NL8204754A - Fotovoltaische inrichting. - Google Patents

Description

* VO 3922

Fotovoltaïsche inrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een fotovoltaïsche inrichting en een werkwijze voor het vervaardigen daarvan, waarbij de inrichting wordt gevormd uit lagen van amorfe halfgeleiderlegèringèn, waarin de energiesprongen daarvan op een onmerkbare wijze kunnen worden gegra-5 deerd. De inrichtingen worden gevormd uit lagen van amorfe silicium-legeringen, die verschillende energiesprongen vertonen. Een voordeel van deze gegradeerde-materiaalbenadering is, dat de inrichtingen betere fotoresponsieve karakteristieken hebben voor het verschaffen van grotere kortsluitstromen. Een ander voorbeeld, dat later zal worden toege-10 licht, is, dat de verbeterde fotoresponsieve eigenschappen van gefluo-reerde amorfe siliciumlegeringen meer volledig kunnen worden gerealiseerd in fotovoltaïsche inrichtingen volgens de uitvinding. De uitvinding vindt zijn meest belangrijke toepassing in de vervaardiging van verbeterde uit amorfe siliciumlegeringen opgebouwde fotovoltaïsche in-15 richtingen met een p-i-n-configuratie, hetzij als enkelvoudige cellen hetzij als meervoudige cellen, welke laatste een aantal enkelvoudige celeenheden omvatten.

Het is bekend, dat het graderen van kristallijn silicium met een enkele fase een bijzonder lastige zo niet onmogelijke taak is aan-20 gezien de verschillende energiesprongen en de onjuiste roosteraanpas- singen niet op te heffen problemen introduceren. Dit is meer in het bijzonder het geval wanneer gebruik wordt gemaakt van indirecte energie-sprongmaterialen en dikke materialen nodig zijn . Bij amorfe materialen b.v. is het niet voldoende een groot stelsel van verschillende amorfe 25 lagen, welke kunnen worden gegradeerd, te gebruiken aangezien bij een fotovoltaïsche cel de belangrijke parameter is, dat het intrinsieke materiaal een zeer geringe dichtheid van toestanden heeft. Er zijn twee amorfe materialen met kleine dichtheid van toestanden, waarvan het ene een materiaal is, dat wordt verkregen uit silaan en het andere een ma-30 teriaal is, dat fluor bevat (zie b.v, het Amerikaanse octrooischrift 8204754 Λ - 2 - ^.217.37^ ea het Amerikaanse octrooischrift I».226.898). Het gefluorineep· de materiaal is in elk opzicht een heter materiaal en het zijn de intrinsieke massa-eigenschappen van dit materiaal, velke de basis vormen voor een bijzonder goede amorfe fotovoltaxsche cel. Fluor kan evenwel 5 ook een etsmiddel zijn, hetgeen zowel een bezwaar als een voordeel kan betekenen (zie b.v. de Amerikaanse octrooiaanvrage Serial No.331.259)·

In bepaalde gevallen zijn de negatieve aspecten daarvan, dat andere lagen worden aangetast, dat het intrinsieke materiaal kan worden verontreinigd doordat daarin elementen zoals boor of fosfor worden gelncorpo-10 reerd. Teneinde dit probleem te elimineren en een verbeterde cel te verschaffen wordt volgens de uitvinding het fluor ten aanzien van de betere eigenschappen daarvan gebruikt, waarbij een dunne laag van materiaal, welke geen fluor bevat, wordt toegepast voor het koppelen van een sterk gedoteerde contactlaag, die normaliter zou reageren met flu-15 or, waarbij de resulterende combinatie een aantal zeer belangrijke voordelen met zich mede brengt. Er is een minder potentiële verontreiniging van de doteermiddelen in het gefluorineerde materiaal en het niet-gefluorineerde materiaal, zoals het materiaal, dat uit silaan wordt verkregen, kan zodanig worden gekozen, dat dit een kleinere ener-20 giesprong vertoont. Hierdoor wordt de uitgangsstroom van een dergelijke inrichting met een aantal lagen vergroot. Aangezien er geen rooster is, is er ook geen onjuiste roosteraanpassing, en kunnen de beide energie-sprongen aan elkaar worden aangepast zonder het introduceren van eventuele andere materialen, welke de dichtheid van toestanden zouden kun-25 nen vergroten en derhalve de werking van de inrichting zouden kunnen degraderen. De resulterende inrichting bezit scherpe juncties en ook andere voordelen.

