EP2160767A2 - Fotoempfindliches halbleiterbauelement - Google Patents

Fotoempfindliches halbleiterbauelement

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EP2160767A2
EP2160767A2 EP08758110A EP08758110A EP2160767A2 EP 2160767 A2 EP2160767 A2 EP 2160767A2 EP 08758110 A EP08758110 A EP 08758110A EP 08758110 A EP08758110 A EP 08758110A EP 2160767 A2 EP2160767 A2 EP 2160767A2
Authority
EP
European Patent Office
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layer
photosensitive
semiconductor layer
semiconductor
component according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08758110A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kevin FÜCHSEL
Andreas TÜNNERMANN
Ernst-Bernhard Kley
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Publication of EP2160767A2 publication Critical patent/EP2160767A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
    • H10F77/147—Shapes of bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
    • H10F77/148—Shapes of potential barriers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/70—Surface textures, e.g. pyramid structures
    • H10F77/703—Surface textures, e.g. pyramid structures of the semiconductor bodies, e.g. textured active layers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a photosensitive semiconductor component according to the preamble of patent claim 1.
  • a photosensitive semiconductor device in the form of a solar cell is known, for example, from document US 4,177,093.
  • the solar cell described therein comprises a doped semiconductor substrate, a layer of indium tin oxide (ITO) deposited thereon, and electrical contacts deposited on the back side of the substrate and on the surface of the ITO layer.
  • ITO indium tin oxide
  • the ITO layer interacts with the substrate in such a way that, similar to a pn junction, the electrical charge carriers released in the substrate by absorption of electromagnetic radiation are separated to generate an electrical current.
  • Another solar cell is known from the document US 5,949,123.
  • This solar cell is based on a p-doped silicon substrate in which an n-type dopant is implanted to create a buried pn junction.
  • the surface of the silicon substrate is structured. In this way it is achieved that a higher proportion of light can penetrate into the silicon substrate.
  • the invention has for its object to provide an improved photosensitive semiconductor device, which is characterized in particular by a more efficient charge carrier separation of the charge carrier generated in a photosensitive semiconductor material.
  • the photosensitive semiconductor layer has a structured interface.
  • the structured interface is followed by at least one layer, which is an electric field for the separation of the released Carrier generated, wherein the electric field extends over the structured interface.
  • the layer downstream of the photosensitive semiconductor layer may be applied directly to the patterned interface or spaced from the photosensitive semiconductor layer by one or more intermediate layers.
  • the fact that the layer suitable for generating an electric field is arranged downstream of the photosensitive semiconductor layer ensures that the electric field extends over the structured interface of the photosensitive layer.
  • the active region in which charge-carrier separation takes place is substantially larger than in conventional devices in which the active region is formed, for example, from a planar interface between a silicon substrate and an ITO layer or from within the substrate pn junction is formed.
  • the structuring of the photosensitive layer thus not only reduces the reflection of the interface, but also increases the active area in which charge carrier separation takes place.
  • the layer arranged downstream of the substrate contains in particular a transparent electrically conductive material.
  • the transparent electrically conductive material is a transparent conductive oxide, in particular indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO) or cadmium stannate (CTO, Cd 2 SnO 4 ).
  • the transparent electrically conductive material may also be a transparent conductive polymer.
  • the layer arranged downstream of the photosensitive semiconductor layer is a semiconductor layer which differs in its doping type and / or its dopant concentration from the photosensitive semiconductor layer.
  • the layer arranged downstream of the doped photosensitive semiconductor layer may have the opposite doping type, so that, for example, the photosensitive semiconductor layer is p-doped and the downstream layer is n-doped or vice versa.
  • a pn junction is formed at the interface of the patterned photosensitive semiconductor layer, wherein the pn junction is advantageously larger due to structuring than at a planar interface between the semiconductor layers of opposite doping type.
  • At least one intermediate layer may be arranged between the photosensitive layer and the layer arranged downstream of it.
  • the intermediate layer can be a silicon oxide layer that can be formed on the photosensitive semiconductor layer, for example, before the transparent conductive layer is applied.
  • the intermediate layer may also be a layer of an intrinsic semiconductor material, in particular if the photosensitive semiconductor layer and the downstream layer are two semiconductor layers with a different doping type.
  • the patterned interface of the photosensitive semiconductor layer is preferably patterned to have structures with a width of less than 100 nm.
