EP2954559A1 - Mehrfachsolarzelle, verfahren zu deren herstellung und verwendungen hiervon - Google Patents

Mehrfachsolarzelle, verfahren zu deren herstellung und verwendungen hiervon

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EP2954559A1
EP2954559A1 EP14703396.3A EP14703396A EP2954559A1 EP 2954559 A1 EP2954559 A1 EP 2954559A1 EP 14703396 A EP14703396 A EP 14703396A EP 2954559 A1 EP2954559 A1 EP 2954559A1
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EP
European Patent Office
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solar cell
subcell
multiple solar
cell according
junctions
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14703396.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Dimroth
Andreas W. Bett
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • a multi-junction solar cell with at least three pn junctions, which contains a backside, having at least one pn junction subcell containing GaSb and a front side and at least two pn junctions having subcell and which is characterized in that the backside subcell a> 2 %, in particular> 4%, greater lattice constant than the front-side part cell and the two sub-cells are interconnected via an optically transparent and electrically conductive Wafer-Bond connection.
  • the multiple solar cell achieves high absorption to the bandgap energy of the lowermost GaSb-containing subcell and a photovoltage which is enhanced over prior art multiple solar cells.
  • the next generation of multiple solar cells will contain three, four or more pn junctions with the best possible bandgap combination to further increase efficiency.
  • the optimal bandgap energies for terrestrial applications are 1.9, 1.4, 1.0 and 0.5 eV. It is known that this combination on germanium is difficult to realize.
  • an alternative combination of 1.9, 1.4, 1.1 and 0.7 eV is only 3.5% relatively lower in average power and can be realized with different material combinations.
  • this type of quadruple solar cell is based on the conventional epitaxy of III-V multiple solar cells on germanium substrate.
  • the only change to the current state of the art is the integration of an additional subcell from the diluted nitrogen-containing material GalnNAs.
  • As an alternative to GalnNAs semiconductors such as GaNAsSb or BGalnAs can also be used.
  • the concentration of N or B is in the range of 2-4%.
  • III-V compounds can be produced which have a bandgap energy of 1.0 eV and can be grown lattice-matched to germanium.
  • the big problem with this approach is the material quality of the diluted N (or B) -containing materials.
  • germanium solar cells have a comparatively low no-load voltage, which is typically in the range of 260 mV for a sun
  • GalnP / GaAs / GalnAsP / GalnAs solar cell in this type of quadruple solar cell, one half of the structure is grown on gallium arsenide substrate and the other half on indium phosphide substrate. In principle, the desired band gaps of the materials can be achieved. In this concept, the top and bottom of the structure are joined via wafer bonding or mechanical stacking (see Bhusari, D. et al. (2011), Proceedings of the 37th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Seattle, Washington, USA). , The disadvantage of this structure is that the lower part cell has to be grown on indium phosphide substrate. This substrate is extremely expensive (the cost is about 8-10 times higher compared to germanium and
  • Inverted grown GalnP / GaAs / GalnAs / GalnAs solar cell in this concept, all subcells are grown inverted on a gallium arsenide or germanium substrate. Thereafter, the structure is transferred to a substrate for stabilization, the gallium arsenide and germanium substrate are removed and the solar cell is processed (see Friedmann, DJ et al., 2006 Proceedings of the 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Waikoloa, Hawaii, USA Stan, M. et al. (2010) Journal of Crystal Growth, Vol. 312, pp. 1370-1374).
  • GalnAs The low bench-gap energies of GalnAs in the range of 1 eV and 0.7 eV require the growth of metamorphic buffer layers with a very high voltage. This results in numerous dislocations, which have a negative impact on the efficiency of the solar cell. It has also been found that the GalnAs material is used for space applications. less suitable, since the solar cells degrade faster under the irradiation with high-energy electrons and protons.
  • GalnP / GaAs / GalnAs / Ge solar cell here, a GalnP / GaAs tandem cell is first grown on gallium arsenide, then a GalnAs subcell and a metamorphic buffer structure grown on a germanium subcell, then both joined together in a wafer bonding process and the gallium arsenide Substrate removed. This results in a quadruple solar cell structure through the combination of growth on two substrates and wafer bonding.
  • the disadvantage of this structure is that the lowest subcell of germanium consists of an indirect semiconductor and thus the absorption for wavelengths greater than 1600 nm drops sharply.
  • germanium solar cells have a comparatively low no-load voltage, which is typically in the range of 260 mV for a sun (see DE 10 2012 004 734).
  • the object is achieved by the multiple solar cell according to claim 1, the method for producing a multi-junction solar cell according to one of claims 15 or 16 and the use of the multiple solar cell according to claim 18.
  • a multiple solar cell with at least three pn junctions comprising a backside, at least one pn junction having partial cell containing or consisting of GaSb and a front side and at least two pn junctions having subcell, characterized in that the backside subcell a> 2 %, in particular> 4%, greater lattice constant than the front-side part cell and the two sub-cells are interconnected via an optically transparent and electrically conductive Wafer-Bond connection.
  • Advantages of the multiple solar cell according to the invention are that it has a high absorption up to the band gap energy and a high photovoltage is achieved.
  • the multiple solar cell is preferably free of Ge, SiGe and / or Si.
  • gallium antimonide as part of a subcell has the advantage that it consists of elements that are widely distributed on the earth, which makes manufacturing economically feasible. It is also known that gallium antimonide solar cells achieve a significantly higher photovoltage compared to germanium solar cells with similar bandgap energy. For example, 349 mV for gallium antimonide were measured with a sun compared to 264 mV for germanium. It also offers
  • Gallium antimonide has the advantage that it is a direct semiconductor and thus ensures high absorption up to band gap energy. Furthermore, layers of GalnAsSb, which are even closer to the theoretically optimal band gap of 0.5 eV for the lowest subcell of a quadruple solar cell, can be realized on gallium antimonide substrate in a lattice-matched manner.
  • the front-side part cell has at least two pn junctions which contain or consist of AIGaAs and / or GaAs and / or AIGalnP and / or GalnP.
  • the front-side subcell may include a metamorphic buffer layer for changing the lattice constant and at least one pn junction containing GalnAs.
  • the metamorphic buffer layer preferably changes the lattice constant by 1.5% to 3%, in particular by 2% to 2.5%.
  • the metamorphic buffer layer may consist of AIGalnAs or GalnAs or GalnP or AIGalnP or GaPSb.
  • the front-side subcell is epitaxied on a GaAs or Ge wafer.