Silicium is de basis voor de zeer grote kristallijne-halfgelei-derindustrie en is het materiaal, dat heeft geleid tot dure kristallij-30 ne zonnecellen met hoog rendement (l8$) voor ruimtetoepassingen. Toen de kristallijne-halfgeleidertechnologie een commerciële toestand bereikte, werd het de grondslag voor de huidige zeer grote industrie voor het vervaardigen van halfgeleiderinrichtingen. Dit was een gevolg van het vermogen van de wetenschapsman om in hoofdzaak defectloos germanium 35 en meer in het bijzonder siliciumkristallen te laten groeien en deze 8204754 ...............................V.

- 3 - daarna om te zetten in extrinsieke materialen met daarin gebieden met een geleiding van het p-type en n-type. Dit geschiedde door in een dergelijk kristallijn materiaal ppx donor-(n)-of acceptor-(p)-doteermate-rialen te diffunderen, welke als substitutionele verontreinigingen in 5 de in hoofdzaak zuivere kristallijne materialen werden geïntroduceerd om de elektrische geleiding daarvan te vergroten en ervoor te zorgen, dat deze of een geleiding van het p-type of een geleiding van het n-type hadden. De vervaardigingsprocessen voor p-n-junctiekristallen omvatten bijzonder complexe, tijdrovende en dure procedures. Derhalve 10 worden deze kristallijne materialen, welke van nut zijn voor zonnecellen en stroombesturingsinrichtingen, onder zeer zorgvuldig geregelde omstandigheden vervaardigd door individuele silicium- of germaniummono-kristallen te groeien en door wanneer p-n-juncties nodig zijn, deze monokristallen te doteren met bijzonder kleine en kritische hoeveel-15 heden doteermiddelen.

Deze kristalgroeiprocessen leiden tot zo relatief kleine kristallen, dat zonnecellen een aantal enkele kristallen vereisen om het gewenste gebied van slechts een enkel zonnecelpaneel te bestrijken. De hoeveelheid energie, welke nodig is om een zonnecel volgens dit proces 20 te vervaardigen, de beperkingen, welke worden opgelegd door de afmetingen van het siliciumkristal, en de noodzakelijkheid om een dergelijk kristallijn materiaal te snijden en te monteren, hebben alle geleid tot een onmogelijke economische barrière voor het gebruik op grote schaal van kristallijne halfgeleiderzonnecellen voor energieomzetting.

25 Voorts heeft kristallijn silicium een indirecte optische rand, welke leidt tot een slechte lichtabsorptie in het materiaal. In verband met de slechte lichtabsorptie dienen kristallijne zonnecellen een dikte van tenminste 50 micron te hebben om het invallende zonlicht te absorberen. Zelfs indien het monokristallijne materiaal wordt vervangen 30 door polykristallijn silicium met een goedkoperproduktieproces, blijft de indirecte optische rand aanwezig; derhalve wordt de materiaaldikte niet gereduceerd. Het polykristallijne materiaal brengt voorts korrelgrenzen en andere defeetproblemen met zich mede.

Resumerende hebben kristallijne siliciuminrichtingen constante 35 parameters, welke niet, zoals gewenst, variabel zijn, vereisen zij gro- 8204754 m * - k - te hoeveelheden materiaal, kunnen zij slechts in relatief kleine oppervlakken worden vervaardigd en is de vervaardiging bovendien duur en tijdrovend. Inrichtingen, die op amorfe siliciumlegeringen zijn gebaseerd, kunnen deze bezwaren van kristallijn silicium elimineren. Een 5 amorfe siliciumlegering heeft een optische absorptierand met eigenschappen, welke overeenkomen met een directe-energiespronghalfgeleider en er is slechts een materiaaldikte van 1 micron of minder nodig om dezelfde hoeveelheid zonlicht te absorberen als het kristallijne silicium met een dikte van 50 micron. Voorts kunnen amorfe siliciumlegeringen 10 sneller, gemakkelijker en met grotere oppervlakken worden vervaardigd dan bij kristallijn silicium.

