DE68927845T2 - Sonnenzelle mit einer durchsichtigen Elektrode - Google Patents
Sonnenzelle mit einer durchsichtigen ElektrodeInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter- Vorrichtung und noch genauer einen Halbleiter, dessen Eigenschaften verbessert sind. Die EP-A-0 221 523 betrifft eine Halbleiter-Vorrichtung, die eine transparente SnO&sub2;- Elektrode, eine hoch dotierte, amorphe SiC-H-Schicht von p- Leitfähigkeit, eine Halbleiterschicht vom p-Typ, eine Halbleiterschicht vom i-Typ, eine Halbleiterschicht vom n- Typ und eine Rückseiten-Elektrode umfaßt. Es ist bekannt, daß die Charakteristik von Solarzellen verbessert wird, wenn eine Solarzelle auf einem Glassubstrat mit strukturierter Oberfläche angeordnet ist, da Licht durch eine strukturierte Oberfläche gestreut wird und die Lichtabsorption in der Solarzelle erhöht wird. Es ist auch bekannt, daß sich das Relief der Peaks und ihrer Mulden erhöht, wenn die Dicke des SnO&sub2;-Films, der als transparenter, leitfähiger Film (transparente Elektrode) verwendet wird, erhöht wird. Allerdings verringert sich der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad (nachstehend als FF bezeichnet) sehr stark, wenn das Relief der Peaks und Mulden des Glassubstrats zu groß gemacht wird, da das innere Serienwiderstandsverhältnis der Solarzelle klein wird. Die Reliefgröße des Glassubstrats wird üblicherweise durch das Trübungsverhältnis repräsentiert. Es wird durch folgende Formel definiert:
- Trübungsverhältnis = Streulicht/Durchlicht x 100 [%]
- Wenn der SnO&sub2;-Filn zu dick wird, wird die Lichtabsorption durch SnO&sub2; selbst groß und der Steigerungseffekt der Lichtabsorption durch die strukturierte Oberfläche wird aufgehoben, so daß der Wirkungsgrad der Solarzelle vermindert wird. Folglich wird üblicherweise ein transparenter, leitfähiger Film mit einer Dicke zwischen 500 nm (5000 Å) und 700 nm (7000 Å) und einer Dotierungsmitteldichte zwischen 1 und 2 Gew.-% für eine konventionelle Solarzelle eingesetzt.
- Der Lichtabsorptionskoeffizient eines transparenten, leitfähigen Films wird durch Verringerung des Gehalts an Dotierungsmittel erniedrigt, wodurch die Charakteristik der Solarzelle ohne Vergrößerung der Lichtabsorption durch die transparente Elektrode verbessert wird, sogar wenn eine Solarzelle mit einem dicken, transparenten, leitfähigen Film eingesetzt wird.
- Die Charakteristik einer Solarzelle mit einem niedrig dotierten, transparenten, leitfähigen Film wird jedoch nicht so sehr verbessert, weil sich, begleitet von dem Anstieg des Kontaktwiderstandes zwischen der transparenten Elektrode und der ersten Schicht der amorphen Halbleiterschichten, der FF verringert. Die erste Schicht der amorphen Halbleiterschicht bedeutet zum Beispiel eine Schicht vom p-Typ, wenn die Halbleiterschichten von p-Typ, i-Typ und n-Typ in dieser Reihenfolge auf der transparenten Elektrode angeordnet sind.
- Der Ausgangsstrom einer Vielfachkontaktsolarzelle, worin eine Anzahl amorpher Halbleiterschichten aufeinander gestapelt sind, um einen hohen Ausgangsstrom zu erhalten, beträgt (1/Anzahl der Blöcke) und der Austrittsverlust beträgt (1/Anzahl der Blöcke)² von denen einer Einfachkontaktsolarzelle, so daß transparente Elektroden mit höheren Widerstand eingesetzt werden können. Die Resistivität einer transparenten Elektrode wird gewöhnlicherweise durch deren Dicke gesteuert, d. h. die Resistivität vergrößert sich in Übereinstimmung mit der Verringerung der Dicke.
- Folglich ist es verständlich, daß im Vergleich mit Einfachkontaktsolarzellen für Vielfachkontaktsolarzellen dünnere transparente Elektroden eingesetzt werden können. Es ist zu erwarten, daß die Ausgangsleistung gesteigert wird, wenn eine dünnere transparente Elektrode eingesetzt wird, da die Lichtabsorption durch die transparente Elektrode verringert wird.