  • the structured interface preferably has structures which have a width between 10 nm and 100 nm.
  • a refractive index gradient is formed between the photosensitive layer and the subsequent layer so that the interface between the layers acts as an effective medium.
  • the structures produced at the interface of the photosensitive semiconductor layer have a height of more than 100 nm.
  • the height of the structures produced at the structured interface can be between 1.5 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the structures produced at the interface of the photosensitive semiconductor layer are characterized in particular by a high aspect ratio. This has the advantage that the interface is significantly increased compared to a nearly smooth interface.
  • the height of the structures is on average at least 10 times the width, particularly preferably at least 50 times the width.
  • the structured interface of the photosensitive semiconductor layer has structures which predominantly, ie more than half, have a slope of more than 45 °.
  • the flanks of the structures may include angles in the range of 80 ° to 85 ° with a major plane of the photosensitive semiconductor layer.
  • the structures may be needle-shaped structures.
  • the structured interface may in particular have a stochastic structure, ie a structure in which the structure heights and feature sizes, in contrast to deterministic structures that are generated, for example, with lithographic techniques, have a statistical distribution.
  • a stochastic structure ie a structure in which the structure heights and feature sizes, in contrast to deterministic structures that are generated, for example, with lithographic techniques, have a statistical distribution.
  • the structured interface is preferably structured by means of an etching process.
  • a plasma etching method is preferably used, in particular an ICP etching method (inductively coupled plasma).
  • ICP etching method inductively coupled plasma
  • other methods of physical removal such as laser structuring can be used.
  • etching process to produce a stoichiastic structure is advantageous in comparison to lithographic structuring methods, because the production costs are comparatively low.
  • the interface of the photosensitive semiconductor layer may have a deterministic, that is to say predetermined structure, which is produced, for example, by lithography, in particular using an etching mask.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a semiconductor component according to a first exemplary embodiment of the invention, _ H -
  • FIG. 2 shows a graphic representation of the reflection of a structured silicon layer in comparison to an unstructured silicon layer
  • Figure 3 is a schematic representation of a semiconductor device according to a second embodiment of the invention.
  • the semiconductor device 1 is a solar cell which contains a photosensitive semiconductor layer 2, for example a p-doped silicon layer.
  • the semiconductor layer 2 may in particular be a silicon wafer, which typically has a thickness of more than 100 ⁇ m.
  • the semiconductor layer 2 may also be a semiconductor layer applied to a substrate, for example a semiconductor layer applied to a metallic reflector (not shown).
  • the semiconductor component 1 can be a solar cell, in which, by absorbing sunlight in the photosensitive semiconductor layer 2, electron-hole pairs are generated as free charge carriers.
  • a layer 3 is applied, by means of which an electric field for the separation of the released charge carriers is generated. In this way, in particular, an electric current can be generated from the released charge carriers.
  • a first electrical contact 4 may be arranged on a rear side of the semiconductor layer 2 remote from the layer 3 and a further electrical contact 5 on the layer 3.
  • the second electrical contact 5 may, for example, be guided in strip form over the interface of the layer 3.
  • the photosensitive semiconductor layer 2 has a structured interface 7.
  • the structured interface 7 can be produced, for example, by a plasma etching method, in particular by inductively coupled plasma etching (ICP).
  • ICP inductively coupled plasma etching
  • SF 6 and O 2 are used as etching gases.
  • the shape of the structures produced can be specifically adjusted by the choice of the etching parameters, in particular the composition of the etching gases. Suitable plasma etching processes, in particular for producing needle-shaped structures, are known per se from the documents cited in the introduction and are therefore not explained in any more detail.
  • structures are produced by the etching process at the interface 7, which have a high aspect ratio.
  • the interface structures preferably have a height h that is greater than their width b.
  • the height of the structures h is on average at least 10 times the width b, particularly preferably at least 50 times the width b.
  • the structures are advantageously characterized by a high edge steepness.
  • the structures predominantly, that is, at least half, a slope of more than 45 °.
  • the width b of the structures is preferably less than 100 nm, in particular between 10 nm and 100 nm inclusive.
  • the height h of the structures of the interface 7 is preferably between 1.5 ⁇ m and 5 ⁇ m inclusive.
  • the structuring of the interface 7 of the semiconductor layer 2 has a positive effect on the efficiency of the semiconductor device 1 in two respects.