  • the front-side subcell can have at least three pn junctions, wherein at least two pn junctions contain or consist of AIGaAs and / or GaAs and / or AIGalnP and / or GalnP and the at least one further pn junction contains or consists of GalnAs, the both first and the further pn junction are connected via a metamorphic buffer which bridges a lattice constant difference between 1-5%, preferably between 2-4%.
  • the front-side subcell has three pn transitions with band gaps in the ranges 1.80-1.95 eV, 1.40-1.55 eV and 1.00-1.15 eV.
  • the backside subcell may have one or more pn junctions each having a bandgap energy of between 0.50-1.00 eV and each containing or consisting of GaSb or AIGaAsSb or GalnAsSb or GaPSb.
  • the backside subcell has two pn junctions, with a pn junction containing or consisting of GalnAsSb having a bandgap energy of between 0.50-0.72 eV.
  • the backside subcell may include a metamorphic buffer layer to adjust the lattice constant, the metamorphic buffer layer in particular being GalnAsSb, GalnAs, AIGalnAs, GaAsSb, AlAsSb, GaPSb, and / or AlPSb.
  • the metamorphic buffer layer in particular being GalnAsSb, GalnAs, AIGalnAs, GaAsSb, AlAsSb, GaPSb, and / or AlPSb.
  • the backside subcell is epitaxied on a GaSb wafer.
  • the individual subcells may have further functional layers, in particular tunnel diodes for the electrical connection of the individual subcells, barrier layers on the front and back of the subcells, highly doped contact layers, internal reflection layers and / or antireflection layers on the front side of the cell.
  • a tunnel diode for electrical serial connection can be included.
  • a backside subcell containing GaSb is grown;
  • a front-side subcell having at least two pn junctions of III-V compound semiconductors, wherein pn junctions with increasing bandgap energy sequentially follow;
  • step e) the carrier and the adhesive of step c) are removed;
  • the solar cell is provided with contacts and anti-reflection layer.
  • the surface of the back and front side sub-cells may be polished and / or cleaned.
  • a backside subcell containing GaSb is grown;
  • a front-side subcell having at least two pn junctions of III-V compound semiconductors, wherein pn junctions with decreasing bandgap energy sequentially follow;
  • the subcell structures of a) and b) are connected by wafer bonding; d) after wafer bonding, the substrate is removed from GaAs or Ge; e) the solar cell is provided with contacts and anti-reflection coating.
  • the surface of the back and the front part cell may be polished and / or cleaned.
  • the methods according to the invention for producing a multiple solar cell can be characterized in that the GaSb substrate of the backside partial cell is at least partially removed during processing and the structure is transferred to a support, preferably a support of silicon, AISi, carbon, Mo or other composites.
  • the multiple solar cell according to the invention can be used in space or in terrestrial concentrator systems.
  • FIG. 1 shows a variant of a triple-junction solar cell according to the invention.
  • a first, GaSb-containing subcell 2 having a first pn junction is epitaxially connected to a backside substrate 1 containing or consisting of GaSb. It may be a GaSb wafer or a thin GaSb layer deposited on a conductive support (eg, a GaSb layer on Si, AISi, carbon, Mo, or other composites).
  • the substrate 1 has a rear side contact 7.
  • the first subcell 2 is connected to two further subcell 3 and 4 via a wafer bond connection 6.
  • the wafer-bond connection can be carried out by direct semiconductor bonding, by bonding amorphous semiconductor layers or by bonding transparent conductive intermediate layers such as indium tin oxide.
  • the decisive factor here is that the compound is electrically conductive and optically transparent to the light which is absorbed in the lowermost GaSb-containing subcell 2.
  • the bond may be thermally baked.
  • the surfaces of the sub-cells can polished and / or cleaned before bonding to ensure a low surface roughness and low concentration of impurities and oxides.
  • the subcell 4 On the front side, the subcell 4 has an antireflection layer 5 and a plurality of front side contacts 8.
  • the front-side contact is typically formed as a contact finger structure, which is designed to balance the reflection of light on the metal fingers with resistance losses due to limited conductivity.
  • the subcells 2, 3 and 4 each have a pn or np junction.
  • the bandgap energy of the semiconductors of the sub-cells increases from 2 to 3 and from 3 to 4.
  • the sub-cells may have further functional layers such as barrier layers or tunnel diodes for serial interconnection.
  • the substrate 1 and the first subcell 2 together form the rear-side subcell 9 while the second subcell 3 and the third subcell 4 together form the front-side subcell 10.
  • the back and front subcell differ in their lattice constant and are optically and electrically connected to each other via the bond 6.
  • FIG. 2 shows a variant of a quadruple solar cell according to the invention.
  • the GaSb-containing subcell 2 has a backside contact 7 and a substrate 1 containing or consisting of GaSb. It may be a GaSb wafer or a thin GaSb layer deposited on a conductive support (eg, a GaSb layer on Si, AISi, carbon, Mo, or other composites).
  • the first pn-junction 2 consists for example of GaSb with a bandgap energy of 0.7 eV.
  • GalnAsSb with a bandgap energy between 0.5-0.7 eV can be chosen, whereby the bandgap at constant lattice constant of GaSb by the addition of indium and arsenic in
  • GalnAsSb can be lowered.
  • the first subcell 2 is connected via a wafer bond connection 6 to the second subcell 3 made of GalnAs.
  • the wafer-bond connection can be carried out by direct semiconductor bonding, by bonding amorphous semiconductor layers or by bonding transparent conductive intermediate layers such as indium tin oxide.
  • the decisive factor here is that the compound is electrically conductive and optically transparent for the Light which is absorbed in the lowest GaSb-containing subcell. To increase the strength, the bond may be thermally baked.
  • the bandgap of the second GalnAs subcell 3 can be adjusted over the indium content in the crystal in a wide range. In particular, band gaps between 0.9 and 1.2 eV, in particular between 1.0 and 1.1 eV, are advantageous.
  • a metamorphic buffer layer 11 in which the lattice constant of the crystal is changed.
  • the lattice constant of the crystal lattice can be varied stepwise or linearly.
  • the buffer layer contains misfit dislocations which relax the grid.
  • the buffer layer may further contain an excess layer for complete relaxation of the crystal lattice, or blocking layers of dilute N-containing materials. Typical materials for buffer layers are GalnAs, GalnP, AIGalnP, AIGalnAs, GaPSb and combinations thereof.
  • the third subcell 4 has a band gap energy of 1.4-1.5 eV and is advantageously made of GaAs, AIGaAs or GalnAsP.
  • the third subcell 4 is adjoined by a further fourth subcell 12, which has a band gap in the range 1.8 eV - 1.9 eV and advantageously consists of GalnP or AIGalnP.
  • the quadruple solar cell has an antireflection layer 5 and a plurality of front side contacts 8.