- Die Ausgangsleistung einer Solarzelle, die eine dünnere transparente Elektrode einsetzt, wird jedoch nicht wie erwartet gesteigert, da, wie vorstehend erwähnt, der Lichtstreuungseffekt der strukturierten Oberfläche einer transparenten Elektrode sich gemäß der Verminderung der transparenten Elektrodendicke verringert.
- Unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Umstände ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Vorrichtung bereitzustellen, bei der die Lichtabsorption in der transparente Elektrode verbessert ist.
- Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Vorrichtung bereitzustellen, in der der Kontaktwiderstand zwischen der transparenten Elektrode und den amorphen Halbleiterschichten verringert ist.
- Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vielfachkontaktsolarzelle bereitzustellen, bei der die Ausgangsleistung gesteigert ist.
- Eine Halbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt:
- (a) eine SnO&sub2; umfassende transparente Elektrode (2);
- (b) mindestens eine amorphe Halbleiter-Schicht (3) mit pin-Schichten oder nip-Schichten;
- (c) eine Rückseitenelektrode (4),
- wobei die transparente Elektrode (2), die amorphe Halbleiter-Schicht (3) und die Rückseitenelektrode (4) in dieser Reihenfolge auf einem Glassubstrat (1) angeordnet sind, die Dotierungsmitteldichte der transparenten Elektrode nicht größer ist als 0,5 Gew.-%, und ihr Folienwiderstand nicht größer ist als 40 Ω/ und wobei eine amorphe Halbleiter-Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte (5) zwischen der transparenten Elektrode (2) und der Halbleiter-Schicht (3) sandwichartig angeordnet ist.
- Es ist bevorzugt, daß die amorphe Halbleiter-Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte (5), die sandwichartig zwischen der transparenten Elektrode (2) und der Halbleiter-Schicht (3) angeordnet ist, denselben Leitfähigkeits-Typ und eine höhere Dotierungsmitteldichte aufweist, als die Schicht der pin-Schichten oder der nip- Schichten, die auf der Seite der transparenten Elektrode angeordnet ist.
- In der Halbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Dotierungsnitteldichte der transparenten Elektrode begrenzt auf nicht mehr als 0,5 Gew.-%, so daß die Lichtabsorption durch die transparente Elektrode verringert werden kann.
- Da die Resistivität durch Verringerung der Menge an Dotierungsnittel erhöht werden kann, ist es bei Vielfachkontaktsolarzellen nicht notwendig, dünne Filme transparenter Elektroden einzusetzen. Folglich kann die Verringerung des Lichtstreuungseffekts in transparenten, leitfähigen Film vermieden werden.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung, worin eine Halbleiterschicht mit hoher Dotierungsmitteldichte sandwichartig zwischen der transparenten Elektrode und den Halbleiter-Schichten angeordnet ist, wird der Kontaktwiderstand verringert, was einen gesteigerten Wirkungsgrad von Einfachkontaktsolarzellen zur Folge hat.
- Die Figuren 2 beziehungsweise 4 sind schematische Darstellungen der Aspekte der vorliegenden Erfindung.
- Figur 3 ist ein U-I-Kennliniendiagramm von Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2; und
- Figur 5 ist ein U-I-Kennliniendiagramm von Beispiel 2 und den Vergleichsbeispielen 3 und 4.
- Von nun an auf die Figuren für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend, ist in Figur 1 eine übliche Halbleiter-Vorrichtung aufgezeigt. In Figur 1 zeigt A eine Halbleiter-Vorrichtung, die ein Glassubstrat 1, eine SnO&sub2; umfassende transparente Elektrode 2, Halbleiterschichten 3 und eine Rückseitenelektrode 4 umfaßt.
- Die SnO&sub2; umfassende transparente Elektrode 2 wird auf dem Glassubstrat 1 durch die CVD-Methode und dergleichen gebildet. Die Dicke der transparenten Elektrode 2 liegt zwischen 500 nm (5000 Å) und 2000 nm (20000 Å), bevorzugt 500 nm (5000 Å) und 1500 nm (15000 Å). Die Dotierungsmitteldichte des Elektrodenfilms ist nicht größer als 0,5 Gew.-%. Al, Sb und F können als Dotierungsmittel gewählt werden. Der Folienwiderstand der transparenten Elektrode 2 hängt von der Dotierungsmittelmenge und ihrer Dicke ab.
- Auf der transparenten Elektrode 2 werden eine Anzahl Halbleiterschichten 3, umfassend amorphe Halbleiterschichten vom pin-Typ oder nip-Typ, gestapelt durch übliche Methoden wie die Glimmentladungzersetzungsmethode, gebildet. Figur 1 zeigt ein Modell, bei dem zwei amorphe Halbleiterschichten vom pin-Typ angeordnet sind, es gibt aber keine Einschränkung für die Anzahl der Halbleiterschichten.
