrode (401, 402), die bereitgestellt ist, so
daß sie den Halbleiterbereich (102) bedeckt, und die die
zweite Halbleiterschicht (204) mit dem Halbleiterbereich (102)
verbindet; und
eine zweite Elektrode (403), die an der zweiten
Haupt-Oberfläche des Halbleiter-Substrats (100) hergestellt ist.
2. Sonnenzelle nach Anspruch 1, wobei eine Halbleiterschicht
(201) vom zweiten Leitfähigkeitstyp mit hoher
Verunreinigungskonzentration zwischen dem Halbleitersubstrat (100) vom ersten
Leitfähigkeitstyp und der ersten Halbleiterschicht (203) vom
zweiten Leitfähigkeitstyp bereitgestellt ist.
3. Sonnenzelle nach Anspruch 2, wobei eine
Gitter-Anpassungsschicht (202) zwischen der Halbleiterschicht (201) vom zweiten
Leitfähigkeitstyp mit hoher Verunreinigungskonzentration und
der ersten Halbleiterschicht (203) vom zweiten
Leitfähigkeitstyp bereitgestellt ist.
4. Sonnenzelle nach Anspruch 1, wobei eine Fensterschicht
(205) auf der zweiten Halbleiterschicht (204) bereitgestellt
ist.
5. Sonnenzelle nach Anspruch 1, wobei ein Reflexion
verhindernder Film (302) auf einem Teil auf der ersten
Haupt-Oberfläche, außer auf der ersten Elektrode (401, 402), vorgesehen
ist.
6. Sonnenzelle nach Anspruch 1, wobei das Halbleiter-Substrat
(100) aus Ge gebildet ist und die erste und die zweite Schicht
aus GaAs gebildet sind.
7. Sonnenzelle nach Anspruch 6, wobei das Halbleiter-Substrat
(100) eine Ge-Schicht vom p-Typ umfaßt, der Halbleiterbereich
(102) einen Ge-Bereich vom n-Typ umfaßt, die erste
Halbleiterschicht (203) eine GaAs-Schicht vom n-Typ umfaßt und die
zweite Halbleiterschicht (204) eine GaAs-Schicht vom p-Typ
umfaßt.
8. Sonnenzelle nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat
(100) aus Si gebildet ist und die erste und die zweite Schicht
aus GaAs gebildet sind.
9. Sonnenzelle nach Anspruch 1, wobei eine Zone (402) der
ersten Elektrode (401, 402), die auf dem ersten
Halbleiterbereich (102) gebildet ist, einen Verbindungsteil zu
dem äußeren Verbindungsstück bildet.
10. Verfahren zur Herstellung einer Sonnenzelle gemäß Anspruch
1, umfassend:
einen ersten Schritt zur Erzeugung eines Halbleiterbereichs
(102) vom zweiten Leitfähigkeitstyp an einem Teil von der
ersten Haupt-Oberfläche des Halbleiter-Substrats (100) vom
ersten Leitfähigkeitstyp;
einen zweiten Schritt zur Erzeugung einer ersten
Halbleiterschicht (203) vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf der ersten
Haupt-Oberfläche des Halbleiter-Substrats (100), außer auf dem
Halbleiterbereich, wobei die Schicht einen p-n-Übergang mit
dem Halbleitersubstrat (100) mit fast keiner Sperreigenschaft
bei Spannung in Rückwärtsrichtung bildet, und zur Erzeugung
einer zweiten Halbleiterschicht (204) vom ersten
Leitfähigkeitstyp auf der ersten Halbleiterschicht (203);
einen dritten Schritt zur Herstellung eines isolierenden Films
(302), so daß er die gesamte Oberfläche der ersten
Haupt-Oberfläche bedeckt, und zum Entfernen eines gewünschten Teils von
dem isolierenden Film (302) und zur Erzeugung der ersten
Elektrode (401, 402), die die gesamte Oberfläche auf dem
Halbleiterbereich (102) bedeckt und den Halbleiterbereich (102) und
die zweite Halbleiterschicht (204) verbindet; und
einen vierten Schritt zur Erzeugung der zweiten Elektrode
(403) auf der zweiten Haupt-Oberfläche des
Halbleiter-Substrats (100).
11. Verfahren zur Herstellung einer Sonnenzelle nach Anspruch
10, wobei der zweite Schritt einen Schritt zur Erzeugung einer
Halbleiterschicht (201) vom zweiten Leitfähigkeitstyp mit
hoher Verunreinigungskonzentration und darauffolgend einer
Gitteranpassungsschicht (202) auf dem Halbleitersubstrat (100)
umfaßt, bevor eine erste Halbleiterschicht (203) vom zweiten
Leitfähigkeitstyp auf dem Halbleiter-Substrat (100)
hergestellt wird.
12. Verfahren zur Herstellung einer Sonnenzelle nach Anspruch
10, wobei der zweite Schritt Schritte zur Bildung einer ersten
Halbleiterschicht (203) vom zweiten Leitfähigkeitstyp und
darauffolgend einer zweiten Halbleiterschicht (204) vom ersten
Leitfähigkeitstyp auf dem Halbleiter-Substrat (100) und danach
zur Entfernung durch Ätzen von Teilen dieser Schichten, die
einem Teil oberhalb des Halbleiterbereichs (102) entsprechen,
umfaßt.
13. Verfahren zur Herstellung einer Sonnenzelle nach Anspruch
10, wobei der zweite Schritt Schritte zur Bildung einer mit
Epitaxie gewachsenen Sperrschicht (201, 202) bei einer
vorbestimmten Position einschließlich eines Teils oberhalb des
Halbleiterbereichs (102) der Halbleiter-Substratoberfläche und
zur Erzeugung einer ersten Halbleiterschicht (203) vom zweiten
Leitfähigkeitstyp danach und darauffolgend einer zweiten
Halbleiterschicht (204) vom ersten Leitfähigkeitstyp umfaßt.
14. Verfahren zur Herstellung einer Sonnenzelle nach Anspruch
10, wobei der zweite Schritt Schritte zur Bildung einer
Fensterschicht (205) auf der zweiten Halbleiterschicht (204)
umfaßt.
15. Verfahren zur Herstellung einer Sonnenzelle nach Anspruch
10, wobei das Halbleiter-Substrat (100) aus Ge gebildet wird
und die erste und die zweite Halbleiterschicht aus GaAs
gebildet werden.
16. Verfahren zur Herstellung einer Sonnenzelle nach Anspruch
15, wobei das Halbleiter-Substrat (100) eine Ge-Schicht vom p-
Typ umfaßt, der Halbleiterbereich (102) eine Ge-Schicht vom n-
Typ umfaßt, die erste Halbleiterschicht (203) eine GaAs-
Schicht vom n-Typ umfaßt und die zweite Halbleiterschicht
(204) eine GaAs-Schicht vom p-Typ umfaßt.
17. Verfahren zur Herstellung einer Sonnenzelle nach Anspruch
10, wobei das Halbleitersubstrat aus Si gebildet wird und die
zweite und die dritte Halbleiter-Schicht aus GaAs gebildet
werden.
18. Verfahren zur Herstellung einer Sonnenzelle nach Anspruch
10, wobei eine Zone (402) oberhalb des Halbleiterbereichs
(102) aus Zonen der ersten Elektrode (401, 402), die auf der
ersten Haupt-Oberfläche des Halbleiter-Substrats (100)
gebildet ist, zu einem Verbindungsteil zu dem äußeren
Verbindungsstück gemacht wird.
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