  • the front-side contact is typically formed as a contact finger structure, which is designed to balance the reflection of light on the metal fingers with resistance losses due to limited conductivity.
  • the subcells 2, 3, 4 and 12 each have a pn or np junction.
  • the bandgap energy of the semiconductors of the sub-cells increases from 2 to 3 to 4 to 12.
  • the substrate 1 and the first subcell 2 together form the rear subcell 9 while the second subcell 3, the metamorphic buffer layer 11 and the third and fourth subcell 4 and 12 together form the front side subcell 10.
  • the back and front subcell differ in their lattice constant and are optically and electrically connected to each other via the bond 6.
  • the sub-cells may have further functional layers such as barrier layers or tunnel diodes for serial interconnection.
  • barrier layers or tunnel diodes for serial interconnection.
  • FIG. 1 A detailed example of an advantageous layer structure of a quadruple solar cell according to the invention with barrier layers and tunnel diodes is shown in FIG.
  • the substrate 1 consists in this case of p-GaSb.
  • Subcell 2 contains a pn junction of GaSb and barrier layers of n-AIGaPSb and p-AIGaSb.
  • the subcell 3 has a pn junction in GalnAs and barrier layers of n
  • the subcell 4 has a pn junction in (Al) GaAs and barrier layers of n-AlIGalnP, p-AIGaAs, and p-AIGalnP.
  • Subcell 12 has a pn junction in GalnP and n-AllnP, p-GalnP, and p-AIGalnP barrier layers.
  • the structure also has a metamorphic buffer layer 11 from AIGalnAs.
  • the wafer bonding compound 6 is located between the backside subcell which ends with an n-AIGaPSb bonding layer and the frontal subcell which ends with an n ++ -GalnAsP layer of the tunnel diode.
  • the subcells are each connected via tunnel diodes.
  • the tunnel diode between subcell 2 and 3 consists of p-GalnAsP and n-GalnAsP, the tunnel diode between subcell 3 and 4 of p-AIGaAs and n-
  • the solar cell in FIG. 3 has on the front side of the partial cell 12 a GaAs cover layer, which remains only under the contacts in order to ensure a low contact resistance. Furthermore, a front contact, for example, Ni / AuGe or Pd / Ge / Au. The reflection on the front side of the solar cell is reduced by an antireflection layer consisting of dielectric layers such as TaOx, TiOx, SiN, SiOx, SiC, MgF2, AlOx. On the rear side of the solar cell, a surface contact with a low ohmic resistance, for example, Au / Zn / Au,
  • one of the following quadruple solar cells can be produced: GalnP (1.9 eV) / GaAs (1.4 eV) / GalnAs (1.1 eV) / GaSb (0.7 eV);
  • GalnP (1.9 eV) / GaAs (1.4 eV) / GalnAs (1.0 eV) / GalnAsSb (0.5 eV);
  • GalnP (1.9 eV) as subcell 12
  • GaAs (1.4 eV) as subcell 4
  • GalnAs (1.1 eV) as subcell 3
  • GaSb (0.7 eV) as subcell 2;
  • GalnP (1.9 eV) as subcell 12
  • GaAs (1.4 eV) as subcell 4
  • GalnAs (1.0 eV) as subcell 3
  • GalnAsSb (0.5 eV) as subcell 2;
  • AIGalnP 2.0 eV as subcell 12
  • AIGaAs 1.5 eV
  • GalnAs 1.1 eV
  • GaSb 0.7 eV
  • GalnAsP 1.5 eV
  • GalnAs 1.1 eV
  • GaSb 0.7 eV
  • the solar cell structure can be produced, for example, via the following steps:
  • a GalnP, GaAs and GalnAs subcell is epitaxially grown on a GaAs or germanium substrate (e.g., by organometallic vapor phase epitaxy);
  • Gallium antimonide grown substrate e.g., by organometallic vapor phase epitaxy
  • Five-axis solar cells may consist of a front-side subcell with pn junctions in AIGalnP (2.0 eV), GalnAsP (1.6 eV) and GalnAs (1.2 eV), with a metamorphic buffer inserted between the GalnAsP and GalnAs subcell to bridge the lattice constant difference.
  • the front subcell is epitaxied on gallium arsenide substrate.
  • the backside subcell is grown on gallium antimonide and contains, for example, sub-cells with pn junctions in GaPSb (0.9 eV) and GalnAsSb (0.5 eV).
  • a metamorphic buffer layer can be inserted to bridge different lattice constants.
  • the back and front subcell are then bonded together after the epitaxy and any necessary polishing and cleaning steps, and the GaAs substrate of the front subcell is removed.

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Abstract

Es wird eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen vorgeschlagen, welche eine rückseitige, mindestens einen pn-Übergang aufweisende Teilzelle enthaltend GaSb und eine vorderseitige und mindestens zwei pn-Übergänge aufweisende Teilzelle enthält und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die rückseitige Teilzelle eine ≥ 2 %, insbesondere > 4 %, größere Gitterkonstante aufweist als die vorderseitige Teilzelle und die beiden Teilzellen über eine optisch transparente und elektrisch leitfähige Wafer-Bond Verbindung miteinander verbunden sind. Die Mehrfachsolarzelle erreicht eine hohe Absorption bis zur Bandlückenenergie der untersten GaSb-enthaltenden Teilzelle und eine Photospannung, welche gegenüber Mehrfachsolarzellen aus dem Stand der Technik erhöht ist. Ferner werden Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle vorgestellt und Verwendungen der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle angegeben.

Description

Mehrfachsolarzelle, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendungen hiervon
Es wird eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen vorgeschlagen, welche eine rückseitige, mindestens einen pn-Übergang aufweisende Teilzelle enthaltend GaSb und eine vorderseitige und mindestens zwei pn- Übergänge aufweisende Teilzelle enthält und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die rückseitige Teilzelle eine > 2 %, insbesondere > 4 %, größere Gitterkonstante aufweist als die vorderseitige Teilzelle und die beiden Teilzellen über eine optisch transparente und elektrisch leitfähige Wafer-Bond Verbindung miteinander verbunden sind. Die Mehrfachsolarzelle erreicht eine hohe Absorption bis zur Bandlückenenergie der untersten GaSb-enthaltenden Teilzelle und eine Photospannung, welche gegenüber Mehrfachsolarzellen aus dem Stand der Technik erhöht ist. Ferner werden Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle vorgestellt und Verwendungen der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle angegeben. Es ist bekannt, dass so genannte Mehrfachsolarzellen davon profitieren, wenn die Anzahl der Teilzellen erhöht werden kann. Wichtig sind dabei allerdings neben der Anzahl der Teilzellen die sogenannten Bandlückenenergien der Materialien. Diese müssen optimal an das Sonnenspektrum angepasst sein. Die heute am weitesten verbreiteten lll-V Solarzellen bestehen aus drei pn- Übergängen in den Materialien GalnP (1.9 eV), GalnAs (1.4 eV) und Germanium (0.7 eV).