- In der vorliegenden Erfindung repräsentiert amorpher Halbleiter einen Halbleiter, der nur einen amorphen Halbleiter umfaßt und einen Halbleiter, der einen amorphen, Kristallitsubstrate enthaltenden Halbleiter umfaßt. a-SiH; C, Ge, Sn oder F enthaltendes a-SiH; oder µC-SiH (mikrokristallin) und dergleichen sind als konkrete Beispiele für einen amorphen Halbleiter aufgezählt.
- Auf den Halbleiterschichten 3 wird die Rückseitenelektrode 4, umfassend Al, Ag, Mo, Cr, Ni und so weiter, gebildet.
- Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Halbleiter- Vorrichtung B umfaßt ein Glassubstrat 1, eine SnO&sub2; umfassende transparente Elektrode 2, amorphe Halbleiter- Schichten 3 und eine Rückseitenelektrode 4, wobei eine Halbleiter-Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte 5 zwischen der transparenten Elektrode 2 und den Halbleiter- Schichten 3 sandwichartig angeordnet ist. Der Folienwiderstand der transparenten Elektrode ist nicht größer als 40 Ω/ , um eine Abnahme des Wirkungsgrades zu vermeiden. Er liegt bevorzugt zwischen 10 und 40 Ω/ , da Absorptionsverlust durch zugefügtes Dotierungsmittel nicht vernachlässigt werden kann, wenn er kleiner als 10 Ω/ ist.
- Die Leitfähigkeit der Schicht 5 mit hoher Dotierungsmitteldichte ist dieselbe wie die der Schicht der Halbleiterschichten 3, die damit in Berührung steht. Selbst wenn die Dotierungsmitteldichte in der die transparenten Elektrgde 2 umfassende SnO&sub2;-Schicht verringert ist, kann der Kontaktwiderstand zwischen der transparenten Elektrode 2 und den amorphen Halbleiterschichten 3 durch Bereitstellung der Schicht 5 verkleinert werden.
- Wird die Dotierungsmitteldichte in SnO&sub2; verringert und beträgt sie nicht mehr als 0,5 Gew.-% und die Dicke der transparenten Elektrode 2 wird so bestimmt, daß sie ungefähr 1000 nm (10000 Å) beträgt, ist die Lichtabsorption in der transparenten Elektrode (SnO&sub2;) 2 nahezu gleich mit der von einer transparenten Elektrode mit einer Dotierungsmitteldichte von 1 Gew.-% und einer Dicke von 500 nm (5000 Å). In diesem Fall wird die Eigenschaft der Vorrichtung, deren transparente Elektrodendicke 1000 nm (10000 Å) beträgt, verbessert, da die Reliefgröße der transparenten Elektrode von 1000 nm (10000 Å) Dicke höher ist als die derjenigen von 500 nm (5000 Å) Dicke.
- Auf der Schicht 5 mit hoher Dotierungsmitteldichte werden amorphe Halbleiterschichten 3 des pin-Typs oder des nip- Typs durch übliche Methoden wie die Glimmentladungzersetzungsmethode gebildet. Figur 2 zeigt ein Modell, bei dem ein pin-Typ gebildet ist.
- Auf den amorphen Halbleiterschichten 3 wird eine Al, Ag, Mo, Cr, Ni oder dergleichen umfassende Rückseitenelektrode 4 gebildet.
- Auf einem Glassübstrat von 1,1 mm Dicke wurde eine transparente Elektrode mit einer Dicke von 1000 nm (10000 Å), die SnO&sub2; (0,1 Gew.-% Fluor wurden hinzugefügt) umfaßt, durch die CVD-Methode gebildet.
- Auf der transparenten Elektrode wurde eine Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte und mit einer Dicke von 5 nm (50 Å) durch die Plasma-CVD-Methode durch Zuführung von SiH&sub4;: 10 SCCM; CH&sub4;: 20 SCCM und B&sub2;H&sub6;: 300 SCCM gebildet.