  • the reflection of the interface of the semiconductor layer 2 is reduced by the structuring. Due to the structuring of the photosensitive semiconductor layer 2, the reflection of the surface of the semiconductor component also decreases if the at least one layer following the semiconductor layer 3 is so thin that its surface also has the structuring.
  • the reduction of the reflection of the interface 7 of the semiconductor layer 2 is illustrated in FIG. 2, in which the reflection of a silicon layer before and after the patterning as a function of the wavelength is shown.
  • the curve 9 represents the reflection of the silicon layer before the structuring and the curve 10 the reflection of the silicon layer after structuring. Since the structured layer has a substantially lower reflection than an unstructured layer, a larger proportion of the incident radiation can penetrate into the photosensitive layer , whereby the efficiency of the photosensitive semiconductor device is improved.
  • Another advantage of the structuring of the semiconductor layer 2 results from the fact that the layer 3, by means of a An electric field for separating the charge carriers released in the photo-sensitive semiconductor layer 2 is produced, which is arranged downstream of the semiconductor layer 2, ie, is arranged on or above the photosensitive semiconductor layer 2. In this way, it is achieved that the electric field, with which the released charge carriers are separated, extends over the structured interface 7 of the semiconductor layer 2.
  • the region in which the charge carrier separation takes place is therefore greater than in the case of an unstructured interface between a semiconductor layer 2 and its downstream layer 3.
  • the structuring can increase the interface 7 of the photosensitive semiconductor layer by a factor of 10 or more.
  • the layer 3 arranged downstream of the structured semiconductor layer 2 preferably contains a transparent electrically conductive material, in particular a transparent conductive oxide or a transparent conductive polymer.
  • the layer 3 may, for example, have a thickness of about 1 ⁇ m.
  • Suitable transparent conductive oxides are, in particular, indium tin oxide (ITO) and indium zinc oxide (IZO). Furthermore, zinc oxide (ZnO), which may in particular be doped with Al, or cadmium stannate (Cd2SnO4.) Are suitable.
  • the layer 3 may comprise a semiconductor material which has a doping type opposite to that of the semiconductor layer 2.
  • the semiconductor layer 2 may be p-doped and the layer 3 may be n-doped.
  • a pn junction is formed between the semiconductor layer 2 and the layer 3, which extends over the structured interface 7 of the semiconductor layer 2 extends. Due to the structuring, the region of the pn junction is advantageously substantially larger than in the case of an eb-interface between a p-doped semiconductor layer and an n-doped semiconductor layer.
  • the layers 2, 3 may be, for example, silicon layers with different doping.
  • the exemplary embodiment of a semiconductor component illustrated in FIG. 3 differs from that illustrated in FIG. 1 in that an intermediate layer 8 is arranged between the photosensitive semiconductor layer 2 and its downstream layer 3, by means of which the electric field for charge carrier separation is generated.
  • the photosensitive semiconductor layer 2 may be a silicon layer and the intermediate layer 8 may be a silicon oxide layer.
  • the silicon oxide layer 8 may, in particular, be a natural oxide layer which forms on the silicon layer 2 when the semiconductor layer 2 comes into contact with air before the application of the layer 3.
  • the intermediate layer 8 may also be a layer of an intrinsic semiconductor material, for example inserted between two opposite doped semiconductor layers in order to reduce the recombination of the charge carriers.

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Photoreceptors In Electrophotography (AREA)

Abstract

Bei einem Halbleiterbauelement (1) mit einer fotoempfindlichen dotierten Halbleiterschicht (2), in der bei Absorption elektromagnetischer Strahlung (6) elektrische Ladungsträger freigesetzt werden, weist die fotoempfindliche Halbleiterschicht (2) eine strukturierte Grenzfläche (7) auf. Der strukturierten Grenzfläche (7) ist mindestens eine Schicht (3) nachgeordnet, die ein elektrisches Feld zur Trennung der freigesetzten Ladungsträger erzeugt, wobei sich das elektrische Feld über die strukturierte Grenzfläche (7) erstreckt. Das photoempfindliche Halbleiterbauelement (1) zeichnet sich durch eine hohe Effizienz der Ladungsträgertrennung, insbesondere zur Erzeugung eines elektrischen Stroms, aus.