Die nächste Generation von Mehrfachsolarzellen soll drei, vier oder mehr pn- Übergänge mit möglichst optimaler Bandlückenkombination enthalten, um die Effizienz weiter zu steigern. Hierbei liegen bei einer Vierfachsolarzelle die optimalen Bandlückenenergien für die terrestrische Anwendung bei 1.9, 1.4, 1.0 und 0.5 eV. Es ist bekannt, dass diese Kombination auf Germanium schwierig zu realisieren ist. Eine alternative Kombination von 1.9, 1.4, 1.1 und 0.7 eV liegt allerdings nur 3,5 % relativ in der mittleren Leistung darunter und kann mit verschiedenen Materialkombinationen realisiert werden.
Die meisten heutigen Konzepte bauen auf einer untersten Teilzelle mit einer Bandlückenenergie im Bereich von 0.7 eV auf. Die wichtigsten Vertreter sollen im Folgenden kurz erläutert werden:
■ GalnP/GalnAs/GalnNAs/Ge Solarzelle: dieser Typ einer Vierfachsolarzelle baut auf der herkömmlichen Epitaxie von lll-V Mehrfachsolarzellen auf Germanium Substrat auf. Einzige Änderung zum heutigen Stand der Technik ist die Integration einer zusätzlichen Teilzelle aus dem verdünnt stickstoffhaltigen Material GalnNAs. Alternativ zu GalnNAs können auch Halbleiter wie GaNAsSb oder BGalnAs eingesetzt werden. Die Konzentration von N bzw. B liegt im Bereich von 2-4 %. So können lll-V Verbindungen hergestellt werden, welche eine Bandlückenenergie von 1.0 eV aufweisen und gitterangepasst zu Germanium gewachsen werden können. Das große Problem bei diesem Ansatz ist die Materialqualität der verdünnt N (bzw. B)-haltigen Materialien. Bisher ist es nicht möglich gewesen Solarzellen mit hoher Effizienz und gleichzeitig mit dem heute verbreiteten Verfahren der Metallorganischen Gasphasenepitaxie herzustellen. Gute Ergebnisse wurden allerdings bei Wachstum mittels Molekularstrahl-Epitaxie erreicht. Diese Methode zeichnet sich allerdings durch deutlich höhere Herstellungskosten für die Solarzellen aus und findet daher heute keine Anwendung in der industriellen Produktion. Ein Wachstum der GalnP/GalnAs/GalnNAs/Ge Solarzellen mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie ist momentan nicht in Sicht (siehe Volz, K. et al.
(2008) , Journal of Crystal Growth, Band 310, S. 222-2228; Volz, K. et al.
(2009) , Proceedings of the 34th IEEE Photovoltaic Solar Energy Conference, Philadelphia, USA; Essig, S. et al. (2011), Proceedings of the 9th European Space Power Conference, Saint-Raphael, France). Weiterhin besitzen Germanium Solarzellen eine vergleichsweise geringe Leerlaufspannung, welche typischerweise bei einer Sonne im Bereich von 260 mV liegt
GalnP/GaAs/GalnAsP/GalnAs Solarzelle: bei diesem Typ einer Vierfachsolarzelle wird die eine Hälfte der Struktur auf Galliumarsenid Substrat gewachsen und die andere Hälfte auf Indium Phosphid Substrat. Es können prinzipiell die gewünschten Bandlücken der Materialien erreicht werden. Bei diesem Konzept wird der obere und untere Teil der Struktur über einen Wafer Bond oder über mechanisches Stapeln verbunden (siehe Bhusari, D. et al. (2011), Proceedings of the 37th IEEE Photovoltaic Spe- cialists Conference, Seattle, Washington, USA). Der Nachteil dieser Struktur besteht darin, dass die untere Teilzelle auf Indium Phosphid Substrat gewachsen werden muss. Dieses Substrat ist extrem teuer (die Kosten liegen etwa 8-10 mal höher im Vergleich zu Germanium und
Galliumarsenid.
Invertiert gewachsene GalnP/GaAs/GalnAs/GalnAs Solarzelle: bei diesem Konzept werden alle Teilzellen invertiert auf einem Galliumarsenid oder Germanium Substrat aufgewachsen. Danach wird die Struktur auf ein Substrat zur Stabilisierung übertragen, das Galliumarsenid bzw. Germanium Substrat entfernt und die Solarzelle prozessiert (siehe Friedmann, DJ. et al. (2006) Proceedings of the 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Waikoloa, Hawaii, USA; Stan, M. et al. (2010) Journal of Crystal Growth, Band 312, S. 1370-1374). Die niedrigen Banklückenenergien von GalnAs im Bereich von 1 eV und 0.7 eV erfordern das Wachstum von metamorphen Pufferschichten mit einer sehr hohen Ver- spannung. Hierdurch entstehen zahlreiche Versetzungen, welche einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle haben. Weiter hat sich herausgestellt, dass das GalnAs-Material für die Weltraumanwen- dung weniger geeignet ist, da die Solarzellen unter der Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen und Protonen schneller degradieren.
■ GalnP/GaAs/GalnAs/Ge Solarzelle: hier wird zunächst eine GalnP/GaAs Tandemzelle auf Galliumarsenid gewachsen, dann eine GalnAs Teilzelle und eine metamorpher Pufferstruktur auf eine Germanium Teilzelle aufgewachsen, dann beide Teile in einem Wafer-Bonding Prozess miteinander verbunden und das Galliumarsenid-Substrat entfernt. So entsteht eine Vierfachsolarzellenstruktur durch die Kombination von Wachstum auf zwei Substraten und Wafer-Bonding. Der Nachteil dieser Struktur besteht darin, dass die unterste Teilzelle aus Germanium aus einem indirekten Halbleiter besteht und damit die Absorption für Wellenlangen größer 1600 nm stark abfällt. Weiterhin besitzen Germanium Solarzellen eine vergleichsweise geringe Leerlaufspannung, welche typischerweise bei einer Sonne im Bereich von 260 mV liegt (siehe DE 10 2012 004 734).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit, eine Mehrfachsolarzelle bereitzustellen, welche der theoretisch optimalen Bandlückenkombination möglichst nahe kommt und gleichzeitig eine hohe Qualität der Teilzellen bereitstellt - insbesondere eine hohe Absorption bis zur Bandlückenenergie und eine hohe Photospannung.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Mehrfachsolarzelle gemäß Anspruch 1, die Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16 und die Verwendung der Mehrfachsolarzelle gemäß Anspruch 18.