- Durch die Plasma-CVD-Methode wurden eine Halbleiterschicht vom p-Typ von 15 nm (150 Å) Dicke durch Zuführung von SiH&sub4;: 10 SCCM; CH&sub4;: 20 SCCM und B&sub2;H&sub6;: 100 SCCM; eine Schicht vom i-Typ von 500 nm (5000 Å) Dicke durch Zuführung von SiH&sub4;: 100 SCCM; und eine Schicht vom n-Typ von 30 nm (300 Å) Dicke durch Zuführung von SiH&sub4;: 10 SCCM und PH&sub3; 200 SCCM in dieser Reihenfolge auf der Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte gebildet
- Eine Al umfassende Rückseitenelektrode von 1 µm Dicke auf den Halbleiterschichten wurde auf den Halbleiterschichten durch die Vakuumverdampfungsmethode gebildet. Die U-I- Kennlinie der erhaltenen Halbleiter-Vorrichtung wurde unter einem AM-1 Sonnensimulator mit einer Lichtintensität von 100 mW/cm² gemessen. Das Ergebnis ist in Figur 3 gezeigt.
- Eine Halbleiter-Vorrichtung wurde in derselben Weise hergestellt wie jene aus Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß die Dicke der transparenten Elektrode 500 nm (5000 Å) betrug und daß die Dotierungsmitteldichte 1,5 Gew.-% ohne eine Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte betrug. Die U-I-Kennlinie wurde auf dieselbe Weise wie die in Beispiel 1 gemessen. Das Ergebnis ist in Figur 3 gezeigt.
- Eine Halbleiter-Vorrichtung wurde in derselben Weise hergestellt wie jene aus Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß eine Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte nicht bereitgestellt wurde. Die U-I-Kennlinie wurde auf dieselbe Weise wie die in Beispiel 1 gemessen. Das Ergebnis ist in Figur 3 gezeigt.
- Aus Figur 3 ist es verständlich, daß der Wirkungsgrad der Halbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verbessert ist.
- Figur 4 ist eine schematische Darstellung einer anderen Halbleiter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Die Halbleiter-Vorrichtung C umfaßt ein Glassubstrat 1, eine SnO&sub2; umfassende transparente Elektrode 2, Halbleiter- Schichten 3 und eine Rückseitenelektrode 4, wobei eine Halbleiter-Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte 5 zwischen der transparenten Elektrode 2 und den Halbleiter- Schichten 3 sandwichartig angeordnet ist.
- Strukturierte Oberflächen werden auf der Oberfläche des Glassubstrats 1 zum Beispiel durch 5i02-Beschichten bereitgestellt. Es gibt keine Beschränkung für die Reliefgröße. In dieser Beschreibung bedeutet die Reliefgröße den Mittelwert, der durch Subtrahieren der Täler von den Spitzen erhalten wird. Ist die Differenz kleiner als 100 nm (1000 Å), wird der Effekt der Lichtstreuung klein. Überschreitet die Differenz 1000 nm (10000 Å), tritt die Gefahr von Kurzschlüssen auf, da die normale Filmdicke einer Solarzelle zwischen 500 nm (5000 Å) und 1000 nm (10000 Å) liegt. Daher ist es bevorzugt, daß die Differenz zwischen 100 nm (1000 Å) und 1000 nm (10000 Å) liegt.
- Auf der transparenten Elektrode 2 wird eine Halbleiterschicht mit hoher Dotierungsmitteldichte 5 wie in Beispiel 1 gebildet.
- Wie in Beispiel 1 dargelegt ist, ist für den Fall, daß die Dotierungsmitteldichte von SnO&sub2; verringert ist und nicht mehr als 0,5 Gew.-% beträgt und die Dicke der transparenten Elektrode 2 so bestimmt wird, daß sie ungefähr 1000 nm (10000 Å) beträgt, die Lichtabsorption in der transparenten Elektrode (SnO&sub2;) 2 nahezu gleich mit der von einer transparenten Elektrode mit einer Dotierungsmitteldichte von 1 Gew.-% und einer Dicke von 500 nm (5000 Å). Mit der transparenten Elektrode der Figur 4 wird keine Verringerung des FF für ein Substrat mit über 40 % Trübungsverhältnis festgestellt.
- Auf der Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte 5 werden eine amorphe Halbleiterschicht 3 und eine Rückseitenelektrode 4 wie in Beispiel 1 gebildet. Figur 4 zeigt ein Modell, bei dem ein pin-Typ gebildet ist.
- Auf einem Glassubstrat von 1,1 mm Dicke mit einer strukturierten Oberfläche (die Reliefgröße beträgt ungefähr 500 nm (5000 Å)), gebildet durch Beschichten mit SiO&sub2;, wurde eine transparente Elektrode mit einer Dicke von 1000 nm (10000 Å, die SnO&sub2; (0,1 Gew.-% Fluor wurden hinzugefügt) umfaßt, durch die CVD-Methode gebildet.
- Auf der transparenten Elektrode wurde eine Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte, deren Dicke 5 nm (50 Å) betrug, durch die Plasma-CVD-Methode durch Zuführung von SiH&sub4;: 10 SCCM; CH&sub4;: 20 SCCM und B&sub2;H&sub6;: 300 SCCM gebildet.