'Derhalve zijn veel pogingen gedaan om processen te ontwikkelen om amorfe halfgeleiderlegeringen of films te ontwikkelen, welke legeringen of films elk betrekkelijk grote gebieden kunnen omvatten en in-15 dien gewenst slechts worden begrensd door de afmetingen van de vervaar-digingsinrichting en welke op een eenvoudige wijze kunnen worden gedoteerd voor het vormen van materialen van het p-type en n-type, wanneer p-n-junetie-inrichtingen uit deze materialen moeten worden vervaardigd, welke inrichtingen equivalent zijn aan die, verkregen door hun kristal-20 lijne tegenhangers. Gedurende vele jaren zijn deze werkzaamheden in sterke mate onproduktief geweest. Amorfe silicium- of germanium- (groep IV) -films zijn normaliter viervoudig gecoördineerd en blijken micro-holten, slechte verbindingen en andere defecten te vertonen, welke leiden tot grote dichtheid van gelokaliseerde toestanden in de energie-25 sprong daarvan. De aanwezigheid van een grote dichtheid van gelokaliseerde toestanden in de energiesprong uit amorf silicium bestaande halfgeleiderfilms leidt tot een geringe mate van fotogeleiding en een kleine dragerlevensduur, waardoor dergelijke films ongeschikt zijn voor fotoresponsieve toepassingen. Bovendien kunnen dergelijke films niet 30 op een succesvolle wijze worden gedoteerd of op een andere wijze worden gemodificeerd om het Fermi-niveau dicht bij de geleidings- of valen-tiebanden te verschuiven, waardoor deze films ongeschikt zijn voor het verschaffen van p-n-juncties voor zonnecel- en stroombesturingsinrich-tingstoepassingen.

35 In een poging om de bovengenoemde problemen, welke zich voordoen 8204754 - 5 - . · J...............!.........* bij amorf silicium en germanium, tot een minimum terug te brengen, hebben W.E.Spear en P.G.Le Comber van het Carnegie Laboratory of Physics, University of Dundee, in Dundee, Schotland, werkzaamheden verricht op "Substitutional Doping of Amorphous Silicon", zoals vermeld in een 5 artikel, gepubliceerd in Solid State Communications, Vol. 17» p. 1193 -1196, 1975, teneinde de gelokaliseerde toestanden in de energiesprong in amorf silicium of germanium te reduceren om dit materiaal meer intrinsiek kristallijn silicium of germanium te maken en de amorfe materialen substitutioneel te doteren met geschikte klassieke doteermidde-10 len, zoals bij het doteren van kristallijne materialen, teneinde deze materialen extrinsiek en van het p- of n-geleidingstype te maken.

De reductie van de gelokaliseerde toestanden geschiedde door een glimontladingsneersiag van amorfe siliciumfilms waarin een gas van silaan (SiH^) door een reactiebuis werd gevoerd, waarin het gas werd 15 ontleed door een radiofrequentie-glimontlading en op een substraat werd

neergeslagen bij een substraattemperatuur van ongeveer 500 - 600°K

(227 - 327°C). Het op deze wijze op de substraat neergeslagen materiaal was een intrinsiek amorf materiaal bestaande uit silicium en waterstof.

Teneinde een gedoteerd amorf materiaal te verkrijgen werd fosforwater- 20 stofgas (PH^)1 voor een geleiding van het n-type of gasvormige diboraan (BgHg) voor een geleiding van p-type vooraf met het silaangas gemengd en onder dezelfde bedrijfsomstandigheden door de glimontladingsreactie- buis gevoerd. De gasconcentratie van de gebruikte doteermiddelen lag -6-2 tussen ongeveer 5 x 10 en 10 delen per volume. Het op deze wijze 25 neergeslagen materiaal bleek intrinsiek te zijn en van het n- of p-geleidingstype te zijn.

Ofschoon het bij deze onderzoekers niet bekend was, is het thans door het werk van anderen bekend, dat de waterstof in het silaan bij een optimale temperatuur met een groot aantal van de slechte verbindin-30 gen van het silicium tijdens de glimontladingsneersiag een combinatie aangaat teneinde de dichtheid van de gelokaliseerde toestanden in de energiesprong in hoofdzaak te reduceren teneinde de elektronische eigenschappen van het amorfe materiaal dichter in de buurt te brengen van die van het overeenkomstige kristallijne materiaal.

35 De incorporatie van waterstof bij de bovenbeschreven methode be- 8204 754 « « - 6 - zit evenwel beperkingen, welke zijn gebaseerd op de vaste verhouding van waterstof tot silicium in silaan en verschillende Si : H-bindings-configuraties, welke nieuwe anti-bindingstoestanden introduceren. Derhalve bestaan er beperkingen aan het reduceren van de dichtheid van 5 gelokaliseerde toestanden in deze materialen.