Erfindungsgemäß wird eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn- Übergängen bereitgestellt, enthaltend eine rückseitige, mindestens einen pn- Übergang aufweisende Teilzelle enthaltend oder bestehend aus GaSb und eine vorderseitige und mindestens zwei pn-Übergänge aufweisende Teilzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle eine > 2 %, insbesondere > 4 %, größere Gitterkonstante aufweist als die vorderseitige Teilzelle und die beiden Teilzellen über eine optisch transparente und elektrisch leitfähige Wafer-Bond Verbindung miteinander verbunden sind. Vorteile der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle sind, dass sie eine hohe Absorption bis zur Bandlückenenergie aufweist und eine hohe Photospannung erreicht wird.
Die Mehrfachsolarzelle ist vorzugsweise frei von Ge, SiGe und/oder Si.
Galliumantimonid als Bestandteil einer Teilzelle zu verwenden hat den Vorteil, dass es aus Elementen besteht, welche auf der Erde weit verbreitet sind, wodurch sich die Herstellung ökonomisch durchführen lässt. Es ist ebenso bekannt, dass Galliumantimonid Solarzellen eine wesentlich höhere Photospannung erzielen im Vergleich zu Germanium Solarzellen mit ähnlicher Bandlückenenergie. So wurden für Galliumantimonid 349 mV bei einer Sonne gemessen im Vergleich zu 264 mV für Germanium. Zudem bietet
Galliumantimonid den Vorteil, dass es sich um einen direkten Halbleiter handelt und somit eine hohe Absorption bis zur Bandlückenenergie gewährleistet wird. Weiterhin lassen sich auf Galliumantimonid Substrat gitterangepasst Schichten aus GalnAsSb realisieren, welche noch näher an der theoretisch optimalen Bandlücke von 0.5 eV für die unterste Teilzelle einer Vierfachsolarzelle liegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die vorderseitige Teilzelle mindestens zwei pn-Übergänge auf, welche AIGaAs und/oder GaAs und/oder AIGalnP und/oder GalnP enthalten oder daraus bestehen.
Die vorderseitige Teilzelle kann eine metamorphe Pufferschicht zur Veränderung der Gitterkonstante und mindestens einen pn-Übergang, welcher GalnAs enthält, aufweisen.
Die metamorphe Pufferschicht verändert die Gitterkonstante bevorzugt um 1,5 % bis 3 %, insbesondere um 2 % bis 2,5 %.
Die metamorphe Pufferschicht kann aus AIGalnAs oder GalnAs oder GalnP oder AIGalnP oder GaPSb bestehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die vorderseitige Teilzelle auf einem GaAs oder Ge Wafer epitaxiert. Die vorderseitige Teilzelle kann mindestens drei pn-Übergänge aufweisen, wobei mindestens zwei pn-Übergänge AIGaAs und/oder GaAs und/oder AIGalnP und/oder GalnP enthalten oder daraus bestehen und der mindestens eine weitere pn-Übergang GalnAs enthält oder daraus besteht, wobei die beiden ersten und der weitere pn-Übergang über einen metamorphen Puffer verbunden sind, welcher einen Gitterkonstantenunterschied zwischen 1-5 %, bevorzugt zwischen 2-4 % überbrückt.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die vorderseitige Teilzelle drei pn-Übergänge mit Bandlücke in den Bereichen 1.80-1.95 eV, 1.40-1.55 eV und 1.00-1.15 eV auf.
Die rückseitige Teilzelle kann einen oder mehrere pn-Übergänge aufweisen, welche jeweils eine Bandlückenenergie zwischen 0.50 - 1.00 eV besitzen und welche jeweils GaSb oder AIGaAsSb oder GalnAsSb oder GaPSb enthalten oder daraus bestehen.
Bevorzugt ist, dass die rückseitige Teilzelle zwei pn-Übergänge aufweist, wobei ein pn-Übergang GalnAsSb mit einer Bandlückenenergie zwischen 0.50- 0.72 eV enthält oder daraus besteht.
Ferner kann die rückseitige Teilzelle eine metamorphe Pufferschicht zur Anpassung der Gitterkonstante enthalten, wobei die metamorphe Pufferschicht insbesondere aus GalnAsSb, GalnAs, AIGalnAs, GaAsSb, AlAsSb, GaPSb und/oder AlPSb besteht.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die rückseitige Teilzelle auf einem GaSb Wafer epitaxiert.
Die einzelnen Teilzellen können weitere Funktionschichten aufweisen, insbesondere Tunneldioden zur elektrischen Verbindung der einzelnen Teilzellen, Barriereschichten an der Front- und Rückseite der Teilzellen, hochdotierte Kontaktschichten, interne Reflexionsschichten und/oder Antireflexschichten an der Vorderseite der Zelle. Jeweils zwischen zwei Teilzellen kann eine Tunneldiode zur elektrischen Serienverschaltung enthalten sein.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle bereitgestellt, bei dem
a) auf einem Substrat eine rückseitige Teilzelle enthaltend GaSb aufgewachsen wird;
b) auf einem Substrat aus GaAs oder Ge eine vorderseitige Teilzelle mit mindestens zwei pn-Übergängen aus lll-V Verbindungshalbleitern aufgewachsen wird, wobei pn-Übergänge mit ansteigender Bandlückenenergie nacheinander folgen;
c) die vorderseitige Teilzelle an der Frontseite durch einen Träger mittels einem ablösbaren Klebstoff stabilisiert und das Substrat aus GaAs oder Ge entfernt wird;
d) die Teilzellenstrukturen aus a) und c) mittels Waferbonding verbunden werden;
e) der Träger und der Klebstoff aus Schritt c) entfernt werden;
f) die Solarzelle mit Kontakten und Antireflexschicht versehen wird.
Sofern erforderlich kann in dem obigen Verfahren nach Schritt c) die Oberfläche der rückseitigen und die der vorderseitigen Teilzelle poliert und/oder gereinigt werden.
Desweiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle bereitgestellt, bei dem
a) auf einem Substrat eine rückseitige Teilzelle enthaltend GaSb aufgewachsen wird;
b) auf einem Substrat aus GaAs oder Ge eine vorderseitige Teilzelle mit mindestens zwei pn-Übergängen aus lll-V Verbindungshalbleitern aufgewachsen wird, wobei pn-Übergänge mit abfallender Bandlückenenergie nacheinander folgen;
c) die Teilzellenstrukturen aus a) und b) mittels Waferbonding verbunden werden; d) nach dem Waferbonding das Substrat aus GaAs oder Ge abgelöst wird; e) die Solarzelle mit Kontakten und Antireflexschicht versehen wird.