- Durch die Plasma-CVD-Methode wurden eine Halbleiterschicht vom p-Typ von 15 nm (150 Å) Dicke durch Zuführung von SiH&sub4;: 10 SCCM; CH&sub4;: 20 SCCM und B&sub2;H&sub6;: 100 SCCM; eine Schicht vom i-Typ von 500 nm (5000 Å) Dicke durch Zuführung von SiH&sub4;: 100 SCCM; und eine Schicht vom n-Typ von 30 nm (300 Å) Dicke durch Zuführung von SiH&sub4;: 10 SCCM und pH&sub3; 200 SCCM in dieser Reihenfolge auf der Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte gebildet.
- Eine Al umfassende Rückseitenelektrode von 1 µm Dicke wurde auf den Halbleiterschichten durch die Vakuumverdampfungsmethode gebildet. Die U-I-Kennlinie der erhaltenen Halbleiter-Vorrichtung wurde unter einem AM-1 Sonnensimulator mit einer Lichtintensität von 100 mW/cm² gemessen. Das Ergebnis ist in Figur 5 gezeigt.
- Eine Halbleiter-Vorrichtung wurde in derselben Weise hergestellt wie jene aus Beispiel 2 mit der Ausnahme, daß die Dicke der transparenten Elektrode 500 nm (5000 Å) betrug und daß die Dotierungsmitteldichte 1,5 Gew.-% ohne eine Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte betrug. Die U-I-Kennlinie wurde auf dieselbe Weise wie die in Beispiel 2 gemessen. Das Ergebnis ist in Figur 5 gezeigt.
- Eine Halbleiter-Vorrichtung wurde in derselben Weise hergestellt wie jene aus Beispiel 2 mit der Ausnahme, daß eine Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte nicht bereitgestellt wurde. Die U-I-Kennlinie wurde auf dieselbe Weise wie die aus Beispiel 2 gemessen. Das Ergebnis ist in Figur 5 gezeigt.
- Aus Figur 5 wird es verständlich, daß der Wirkungsgrad der Halbleiter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verbessert ist.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Eigenschaften einer Solarzelle verbessert werden.
Claims (8)
1. Halbleiter-Vorrichtung, umfassend:
(a) eine SnO&sub2; umfassende transparente Elektrode (2);
(b) mindestens eine amorphe Halbleiter-Schicht (3) mit pin-Schichten
oder nip-Schichten;
(c) eine Rückseitenelektrode (4),
wobei die transparente Elektrode (2) die amorphe Halbleiter-Schicht
(3) und die Rückseiten-Elektrode (4) in dieser Reihenfolge auf einem
15 Glassubstrat (1) angeordnet sind, die Dotierungsmittel-Oichte der
transparenten Elektrode nicht größer ist als 0,5 Gew. -%, und ihr
Folienwiderstand nicht größer ist als 40Ω/ , und wobei eine amorphe
Halbleiter-Schicht mit hoher Dotierungsmitteldichte (5) zwischen den
transparenten Elektrode (2) und der amorphen Halbleiter-Schicht (3)
sandwichartig angeordnet ist.
2. Halbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die amorphe
Halbleiterschicht mit hoher Dotierungsmitteldichte (5), die
sandwichartig zwischen der transparenten Elektrode (2) und der
Halbleiter-Schicht (3) angeordnet ist, denselben Leitfähigkeits-Typ
und eine höhere Dotierungsmitteldichte aufweist als die Schicht der
pin-Schichten oder der nip-Schichten, die auf der Seite der
transparenten Elektrode angeordnet sind.
3. Halbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schicht aus
Halbleiter-Schichten (3), die auf der Seite der transparenten
Elektrode (2) angeordnet ist, a-SiC:H umfaßt.
4. Halbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, wobei das
Dotierungsmittel der transparenten Elektrode (2) aus der aus Al, Sb
und F bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
5. Halbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, wobei das Glassubstrat
(1) eine strukturierte Oberfläche besitzt und die Reliefgröße
zwischen 100 nm (1000 Å) und 1000 nm (10000 Å) liegt.
6. Halbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, wobei die Dicke der
transparenten Elektrode (2) zwischen 500 nm (5000 Å) und 2000 nm
(20000 Å) liegt.
7. Halbleiter-Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, wobei der
Folienwiderstand zwischen 10Ω/ und 40Ω/ liegt.
8. Vielfachkontaktsolarzelle, umfassend eine Halbleiter-Vorrichtung nach
einem der Ansprüche 1 bis 7.
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