Description

Beschreibung
Fotoempfindliches Halbleiterbaueleraent
Die Erfindung betrifft ein fotoempfindliches Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102007024478.0, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein fotoempfindliches Halbleiterbauelement in Form einer Solarzelle ist zum Beispiel aus der Druckschrift US 4,177,093 bekannt. Die darin beschriebene Solarzelle umfasst ein dotiertes Halbleitersubstrat, eine darauf aufgebrachte Schicht aus Indiumzinnoxid (ITO) sowie elektrische Kontakte, die auf der Rückseite des Substrats und auf der Oberfläche der ITO- Schicht aufgebracht sind. Die ITO-Schicht wirkt mit dem Substrat derart zusammen, dass ähnlich wie bei einem pn-Übergang die im Substrat durch Absorption elektromagnetischer Strahlung freigesetzten elektrischen Ladungsträger zur Erzeugung eines elektrischen Stroms getrennt werden.
Eine weitere Solarzelle ist aus der Druckschrift US 5,949,123 bekannt. Diese Solarzelle basiert auf einem p-dotierten Siliziumsubstrat, in das ein n-Dotierstoff zur Erzeugung eines vergrabenen pn-Übergangs implantiert ist. Um die Reflexion der Oberfläche des Siliziumsubstrats zu vermindern, ist die Oberfläche des Siliziumsubstrats strukturiert. Auf diese Weise wird erreicht, dass ein höherer Lichtanteil in das Siliziumsubstrat eindringen kann.
In der Druckschrift WO 02/13279 A2 wird beschrieben, die Oberfläche einer Solarzelle mittels eines Ätzverfahrens zu strukturieren, um die Reflexion der Oberfläche zu vermindern.
Aus der Druckschrift M. Stubenrauch, M. Fischer, C. Kremin, S. Stoebenau, A. Albrecht, O. Nagel, „Black Silicon - New Functionalities in Microsystems", J. Michromech. Microeng. 16 (2006), S. 82-86, ist ein Plasmaätzverfahren zur Herstellung von nadelartigen Strukturen in Siliziumschichten bekannt. Weiterhin beschreibt auch die Druckschrift H. Jansen, M. De Boer, R. Legtenberg, M. Elwenspoek, „The black Silicon me- thod: a universal method for determining the parameter setting of a fluorine-based reactive ion etcher in deep Silicon trench etching with profile control" , J. Michromech. Microeng. 5 (1995), S. 115-120, ein Verfahren zur Herstellung von nadelartigen Strukturen in Silizium.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes fotoempfindliches Halbleiterbauelement anzugeben, das sich insbesondere durch eine effizientere Ladungsträgertrennung der in einem fotoempfindlichen Halbleitermaterial erzeugten Ladungsträger auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement mit einer fotoempfindlichen dotierten Halbleiterschicht, in der bei Absorption elektromagnetischer Strahlung elektrische Ladungsträger freigesetzt werden, weist die fotoempfindliche Halbleiterschicht eine strukturierte Grenzfläche auf. Der strukturierten Grenzfläche ist mindestens eine Schicht nachgeordnet, die ein elektrisches Feld zur Trennung der freigesetzten Ladungsträger erzeugt, wobei sich das elektrische Feld über die strukturierte Grenzfläche erstreckt.
Die der fotoempfindlichen Halbleiterschicht nachgeordnete Schicht kann unmittelbar auf die strukturierte Grenzfläche aufgebracht sein oder durch eine oder mehrere Zwischenschichten von der fotoempfindlichen Halbleiterschicht beabstandet sein. Dadurch, dass die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes geeignete Schicht der fotoempfindlichen Halbleiterschicht nachgeordnet ist, wird erreicht, dass sich das elektrische Feld über die strukturierte Grenzfläche der fotoempfindlichen Schicht erstreckt. Somit ist der aktive Bereich, in dem eine Ladungsträgertrennung stattfindet, aufgrund der Strukturierung der photoempfindlichen Schicht wesentlich größer als bei herkömmlichen Bauelementen, bei denen der aktive Bereich beispielsweise aus einer ebenen Grenzfläche zwischen einem Siliziumsubstrat und einer ITO-Schicht oder aus einem innerhalb des Substrats ausgebildeten pn-Übergang gebildet ist. Durch die Strukturierung der fotoempfindlichen Schicht wird also nicht nur die Reflexion der Grenzfläche vermindert, sondern auch der aktive Bereich, in dem Ladungsträgertrennung stattfindet, vergrößert.