Men heeft sterk verbeterde amorfe siliciumlegeringen met op een significante wijze gereduceerde concentraties van gelokaliseerde toestanden in de energiesprongen daarvan en elektronische eigenschappen met bijzonder goede kwaliteit verkregen door een glimontlading, zoals vol-10 ledig is omschreven in het Amerikaanse octrooischrift k.226.898 en door neerslaan uit de dampfase, zoals volledig is omschreven in het Amerikaanse octrooischrift ^.217.37^. Zoals in deze octrooischriften is toegelicht, wordt fluor aan de amorfe siliciumhalfgeleiderlegering toegevoerd teneinde de dichtheid van gelokaliseerde toestanden daarin in 15 hoofdzaak te reduceren. Geactiveerde fluor diffundeert meer in het bijzonder op een eenvoudige wijze in de amorfe silicium in het amorfe lichaam en gaat een verbinding daarmede aan teneinde de dichtheid van gelokaliseerde defecttoestanden daarin in hoofdzaak te verkleinen omdat de geringe afmetingen van de fluoratomen het mogelijk maken, dat deze 20 op een eenvoudige wijze in het amorfe lichaam worden geïntroduceerd.

De fluorbindingen met de slechte verbindingen van het silicium vormen wat gemeend wordt een partiële ionische stabiele verbinding te zijn met flexibele verbindingshoeken, hetgeen leidt tot een meer stabiele en meer doeltreffende compensatie of wijziging dan door waterstof en ande-25 re compenserende of wijzigende middelen wordt verkregen. Fluor gaat ook op een voorkeurswijze een combinatie aan met silicium en waterstof, waarbij de waterstof op een meer gewenste wijze wordt benut aangezien waterstof verschillende bindingsopties heeft. Zonder fluor kan waterstof geen· verbinding op een gewenste wijze in het materiaal aangaan, 30 waardoor een extra defectstatus in de energiesprong evenals in het materiaal zelf, wordt veroorzaakt. Derhalve wordt fluor als een meer doeltreffend compenserend of wijzigend element dan waterstof beschouwd wanneer dit zowel alleen als met waterstof wordt toegepast in verband met de grote reactiviteit daarvan, de specificiteit in chemische hin-35 ding, en de grote elektronegativiteit.

8204754 "· .......* - 7 -

Bij wijze wan voorbeeld kan een compensatie met fluor alleen of in combinatie met waterstof worden verkregen door dit element (deze elementen) in zeer geringe hoeveelheden (b.v. fracties van 1 atoom-#) toe te voegen. De hoeveelheden fluor en waterstof, welke men bij voorkeur 5 toepast, zijn evenwel veel groter dan deze kleine percentages voor het vormen.van een silicium-waterstof-fluorlegering. Dergelijke legerings-hoeveelheden van fluor en waterstof kunnen b.v. liggen in het gebied van 1 - 5% of meer. Gemeend wordt, dat de op deze wijze gevormde legering een kleinere dichtheid van defecttoestanden in de energiesprong 10 heeft dan die, welke wordt verkregen door slechts de slechte verbindingen en soortgelijke defecttoestanden te neutraliseren. Gemeend wordt, dat een dergelijke grote hoeveelheid fluor, meer in. het bijzonder, in hoofdzaak deelneemt aan een nieuwe structurele configuratie van een amorf silicium bevattend materiaal en de toevoeging van andere lege-15 ringsmaterialen, zoals germanium vereenvoudigt. Gemeend wordt, dat fluor naast de andere hier genoemde eigenschappen daarvan, een organisator van lokale structuur in de silicium bevattende legering via inductieve en ioneneffecten is. Gemeend wordt, dat fluor ook de binding van waterstof beïnvloedt doordat het op een gunstige wijze de dichtheid van de-20 fecttoestanden, waaraan waterstof bijdraagt, verkleint, terwijl het tevens als een element werkt, dat de dichtheid van toestanden reduceert. Gemeend wordt, dat de ionenfunctie, welke fluor bij een dergelijke legering vervult, een belangrijke factor is in termen van de relaties tussen de meest nabij gelegen buren.

25 Amorfe siliciumlegeringen, die alleen fluor of fluor met water stof bevatten, blijken sterk verbeterde karakteristieken voor fotovol-tagetoepassingen te hebben vergeleken met amorfe siliciumlegeringen, die alleen waterstof als een element, dat de dichtheid van toestanden reduceert, bevatten. Het is evenwel gebleken, dat wanneer amorfe sili-30 ciumlegeringen, die fluor bevatten, op gedoteerde amorfe siliciumlege-ringslagen worden gebracht, b.v. door de glimontladingsneerslag van si-liciumtetrafluoride en waterstof, kleine hoeveelheden van het materiaal dat het doteermiddel van de eerder aangebrachte gedoteerde laag bevat, kunnen worden verwijderd en opnieuw met de nieuwe legeringslaag kunnen 35 worden opgebracht. Dit kan leiden tot een betrekkelijk dun gebied van 8204754 - 8 - materiaal tussen de gedoteerde laag en de intrinsieke laag met meervoudige fasen, eventueel potentiaalgradiënten en grote dichtheid van toestanden, die alle op een schadelijke wijze de elektrische en fotorespon-sieve eigenschappen van de fotovoltaïsche inrichtingen, waarbij zij 5 worden toegepast, kunnen beïnvloeden. Gemeend wordt, dat de uitgangsmaterialen voor de silicium-fluorlegering, wanneer deze in het glimontla-dingsplasma worden ontleed, etsmiddelen worden voor de eerder aangebrachte laag en kleine hoeveelheden van het materiaal verwijderen doordat deze laag wordt geëtst. Dit etsen duurt slechts een korte periode 10 totdat een begin wordt gemaakt met het opbrengen van een in hoofdzaak zuivere amorfe silicium-fluorlegering, hetgeen leidt tot het relatief dunne gebied van schadelijk materiaal tussen de twee lagen.