Sofern erforderlich kann in dem obigen Verfahren nach Schritt b) die Oberfläche der rückseitigen und die der vorderseitigen Teilzelle poliert und/oder gereinigt werden.
Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle können dadurch gekennzeichnet sein, dass das GaSb Substrat der rückseitigen Teilzelle während der Prozessierung zumindest teilweise entfernt wird und die Struktur auf einen Träger, bevorzugt einen Träger aus Silicium, AISi, Kohlenstoff, Mo oder anderen Kompositen übertragen wird.
Die erfindungsgemäße Mehrfachsolarzelle kann im Weltraum oder in terrestrischen Konzentratorsystemen verwendet werden.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Figur 1 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Dreifachsolarzelle. Eine erste, GaSb-enthaltende Teilzelle 2 mit einem ersten pn-Übergang ist epitaktisch verbunden mit einem rückseitigen Substrat 1, welches GaSb enthält oder daraus besteht. Es kann sich hierbei um einen GaSb-Wafer handeln oder um eine dünne GaSb-Schicht, welche auf einen leitfähigen Träger aufgebracht ist (beispielsweise eine GaSb-Schicht auf Trägermaterial aus Si, AISi, Kohlenstoff, Mo oder anderen Kompositen). Zudem weist das Substrat 1 einen Rückseitenkontakt 7 auf. Richtung Vorderseite ist die erste Teilzelle 2 mit zwei weiteren Teilzelle 3 und 4 über eine Wafer-Bond-Verbindung 6 verbunden. Die Wafer-Bond Verbindung kann durch direktes Halbleiterbonden, durch Bonden amorpher Halbleiterschichten oder durch Bonden transparenter leitfähiger Zwischenschichten wie Indium-Zinn-Oxid erfolgen. Entscheidend ist hierbei, dass die Verbindung elektrisch leitfähig sowie optisch transparent ist für das Licht, welches in der untersten GaSb-enthaltenden Teilzelle 2 absorbiert wird. Zur Erhöhung der Festigkeit kann die Bondverbindung thermisch ausgeheizt sein. Weiterhin können die Oberflächen der Teilzellen vor dem Bonden poliert und/oder gereinigt worden sein, um eine geringe Oberflächenrauigkeit sowie geringe Konzentration an Verunreinigungen und Oxiden zu gewährleisten. Vorderseitig weist die Teilzelle 4 eine Antireflexschicht 5 und mehrere Vorderseitenkontakte 8 auf. Der Vorderseitenkontakt ist typischerweise als Kontaktfingerstruktur ausgebildet, welcher so ausgelegt ist, dass sich die Lichtreflexion an den Metallfingern mit Widerstandsverlusten durch eine begrenzte Leitfähigkeit die Waage halten.
Die Teilzellen 2, 3 und 4 weisen jeweils einen pn oder np-Übergang auf. Die Bandlückenenergie der Halbleiter der Teilzellen steigt dabei von 2 zu 3 und von 3 zu 4 an. Die Teilzellen können weitere funktionale Schichten wie Barriereschichten oder Tunneldioden zur seriellen Verschaltung aufweisen. Das Substrat 1 und die erste Teilzelle 2 bilden gemeinsam die rückseitige Teilzelle 9 während die zweite Teilzelle 3 und die dritte Teilzelle 4 gemeinsam die vorderseitige Teilzelle 10 bilden. Die rückseitige und vorderseitige Teilzelle unterscheiden sich in ihrer Gitterkonstante und sind über die Bondverbindung 6 miteinander optisch und elektrisch verbunden.
Figur 2 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Vierfachsolarzelle. Die GaSb enthaltende Teilzelle 2 weist einen Rückseitenkontakt 7 und ein Substrat 1 auf, welches GaSb enthält oder daraus besteht. Es kann sich hierbei um einen GaSb-Wafer handeln oder um eine dünne GaSb-Schicht, welche auf einen leitfähigen Träger aufgebracht ist (beispielsweise eine GaSb-Schicht auf Trägermaterial aus Si, AISi, Kohlenstoff, Mo oder anderen Kompositen). Der erste pn-Übergang 2 besteht zum Beispiel aus GaSb mit einer Bandlückenenergie von 0,7 eV. Alternativ kann auch GalnAsSb mit einer Bandlückenenergie zwischen 0.5-0.7 eV gewählt werden, wobei die Bandlücke bei gleichbleibender Gitterkonstante von GaSb durch die Zugabe von Indium und Arsen in
GalnAsSb gesenkt werden kann. Die erste Teilzelle 2 ist über eine Wafer- Bond-Verbindung 6 mit der zweiten Teilzelle 3 aus GalnAs verbunden. Die Wafer-Bond Verbindung kann durch direktes Halbleiterbonden, durch Bonden amorpher Halbleiterschichten oder durch Bonden transparenter leitfähiger Zwischenschichten wie Indium-Zinn-Oxid erfolgen. Entscheidend ist hierbei, dass die Verbindung elektrisch leitfähig sowie optisch transparent ist für das Licht, welches in der untersten GaSb enthaltenden Teilzelle absorbiert wird. Zur Erhöhung der Festigkeit kann die Bondverbindung thermisch ausgeheizt sein.
Die Bandlücke der zweiten GalnAs Teilzelle 3 kann über den Indium Gehalt im Kristall in einem weiten Bereich eingestellt werden. Hierbei sind insbesondere Bandlücken zwischen 0.9 und 1.2 eV, besonders zwischen 1.0 - 1.1 eV vorteilhaft. Zwischen der zweiten Teilzelle 3 und einer weiteren dritten Teilzelle 4 befindet sich eine metamorphe Pufferschicht 11, in welcher die Gitterkonstante des Kristalls verändert wird. Die Gitterkonstante des Kristallgitters kann dabei stufenweisen oder linearen variiert werden. Die Pufferschicht enthält Fehlanpassungsversetzungen, welche das Gitter relaxieren. Die Pufferschicht kann weiterhin eine Überschussschicht zur vollständigen Relaxation des Kristallgitters, bzw. Blockerschichten aus verdünnt N-haltigen Materialien enthalten. Typische Materialien für Pufferschichten sind GalnAs, GalnP, AIGalnP, AIGalnAs, GaPSb sowie Kombinationen davon.