Die dem Substrat nachgeordnete Schicht enthält insbesondere ein transparentes elektrisch leitfähiges Material. Vorzugsweise ist das transparente elektrisch leitfähige Material ein transparentes leitfähiges Oxid, insbesondere Indiumzinnoxid (ITO) , Indiumzinkoxid (IZO) , Zinkoxid (ZnO) oder Cadmium- Stannat (CTO, Cd2SnO4) .
Weiterhin kann das transparente elektrisch leitfähige Material auch ein transparentes leitfähiges Polymer sein. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die der fotoempfindlichen Halbleiterschicht nachgeordnete Schicht eine Halbleiterschicht, die sich in ihren Dotierungstyp und/oder ihrer Dotierstoffkonzentration von der fotoempfindlichen Halbleiterschicht unterscheidet.
Insbesondere kann die der dotierten fotoempfindlichen Halbleiterschicht nachgeordnete Schicht den entgegengesetzten Dotierungstyp aufweisen, so dass zum Beispiel die fotoempfindliche Halbleiterschicht p-dotiert ist und die nachgeordnete Schicht n-dotiert ist oder umgekehrt. Auf diese Weise wird an der Grenzfläche der strukturierten fotoempfindlichen Halbleiterschicht ein pn-Übergang ausgebildet, wobei der pn-Übergang aufgrund der Strukturierung vorteilhaft größer ist als bei einer ebenen Grenzfläche zwischen den Halbleiterschichten entgegengesetzten Dotierungstyps .
Zwischen der fotoempfindlichen Schicht und der ihr nachgeord- neten Schicht kann mindestens eine Zwischenschicht angeordnet sein. Insbesondere kann es sich bei der Zwischenschicht um eine Siliziumoxidschicht handeln, die sich beispielsweise auf der fotoempfindlichen Halbleiterschicht ausbilden kann, bevor die transparente leitfähige Schicht aufgebracht wird. Weiterhin kann es sich bei der Zwischenschicht auch um eine Schicht aus einem intrinsischen Halbleitermaterial handeln, insbesondere wenn es sich bei der fotoempfindlichen Halbleiterschicht und der nachgeordneten Schicht um zwei Halbleiterschichten mit verschiedenem Dotierungstyp handelt.
Die strukturierte Grenzfläche der fotoempfindlichen Halbleiterschicht ist vorzugsweise derart strukturiert, dass sie Strukturen mit einer Breite von weniger als 100 nm aufweist. Bevorzugt weist die strukturierte Grenzfläche Strukturen auf, die eine Breite zwischen 10 nm und 100 nm aufweisen.
Aufgrund der strukturierten Grenzfläche ist zwischen der fotoempfindlichen Schicht und der nachfolgenden Schicht ein Brechungsindexgradient ausgebildet, so dass die Grenzfläche zwischen den Schichten als effektives Medium wirkt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die an der Grenzfläche der fotoempfindlichen Halbleiterschicht erzeugten Strukturen eine Höhe von mehr als 100 nm aufweisen. Insbesondere kann die Höhe der an der strukturierten Grenzfläche erzeugten Strukturen zwischen 1,5 μm und 10 μm betragen.
Die an der Grenzfläche der fotoempfindlichen Halbleiterschicht erzeugten Strukturen zeichnen sich insbesondere durch ein hohes Aspektverhältnis aus. Dies hat den Vorteil, dass die Grenzfläche im Vergleich zu einer nahezu glatten Grenzfläche erheblich vergrößert wird. Bevorzugt beträgt die Höhe der Strukturen im Mittel mindestens das 10-fache der Breite, besonders bevorzugt sogar mindestens das 50- fache der Breite.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die strukturierte Grenzfläche der fotoempfindlichen Halbleiterschicht Strukturen auf, die überwiegend, also mehr als zur Hälfte, eine Flankensteilheit von mehr als 45° aufweisen. Beispielsweise können die Flanken der Strukturen Winkel im Bereich von 80° bis 85° mit einer Hauptebene der photoempfindlichen Halbleiterschicht einschließen. Insbesondere kann es sich bei den Strukturen um nadeiförmige Strukturen handeln.
Die strukturierte Grenzfläche kann insbesondere eine sto- chastische Struktur aufweisen, also eine Struktur, bei der die Strukturhöhen und Strukturbreiten im Gegensatz zu deterministischen Strukturen, die beispielsweise mit lithografi- schen Techniken erzeugt werden, eine statistische Verteilung aufweisen.