Het bovenstaande wordt meer in het bijzonder van belang bij de vervaardiging van fotovoltaïsche inrichtingen met een p-i-n-configura-15 tie. Inrichtingen van dit type vereisen het aanbrengen van een eerste gedoteerde laag gevolgd door het aanbrengen van een intrinsieke laag. Indien de betere eigenschappen van de amorfe silicium-fluorlegeringen volledig moeten worden verkregen, is het nodig, de intrinsieke amorfe silicium-fluor-waterstoflegeringen aan te brengen zonder dat het mate-20 riaal van de gedoteerde laag wordt verwijderd en opnieuw wordt opgebracht .

De uitvinding vóórziet in een nieuwe inrichting en werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke inrichting, waarbij alle voordelen van amorfe silicium-fluorlegeringen worden gerealiseerd in een 25 fotovoltaïsche inrichting met b.v. de p-i-n-configuratie zonder dat het eerder genoemde schadelijke gebied tussen de eerste gedoteerde laag en de intrinsieke laag wordt gevormd. Voorts kunnen de inrichtingen en de werkwijze volgens de uitvinding met succes worden toegepast in stelsels met een aantal enkelvoudige celeenheden. De uitvinding maakt het 30 verder mogelijk de energiesprongen van de intrinsieke en gedoteerde lagen zodanig in te stellen, dat de fotoresponsieve eigenschappen daarvan maximaal worden gemaakt evenals de vervaardiging van uit een amorfe halfgeleider bestaande, uit een of meer cellen opgebouwde fotovaltaïscfae inrichtingen met een groter stroomvermogen en een hoger rendement.

35 De kortsluitstroom en het rendement van de bekende uit een amor- 8204754 - '♦ - 9 - fe halfgeleider bestaande fotorespons ieve inrichtingen worden volgens de uitvinding vergroot door op een eerder aangebrachte gedoteerde amorfe halfgeleiderlegeringslaag een lichaam van intrinsieke amorfe halfgeleider legeringen aan te brengen, dat een eerste intrinsieke laag, 5 bij de gedoteerde laag, gevormd door het neerslaan van een niet-etsend uitgangsmateriaal, en een tweede intrinsieke laag, welke in samenstelling verschilt van de eerste intrinsieke laag, aan te brengen. De tweede intrinsieke laag omvat bij voorkeur silicium en fluor evenals waterstof, terwijl de eerste intrinsieke amorfe legeringslaag geen fluor 10 omvat. De eerste intrinsieke laag kan worden gevormd door de glimontla-dingsontleding van alleen silaangaa. De dikten van de eerste en tweede intrinsieke lagen worden bij voorkeur zodanig ingesteld, dat zij zijn aangepast aan de respectieve potentiaalvallen daarvan, waarbij de eerste intrinsieke laag betrekkelijk dun is vergeleken met de tweede in-15 trinsieke laag. Derhalve wordt het grootste gedeelte van de door fotonen opgewekte elektron-gatparen in de amorfe silicium-fluor-waterstof-legering, welke de voorkeur verdient, opgewekt.

De tweede intrinsieke amorfe legeringslaag kan derhalve het de voorkeur verdienende, de dichtheid van toestanden reducerende element, 20 fluor bevatten. Het compenserende of wijzigende element, fluor, en/of andere elementen kunnen tijdens het neerslaan of daarna worden toege-voegd. Derhalve kunnen alle voordelen van amorfe silicium-fluorlegerin-gen worden gerealiseerd zonder dat tussen de eerste gedoteerde laag en het intrinsieke lichaam een schadelijk gebied wordt gevormd.