Die dritte Teilzelle 4 besitzt eine Bandlückenenergie von 1.4-1.5 eV und besteht vorteilhaft aus GaAs, AIGaAs oder GalnAsP. An die dritte Teilzelle 4 schließt sich eine weitere vierte Teilzelle 12 an, welche eine Bandlücke im Bereich 1.8 eV - 1.9 eV besitzt und vorteilhaft aus GalnP oder AIGalnP besteht. An der Vorderseite weist die Vierfachsolarzelle eine Antireflexschicht 5 und mehrere Vorderseitenkontakte 8 auf. Der Vorderseitenkontakt ist typischerweise als Kontaktfingerstruktur ausgebildet, welche so ausgelegt ist, dass sich die Lichtreflexion an den Metallfingern mit Widerstandsverlusten durch eine begrenzte Leitfähigkeit die Waage halten.
Die Teilzellen 2, 3, 4 und 12 weisen jeweils einen pn- oder np-Übergang auf. Die Bandlückenenergie der Halbleiter der Teilzellen steigt dabei von 2 zu 3 zu 4 zu 12 an.
Das Substrat 1 und die erste Teilzelle 2 bilden gemeinsam die rückseitige Teilzelle 9 während die zweite Teilzelle 3, die metamorphe Pufferschicht 11 und die dritte und vierte Teilzelle 4 und 12 gemeinsam die vorderseitige Teilzelle 10 bilden. Die rückseitige und vorderseitige Teilzelle unterscheiden sich in ihrer Gitterkonstante und sind über die Bondverbindung 6 miteinander optisch und elektrisch verbunden.
Die Teilzellen können weitere funktionale Schichten wie Barriereschichten oder Tunneldioden zur seriellen Verschaltung aufweisen. Ein detailliertes Beispiel für eine vorteilhafte Schichtstruktur einer erfindungsgemäßen Vierfachsolarzelle mit Barriereschichten und Tunneldioden ist in Fig. 3 gezeigt. Das Substrat 1 besteht in diesem Fall aus p-GaSb. Die Teilzelle 2 enthält einen pn- Übergang aus GaSb sowie Barriereschichten aus n-AIGaPSb und p-AIGaSb. Die Teilzelle 3 besitzt einen pn-Übergang in GalnAs und Barriereschichten aus n-
AIGalnP und p-AIGalnAs. Die Teilzelle 4 besitzt einen pn-Übergang in (AI)GaAs und Barriereschichten aus n-AIGalnP, p-AIGaAs und p-AIGalnP. Die Teilzelle 12 besitzt einen pn-Übergang in GalnP und Barriereschichten aus n-AllnP, p- GalnP und p-AIGalnP. Die Struktur weist zudem eine metamorphe Puffer- schicht 11 aus AIGalnAs auf. Die Wafer Bond Verbindung 6 befindet sich zwischen der rückseitigen Teilzelle, welche mit einer n-AIGaPSb Bondschicht endet und der vorderseitigen Teilzelle, welche mit einer n++-GalnAsP Schicht der Tunneldiode endet. Die Teilzellen sind jeweils über Tunneldioden verbunden. Die Tunneldiode zwischen Teilzelle 2 und 3 besteht dabei aus p-GalnAsP und n-GalnAsP, die Tunneldiode zwischen Teilzelle 3 und 4 aus p-AIGaAs und n-
GaAs und die Tunneldiode zwischen Teilzelle 4 und 12 aus p-AIGaAs und n- GalnP. Die Tunneldiodenschichten sind jeweils hoch dotiert, um hohe Tunnelstromdichten zu gewährleisten. Die Solarzelle in Fig. 3 besitzt an der Vorderseite der Teilzelle 12 eine GaAs Deckschicht, welche nur unter den Kontakten verbleibt um einen geringen Kontaktwiderstand zu gewährleisten. Weiterhin einen Vorderseitenkontakt zum Beispiel aus Ni/AuGe oder Pd/Ge/Au. Die Reflexion an der Vorderseite der Solarzelle wird durch eine Antireflexschicht reduziert, welche aus dielektrischen Schichten wie TaOx, TiOx, SiN, SiOx, SiC, MgF2, AlOx besteht. Auf der Rückseite der Solarzelle wird ein flächiger Kon- takt mit einem geringen ohmschen Widerstand zum Beispiel aus Au/Zn/Au,
Pd/In, Ti/Pd/Ag/Au, Ti/Ni/Au aufgebracht.
Beispiel 1 - Herstellung von Vierfachsolarzellen
Es kann beispielsweise eine der folgenden Vierfachsolarzellen hergestellt werden: - GalnP (1.9 eV)/GaAs (1.4 eV)/GalnAs (1.1 eV)/GaSb (0.7 eV);
- GalnP (1.9 eV)/GaAs (1.4 eV)/GalnAs (1.0 eV)/GalnAsSb (0.5 eV);
- GalnP (1.9 eV) als Teilzelle 12, GaAs (1.4 eV) als Teilzelle 4, GalnAs (1.1 eV) als Teilzelle 3 und GaSb (0.7 eV) als Teilzelle 2;
- GalnP (1.9 eV) als Teilzelle 12, GaAs (1.4 eV) als Teilzelle 4, GalnAs (1.0 eV) als Teilzelle 3 und GalnAsSb (0.5 eV) als Teilzelle 2;
- AIGalnP (2.0 eV) als Teilzelle 12, AIGaAs (1.5 eV) als Teilzelle 4, GalnAs (1.1 eV) als Teilzelle 3 und GaSb (0.7 eV) als Teilzelle 2; und/oder
- AIGalnP (2.0 eV) als Teilzelle 12, GalnAsP (1.5 eV) als Teilzelle 4, GalnAs (1.1 eV) als Teilzelle 3 und GaSb (0.7 eV) als Teilzelle 2.
Die Solarzellenstruktur kann beispielsweise über die folgenden Schritte hergestellt werden:
1. ) Auf der einen Seite wird eine GalnP-, GaAs- und GalnAs-Teilzelle auf einem GaAs- oder Germanium-Substrat epitaxier (z.B. mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie);
2. ) Auf der anderen Seite wird eine GaSb- oder GalnAsSb-Unterzelle auf
Galliumantimonid Substrat gewachsen (z.B. mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie);
3. ) Polieren und/oder Reinigen der Oberflächen der rückseitigen und der vorderseitigen Teilzelle
4. ) Verbinden der beiden Strukturen aus 1.) und 2.) über Wafer-Bonden, wodurch eine Vierfachsolarzelle mit optimalen Eigenschaften entsteht (siehe Figur 1);
5. ) Entfernen von dem GaAs- oder Ge-Substrat zum Wachstum der vorderseitigen Teilzelle über ein Ablöseverfahren und ggf. recyclen des Substrates für ein weiteres Wachstum.