Bevorzugt ist die strukturierte Grenzfläche mittels eines Ätzverfahrens strukturiert. Dazu wird vorzugsweise ein Plas- maätzverfahren eingesetzt, wie insbesondere ein ICP- Ätzverfahren (inductively coupled plasma) . Alternativ können aber auch andere Verfahren der physikalischen Abtragung wie beispielsweise Laserstrukturierung eingesetzt werden.
Die Anwendung eines Ätzverfahrens zur Erzeugung einer sto- chastischen Struktur ist im Vergleich zu lithographischen Strukturierungsverfahren vorteilhaft, weil der Hersteilungsaufwand vergleichsweise gering ist.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Grenzfläche der fotoempfindlichen Halbleiterschicht eine deterministische, also vorbestimmte Struktur aufweist, die beispielsweise Ii- thografisch, insbesondere unter Verwendung einer Ätzmaske, hergestellt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, _ H —
Figur 2 eine grafische Darstellung der Reflexion einer strukturierten Siliziumschicht im Vergleich zu einer unstrukturierten Siliziumschicht und
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
Das in Figur 1 dargestellte Halbleiterbauelement 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Solarzelle, die eine fotoempfindliche Halbleiterschicht 2, zum Beispiel eine p-dotierte Siliziumschicht, enthält. Die Halbleiterschicht 2 kann insbesondere ein Silizium-Wafer sein, der typischerweise eine Dicke von mehr als 100 μm aufweist. Alternativ kann die Halbleiterschicht 2 aber auch eine auf ein Substrat aufgebrachte Halbleiterschicht sein, zum Beispiel eine auf einen metallischen Reflektor (nicht dargestellt) aufgebrachte Halbleiterschicht.
In der fotoempfindlichen Halbleiterschicht 2 werden beim Auftreffen elektromagnetischer Strahlung, die durch die Pfeile 6 angedeutet ist, elektrische Ladungsträger freigesetzt. Insbesondere kann es sich bei dem Halbleiterbauelement 1 um eine Solarzelle handeln, bei der durch Absorption von Sonnenlicht in der fotoempfindlichen Halbleiterschicht 2 Elektron-Loch- Paare als freie Ladungsträger erzeugt werden. Auf die fotoerapfindliche Halbleiterschicht 2 ist eine Schicht 3 aufgebracht, mittels der ein elektrisches Feld zur Trennung der freigesetzten Ladungsträger erzeugt wird. Auf diese Weise kann insbesondere ein elektrischer Strom aus den freigesetzten Ladungsträgern erzeugt werden. Um den elektrischen Strom aus dem Halbleiterbauelement 1 abzuführen, kann ein erster elektrischer Kontakt 4 an einer von der Schicht 3 abgewandten Rückseite der Halbleiterschicht 2 und ein weiterer elektrischer Kontakt 5 auf der Schicht 3 angeordnet sein. Der zweite elektrische Kontakt 5 kann beispielsweise streifenförmig über die Grenzfläche der Schicht 3 geführt sein.
Die fotoempfindliche Halbleiterschicht 2 weist eine strukturierte Grenzfläche 7 auf. Die strukturierte Grenzfläche 7 kann beispielsweise mit einem Plasmaätzverfahren, insbesondere durch induktiv gekoppeltes Plasmaätzen (ICP) erzeugt werden. Dabei werden beispielsweise SF6 und O2 als Ätzgase verwendet . Die Form der erzeugten Strukturen kann dabei durch die Wahl der Ätzparameter, insbesondere der Zusammensetzung der Ätzgase, gezielt eingestellt werden. Geeignete Plasmaätz- verfahren, insbesondere zur Erzeugung nadeiförmiger Strukturen, sind an sich aus den in der Einleitung zitierten Druckschriften bekannt und werden daher nicht näher erläutert.
Bevorzugt werden mit dem Ätzverfahren an der Grenzfläche 7 Strukturen erzeugt, die ein hohes Aspektverhältnis aufweisen. Die Grenzflächenstrukturen weisen bevorzugt eine Höhe h auf, die größer als ihre Breite b ist. Bevorzugt beträgt die Höhe der Strukturen h im Mittel mindestens das 10-fache der Breite b, besonders bevorzugt sogar mindestens das 50-fache der Breite b. Insbesondere zeichnen sich die Strukturen vorteilhaft durch eine hohe Flankensteilheit auf . Bevorzugt weisen - S -
die Strukturen überwiegend, das heißt mindestens zur Hälfte, eine Flankensteilheit von mehr als 45° auf.