25 De kortsluitstroom wordt verder vergroot omdat amorfe silicium- legeringen, welke worden aangebracht door een glimontladingsontleding van silaan zonder ènergiesprong-instelelementen een kleinere energie-sprong hebben dan amorfe silicium-fluorlegeringen, welke zijn aangebracht zonder energiesprong instellende elementen. Derhalve heeft de 30 eerste intrinsieke laag een kleinere energiesprong dan de tweede intrinsieke laag. Voorts kunnen aan de legeringen de energiesprong instellende elementen worden toegevoegd om de energiesprongen van elke legeringslaag in te stellen of de energiesprong van het gehele intrinsieke lichaam te graderen teneinde de kortsluitstroom verder te vergroten.

35 Zo kunnen bv. de energiesprong verlagende elementen, zoals germanium, 8204754 - 10 - tin of lood en de energiesprong vergrotende elementen, zoals kool of stikstof tijdens het neerslaan aan het intrinsieke legeringslichaam worden toegevoegd.

De inrichtingen en de werkwijze volgens de uitvinding kunnen ook 5 worden gebruikt voor het vervaardigen van inrichtingen met een aantal cellen, zoals tandemcellen. Ook hier weer kan, omdat de energiesprong * van de intrinsieke lagen kan worden ingesteld, het stroomopwekvermogen van elke cel maximaal worden gemaakt voor een bepaald verschillend gedeelte van het zonlichtspectrum. Derhalve kunnen ook'.meervoudige cellen 10 voor het verkrijgen van een grotere kortsluitstroom worden vervaardigd onder gebruik van de, de voorkeur verdienende intrinsieke amorfe sili-ciumlegeringen zonder dat tussen de eerste gedoteerde laag en het intrinsieke lichaam een schadelijk gebied wordt gevormd.

De uitvinding kan meer in het bijzonder worden toegepast bij het 15 vervaardigen van fotovoltaxsche inrichtingen met een p-i-n-configuratie. Op het intrinsieke lichaam wordt een verdere gedoteerde amorfe silicium-legeringslaag gebracht voor het verschaffen van een inwendig veld door de gehele intrinsieke laag teneinde het opzamelen van de door fotonen opgewekte elektron-gatparen mogelijk te maken. Men kan voor de gedoteer-20 de lagen legeringen met een grote energiesprong van het p- of n-type gebruiken en verder kan ook een reflecterend orgaan aanwezig zijn.

Derhalve is een eerste oogmerk van de uitvinding het verschaffen van een fotovoltaxsche inrichting met een aantal lagen van halfgeleider-legeringen, die op een substraat zijn aangebracht, welke inrichting een 25 grote kortsluitstroom levert en voorzien is van een lichaam van een intrinsieke amorfe halfgeleiderlaag, welke is aangebracht op een eerste gedoteerde halfgeleiderlegeringslaag, en een verdere gedoteerde amorfe halfgeleiderlegeringslaag, welke is aangebracht op de intrinsieke laag en welke laatste een tegengesteld type geleiding bezit ten opzichte 30 van de eerste gedoteerde halfgeleiderlaag, met als kenmerk, dat het intrinsieke lichaam een eerste laag bij de gedoteerde laag, en een tweede laag, waarvan de samenstelling verschilt van die van de eerste laag en welke tweede laag bij de gedoteerde legeringslaag is gelegen, omvat.

Een tweede doel van de uitvinding is het verschaffen van een uit 35 een aantal cellen opgebouwde fotovoltaxsche inrichting, welke een aan- 8204754 - 11 - tal lagen amorfe halfgeleiderlegeringen omvat, welke zijn aangebracht op een substraat, voorzien van een aantal enkelvoudige celeenheden, die in serie zijn. verbonden, waarbij elke enkelvoudige celeenheid is voorzien van een.lichaam van een intrinsieke amorfe halfgeleiderlaag, welke 5 is aangebracht op een eerste gedoteerde halfgeleiderlegeringslaag, en een verdere gedoteerde amorfe halfgeleiderlegeringslaag, welke een geleiding tegengesteld aan die van de eerst gedoteerde halfgeleiderlaag bezit, met als kenmerk, dat het intrinsieke lichaam is voorzien van een eerste laag bij de eerste gedoteerde laag, en een tweede laag, welke 10 in samenstelling verschilt van de eerste laag en bij de verdere gedoteerde laag is gelegen.