Beispiel 2 - Herstellung einer Fünffachsolarzelle
Fünffachsolarzellen nach der vorliegenden Erfindung können aus einer vorderseitigen Teilzelle mit pn-Übergängen in AIGalnP (2.0 eV), GalnAsP (1.6 eV) und GalnAs (1.2 eV) bestehen, wobei zwischen der GalnAsP und GalnAs Teilzelle ein metamorpher Puffer zur Überbrückung der Gitterkonstantendifferenz eingefügt ist. Die vorderseitige Teilzelle wird zum Beispiel auf Galliumarsenid Substrat epitaxiert. Die Rückseitige Teilzelle wird auf Galliumantimonid gewachsen und enthält zum Beispiel Teilzellen mit pn- Übergängen in GaPSb (0.9 eV) und GalnAsSb (0.5 eV). Zwischen der GaPSb- und GalnAsSb-Teilzelle kann eine metamorphe Pufferschicht zur Überbrückung unterschiedlicher Gitterkonstanten eingefügt sein. Die rückseitige und die vorderseitige Teilzelle werden anschließend nach der Epitaxie und ggf. notwendiger Polier- und Reinigungsschritte miteinander verbondet und das GaAs Substrat der vorderseitigen Teilzelle entfernt.

Claims

Patentansprüche
Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen, enthaltend eine rückseitige, mindestens einen pn-Übergang aufweisende Teilzelle enthaltend GaSb und eine vorderseitige und mindestens zwei pn- Übergänge aufweisende Teilzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle eine > 2 %, insbesondere > 4 %, größere Gitterkonstante aufweist als die vorderseitige Teilzelle und die beiden Teilzellen über eine optisch transparente und elektrisch leitfähige Wafer-Bond Verbindung miteinander verbunden sind.
Mehrfachsolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachsolarzelle frei von Teilzellen aus Si, SiGe und/oder Ge ist.
Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Teilzelle mindestens zwei pn-Übergänge aufweist welche AIGaAs und/oder GaAs und/oder AIGalnP und/oder GalnP enthalten oder daraus bestehen.
Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Teilzelle eine metamorphe Pufferschicht zur Veränderung der Gitterkonstante und mindestens einen pn-Übergang enthaltend GalnAs aufweist.
Mehrfachsolarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metamorphe Pufferschicht die Gitterkonstante um 1,5 % bis 3 %, insbesondere um 2 % bis 2,5 % verändert.
6. Mehrfachsolarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metamorphe Pufferschicht aus AIGalnAs oder GalnAs oder GalnP oder AIGalnP oder GaPSb besteht.
7. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Teilzelle auf einem GaAs oder Ge Wafer epitaxiert ist.
8. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Teilzelle mindestens drei pn-Übergänge aufweist, wobei mindestens zwei pn-Übergänge AIGaAs und/oder GaAs und/oder AIGalnP und/oder GalnP enthalten oder daraus bestehen und der mindestens eine weitere pn-Übergang GalnAs enthält oder daraus besteht, wobei die beiden ersten und der weitere pn-Übergang über einen metamorphen Puffer verbunden sind, welcher einen Gitterkonstantenunterschied zwischen 1-5 %, bevorzugt zwischen 2-4 % überbrückt.
9. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Teilzelle drei pn- Übergänge mit Bandlücke in den Bereichen 1.80-1.95 eV, 1.40-1.55 eV und 1.00-1.15 eV aufweist.
10. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle einen oder mehrere pn-Übergänge aufweist, welche jeweils eine Bandlückenenergie zwischen 0.50 - 1.00 eV besitzen und welche jeweils GaSb oder AIGaAsSb oder GalnAsSb oder GaPSb enthalten oder daraus bestehen.
11. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle zwei pn- Übergänge aufweist, wobei ein pn-Übergang GalnAsSb mit einer Bandlückenenergie zwischen 0.50-0.72 eV enthält oder daraus besteht.
12. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle eine metamorphe Pufferschicht zur Anpassung der Gitterkonstante enthält, wobei die metamorphe Pufferschicht insbesondere aus GalnAsSb, GalnAs, AIGalnAs, GaAsSb, AlAsSb, GaPSb und/oder AlPSb besteht. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle auf einem GaSb Wafer epitaxiert ist.
Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Teilzellen weitere Funktionsschutzschichten aufweisen, insbesondere Tunneldioden zur elektrischen Verbindung der einzelnen Teilzellen, Barriereschichten an der Front- und Rückseite der Teilzellen, hochdotierte Kontaktschichten, interne Reflexionsschichten und/oder Antireflexschichten an der Vorderseite der Zelle.
Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen zwei Teilzellen eine Tunneldiode zur elektrischen Serienverschaltung enthalten ist.
Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem
a) auf einem Substrat eine rückseitige Teilzelle enthaltend GaSb aufgewachsen wird;
b) auf einem Substrat aus GaAs oder Ge eine vorderseitige Teilzelle mit mindestens zwei pn-Übergängen aus lll-V Verbindungshalbleitern aufgewachsen wird, wobei pn-Übergänge mit ansteigender Bandlückenenergie nacheinander folgen;
c) die vorderseitige Teilzelle an der Frontseite durch einen Träger mittels einem ablösbaren Klebstoff stabilisiert und das Substrat aus GaAs oder Ge entfernt wird;
d) die Teilzellenstrukturen aus a) und c) mittels Waferbonding verbunden werden;
e) der Träger und der Klebstoff aus Schritt c) entfernt werden;
f) die Solarzelle mit Kontakten und Antireflexschicht versehen wird.
17. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem a) auf einem Substrat eine rückseitige Teilzelle enthaltend GaSb aufgewachsen wird;
b) auf einem Substrat aus GaAs oder Ge eine vorderseitige Teilzelle mit mindestens zwei pn-Übergängen aus lll-V Verbindungshalbleitern aufgewachsen wird, wobei pn-Übergänge mit abfallender Bandlückenenergie nacheinander folgen;
c) die Teilzellenstrukturen aus a) und b) mittels Waferbonding verbunden werden;
d) nach dem Waferbonding das Substrat aus GaAs oder Ge abgelöst wird;
e) die Solarzelle mit Kontakten und Antireflexschicht versehen wird
18. Verfahren zur Herstellung einer Mehrfachsolarzelle nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das GaSb Substrat der rückseitigen Teilzelle während der Prozessierung zumindest teilweise entfernt wird und die Struktur auf einen Träger, bevorzugt ein Träger aus Silicium, übertragen wird.
19. Verwendung der Mehrfachsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15 im Weltraum oder in terrestrischen Konzentratorsystemen.
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