Die Breite b der Strukturen beträgt bevorzugt weniger als 100 nm, insbesondere zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 100 nm. Die Höhe h der Strukturen der Grenzfläche 7 beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1,5 μm und einschließlich 5 μm.
Die Strukturierung der Grenzfläche 7 der Halbleiterschicht 2 wirkt sich in zweifacher Hinsicht positiv auf die Effizienz des Halbleiterbauelements 1 aus. Zum einen wird die Reflexion der Grenzfläche der Halbleiterschicht 2 durch die Strukturierung vermindert. Aufgrund der Strukturierung der fotoempfindlichen Halbleiterschicht 2 vermindert sich auch die Reflexion der Oberfläche des Halbleiterbauelements, wenn die mindestens eine der Halbleiterschicht nachfolgende Schicht 3 derart dünn ist, dass auch ihre Oberfläche die Strukturierung aufweist. Die Verminderung der Reflexion der Grenzfläche 7 der Halbleiterschicht 2 wird in Figur 2 verdeutlicht, in der die Reflexion einer Siliziumschicht vor und nach der Strukturierung in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt ist. Die Kurve 9 stellt die Reflexion der Siliziumschicht vor der Strukturierung und die Kurve 10 die Reflexion der Siliziumschicht nach der Strukturierung dar. Da die strukturierte Schicht eine wesentliche geringere Reflexion als eine unstrukturierte Schicht aufweist, kann ein größerer Anteil der auftreffenden Strahlung in die photoempfindliche Schicht eindringen, wodurch die Effizienz des photoempfindlichen Halbleiterbauelements verbessert wird.
Ein weiterer Vorteil der Strukturierung der Halbleiterschicht 2 ergibt sich daraus, dass die Schicht 3, mittels der ein elektrisches Feld zur Trennung der in der fotoerapfindlichen Halbleiterschicht 2 freigesetzten Ladungsträger erzeugt wird, der Halbleiterschicht 2 nachgeordnet ist, d.h. auf oder über der photoempfindlichen Halbleiterschicht 2 angeordnet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich das elektrische Feld, mit dem die freigesetzten Ladungsträger getrennt werden, über die strukturierte Grenzfläche 7 der Halbleiterschicht 2 erstreckt. Der Bereich, in dem die Ladungsträgertrennung stattfindet, ist daher größer als im Fall einer unstrukturierten Grenzfläche zwischen einer Halbleiterschicht 2 und der ihr nachgeordneten Schicht 3. Beispielsweise kann durch die Strukturierung die Grenzfläche 7 der fotoempfindlichen Halbleiterschicht um einen Faktor 10 oder mehr vergrößert werden.
Die der strukturierten Halbleiterschicht 2 nachgeordnete Schicht 3 enthält vorzugsweise ein transparentes elektrisch leitfähiges Material, insbesondere ein transparentes leitfähiges Oxid oder ein transparentes leitfähiges Polymer. Die Schicht 3 kann zum Beispiel eine Dicke von etwa 1 μm aufweisen.
Geeignete transparente leitfähige Oxide sind insbesondere Indiumzinnoxid (ITO) und Indiumzinkoxid (IZO) . Weiterhin sind Zinkoxid (ZnO) , das insbesondere mit Al dotiert sein kann, oder Cadmium-Stannat (Cd2Snθ4.) geeignet.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Schicht 3 ein Halbleitermaterial aufweist, das einen zu der Halbleiterschicht 2 entgegengesetzten Dotierungstyp aufweist. Beispielsweise kann die Halbleiterschicht 2 p-dotiert und die Schicht 3 n-dotiert sein. In diesem Fall ist zwischen der Halbleiterschicht 2 und der Schicht 3 ein pn-Übergang ausgebildet, der sich über die strukturierte Grenzfläche 7 der Halbleiterschicht 2 erstreckt. Der Bereich des pn-Übergangs ist aufgrund der Strukturierung vorteilhaft wesentlich größer als im Fall einer e- benen Grenzfläche zwischen einer p-dotierten Halbleiterschicht und einer n-dotierten Halbleiterschicht. Bei den Schichten 2, 3 kann es sich beispielsweise um Siliziumschichten mit unterschiedlicher Dotierung handeln. Alternativ können aber auch andere Halbleitermaterialien eingesetzt werden, beispielsweise III-V-Halbleitermaterialien wie insbesondere GaAs oder InAs .
Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten dadurch, dass zwischen der fotoempfindlichen Halbleiterschicht 2 und der ihr nachgeordneten Schicht 3, mittels der das elektrische Feld zur Ladungsträgertrennung erzeugt wird, eine Zwischenschicht 8 angeordnet ist. Insbesondere kann die fotoempfindliche Halbleiterschicht 2 eine Siliziumschicht und die Zwischenschicht 8 eine Siliziumoxidschicht sein. Die Siliziumoxidschicht 8 kann insbesondere eine natürliche Oxidschicht sein, die sich auf der Siliziumschicht 2 ausbildet, wenn die Halbleiterschicht 2 vor dem Aufbringen der Schicht 3 in Kontakt mit Luft gerät .
Weiterhin kann es sich bei der Zwischenschicht 8 auch um eine Schicht aus einem intrinsischen Halbleitermaterial handeln, die beispielsweise zwischen zwei entgegengesetzten dotierten Halbleiterschichten eingefügt ist, um die Rekombination der Ladungsträger zu vermindern.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterbauelement (1) mit einer fotoempfindlichen dotierten Halbleiterschicht (2) , in der bei Absorption e- lektromagnetischer Strahlung (6) elektrische Ladungsträger freigesetzt werden, wobei die fotoempfindliche Halbleiterschicht (2) eine strukturierte Grenzfläche (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierten Grenzfläche (7) mindestens eine Schicht (3) nachgeordnet ist, die ein elektrisches Feld zur Trennung der freigesetzten Ladungsträger erzeugt, wobei sich das elektrische Feld über die strukturierte Grenzfläche (7) erstreckt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der fotoempfindlichen Halbleiterschicht (2) nachge- ordnete Schicht (3) ein transparentes elektrisch leitfähiges Material enthält.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente elektrisch leitfähige Material ein transparentes leitfähiges Oxid ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass das transparente leitfähige Oxid Indiumzinnoxid, Indiumzinkoxid, Zinkoxid oder Cadmium-Stannat ist.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente elektrisch leitfähige Material ein transparentes leitfähiges Polymer ist.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der fotoempfindlichen Halbleiterschicht (2) nachge- ordnete Schicht (3) eine Halbleiterschicht ist, die sich in ihrem Dotierungstyp und/oder ihrer Dotierstoffkonzentration von der fotoempfindlichen Halbleiterschicht (2) unterscheidet.
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der fotoempfindlichen Schicht (2) und der ihr nachgeordneten Schicht (3) mindestens eine Zwischenschicht (8) angeordnet ist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (8) ein Siliziumoxid oder ein intrinsisches Halbleitermaterial enthält.
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Grenzfläche (7) der fotoempfindlichen Halbleiterschicht (3) Strukturen mit einer Breite (b) von weniger als 100 nm aufweist.
10. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Grenzfläche (7) der fotoerapfindlichen Halbleiterschicht (2) Strukturen mit einer Höhe (h) von mehr als 100 nm aufweist.
11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Grenzfläche (7) der fotoempfindlichen Halbleiterschicht (2) Strukturen mit einer Höhe (h) zwischen 1,5 μm und 10 μm aufweist.
12. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Grenzfläche (7) der fotoempfindlichen Halbleiterschicht (2) Strukturen aufweist, deren Höhe mindestens das 50-fache der Breite beträgt.
13. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Grenzfläche (7) der fotoempfindlichen
Halbleiterschicht (2) Strukturen mit einer Flächendichte von mindestens 10^ cm"2 aufweist.
14. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Grenzfläche (7) der fotoempfindlichen Halbleiterschicht (2) Strukturen aufweist, die überwiegend eine Flankensteilheit von mehr als 45° aufweisen.
15. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Grenzfläche (7) der fotoempfindlichen Halbleiterschicht (2) eine stochastische Struktur aufweist.
16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Grenzfläche (7) der fotoempfindlichen Halbleiterschicht (2) eine deterministische Struktur aufweist.
17. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Grenzfläche (7) der fotoempfindlichen Halbleiterschicht (2) mittels eines Ätzverfahrens strukturiert ist.
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