Een derde oogmerk van de uitvinding is het verschaffen van een werkwijze voor het vervaardigen van een fotovoltaische inrichting met een aantal’lagen van amorfe halfgeleiderlegeringen, welke zijn aange-15 - bracht op een substraat, waarbij een lichaam van een intrinsieke amorfe halfgeleiderlaag op een eerste gedoteerde amorfe halfgeleiderlaag wordt aangebracht en een verdere gedoteerde amorfe halfgeleiderlaag op het intrinsieke lichaam wordt aangebracht met als kenmerk, dat bij het aanbrengen van het intrinsieke lichaam een eerste intrinsieke amorfe half-20 geleiderlegeringslaag uit een niet-etsend uitgangsmateriaal op de eerste gedoteerde laag wordt gebracht en een tweede intrinsieke amorfe halfgeleiderlegeringslaag op de eerste intrinsieke laag wordt aangebracht uit een uitgangsmateriaal, dat verschilt van het niet-etsende uitgangsmateriaal.

25 De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder ver wijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig.1 een schematische voorstelling van een glimontladingsneer-slagstelsel, dat gebruikt kan worden bij het toepassen van de werkwijze volgens de uitvinding voor het vervaardigen van een fotovoltaische in-30 richting volgens de uitvinding; fig.2 een doorsnede van een gedeelte van het stelsel volgens fig.1 over de lijn II-II van fig.1; fig.3 een doorsnede van een eerste uitvoeringsvorm van een fotovoltaische p-i-n-inrichting volgens de uitvinding; 35 fig.1* een grafische voorstelling ter illustratie van het pot ent i- 8204754 -12- aalproflel in het ruimteladingsgehied van amorfe silicium-waterstof- en amorfe silicium-fluor-legeringen, welke kinnen worden gebruikt voor het instellen van de dikte van de eerste en tweede intrinsieke lagen teneinde de respectieve potentiaalvallen daarvan volgens de uitvinding 5 asm elkaar aan te passen; fig.5 een doorsnede van een andere fotovoltaische p-i-n-inrich-ting vdgens de uitvinding; fig.6 een doorsnede van een verdere uitvoeringsvorm volgens de uitvinding van een fotovoltaische p-i-n-inrichting, waarbij gebruik 10 wordt gemaakt van een lichaam van intrinsieke legeringen, dat drie intrinsieke lagen omvat; en fig.7 een doorsnede van een multipele zonnecel voorzien van een aantal fotovoltaische p-i-n-celeenheden, die volgens de uitvinding in tandemconfiguratie zijn gerangschikt.

15 Meer in het bijzonder in fig.1 vindt men een glimontladingsneer- slagstelsel 10 voorzien van een huis 12. Het huis 12 omsluit een vacuümkamer lb en is voorzien van een inlaatkamer 16 en.een uitlaatkamer 18. Een kathode-ondersteuningsonderdeel 20 is via een isolator 22 in vacuümkamer 11 gemonteerd.

20 Het ondersteuningsonderdeel 20 omvat een isolatiehuls 2U, die het ondersteuningsonderdeel 20 in omtreksrichting omgeeft. Een donkere-ruimtescherm 26 bevindt zich op een afstand van de huls 2k en omgeeft deze in omtreksrichting. Aan een binnenste uiteinde 30 van het ondersteuningsonderdeel 20 is door een houder 32 een substraat 28 bevestigd. 25 De houder 32 kan aan het ondersteuningsonderdeel 20 worden geschroefd of op een andere wijze daaraan in elektrisch contact daarmede worden bevestigd.

Het kathode-ondersteuningsonderdeel 20 bezit een holte 3^ waarin een elektrische verwarmingsinrichting 36 is ondergebracht, welke 30 dient om het ondersteuningsonderdeel 20 en derhalve de substraat 28 te verhitten. Het kathode-ondersteuningsonderdeel 20 omvat voorts een tem-peratuurresponsieve sonde 38 voor het meten van de temperatuur van het ondersteuningsonderdeel 20. De temperatuursonde 38 wordt gebruikt om de bekrachtiging van de verwarmingsinrichting 36 zodanig te regelen, 35 dat het ondersteuningsonderdeel 20 en de substraat 28 op een gewenste 8204 754 -13- temperatuur vorden gehouden.

Het stelsel 10 omvat voorts een elektrode 1*0, die zich uit het huis 12 in de vacuümkamer lU op een afstand van het kathode-ondersteu-ningsonderdeel 20 uitstrekt. De elektrode 1*0 omvat een scherm 1*2, dat 5 de elektrode 1*0 omgeeft en vaarop op zijn beurt een substraat 1*1* is gemonteerd. De elektrode 1*0 bezit een holte 1*6 waarin een elektrodever-varmingsinrichting 1*8 is ondergebracht. De elektrode 1*0 omvat ook een temperatuurresponsieve sonde 50 voor het meten van de tenperatuur van de elektrode 1*0 en derhalve de substraat UI*. De sonde 50 vordt gebruikt 10 om de bekrachtiging van de vervarmingsinrichting 1*8 zodanig te regelen, dat de elektrode 1*0 en de substraat 1*1* op een gewenste temperatuur, onafhankelijk van het onderdeel 20 vorden gehouden.

In een ruimte 52 tussen de substraten 28 en 1*1* vordt een glim-ontladingsplasma gevormd door de energie, welke vordt opgewekt uit een 15 geregelde'radiofrequente wisselstroom- of gelijkstroombron, die met het kathode-ondersteuningsonderdeel 20 over de ruimte 52 is gekoppeld met de elektrode 1*0, die geaard is. De vacuümkamer ll* wordt tot een gewenste druk geëvacueerd door een vacuuopomp 5l*, die via een deeltjes-invanginrichting 56 met de kamer ll* is gekoppeld. Met het vacuumstelsel 20 is een drukmeter 58 gekoppéd, welke gebruikt wordt om de pomp 5l* zodanig te regelen, dat het stelsel 10 op de gewenste druk wordt gehouden.

De inlaatkamer 16 van het huis 12 is bij voorkeur voorzien van een aantal leidingen 60 om materialen in het stelsel 10 te introduceren, welke materialen in het stelsel moeten vorden gemengd en in de 25 kamer ll* in de glimontladingsplasmaruimte 52 op de substraten 28 en 1*1* moeten worden neergeslagen. Indien gewenst, kan de inlaatkamer 16 zich op een verwijderde plaats bevinden en kunnen de gassen vooraf worden gemengd voordat zij aan de kamer ll* worden toegevoerd. De gasvormige materialen worden aan de leidingen 60 toegevoerd via een filter of een 30 andere reinigingsinrichting 62 en wel met een snelheid, die door een klep 61* wordt geregeld.

Wanneer een materiaal initieel niet in gasvorm verkeert doch in plaats daarvan in de vloeistof- of Vaste fase verkeert, kan het materiaal in een afgedicht vat 66 vorden ondergebracht, zoals aangegeven bij 35 68. Het materiaal 68 wordt dan verhit door een vervarmingsinrichting 70 8204754 .

- Ik - om de dampdruk daarvan in het vat 66 te verhogen. Een geschikt gas, zoals argon, wordt via een dompelbuis J2 in het materiaal 68 gevoerd teneinde de dampen van het materiaal 68 in te vangen en de dampen via een filter 62’ en een klep 6i* naar de leidingen 60 en van daaruit naar 5 het stelsel 10 te voeren.

De inlaatkamer l6 en de uitlaatkamer l8 zijn hij voorkeur voorzien van schermorganen 7^ om het plasma'.in de kamer lU en in hoofdzaak tussen de substraten 28 en bh te bepalen.

De materialen, welke via de leidingen 60 worden gevoerd, worden 10 in de inlaatkamer l6 gemengd en daarna aan de glimontladingsruimte 52 toegevoerd om het plasma te onderhouden en de legering op de substraten met de incorporatie van silicium, fluor, zuurstof en andere gewenste wijzigingselementen, zoals waterstof en/of doteermiddelen en andere gewenste materialen neer te slaan.

15 Tijdens het bedrijf wordt voor het neerslaan van lagen van in trinsieke amorfe siliciumlegeringen. het stelsel 10 eerst geëvacueerd tot een gewenste neerslagdruk, zoals minder dan 20 mtorr voordat het neerslaan plaatsvindt. De uitgangsmaterialen of reactiegassen, zoals een niet-etsend uitgangsmateriaal, zoals silaangas (SiH^) b.v. of sili-20 eiumtetrafluoride (SiF^) en moleculaire waterstof (Hg) en/of silaan worden aan de inlaatkamer 16 toegevoerd via gescheiden leidingen 60 en daarna in de inlaatkamer gemengd. Het gasmengsel wordt aan de vacuümkamer toegevoerd om daarin een partiële druk van ongeveer 0,6 torr te onderhouden. In de ruimte 52 tussen de substraten 28 en UU, wordt een 25 plasma gevormd onder gebruik van of een gelijkspanning van meer dan 1000 V of een radiofrequentvermogen van ongeveer 59 Watt bij een frequentie van 13,56 MHz of een andere gewenste frequentie.

Haast de intrinsieke amorfe siliciumlegeringen, welke op de bovenbeschreven wijze worden neergeslagen, worden bij de inrichting vol-30 gens de uitvinding, zoals weergegeven in de hierna te beschrijven verschillende uitvoeringsvormen, ook gedoteerde amorfe siliciumlegeringen gebruikt. Deze gedoteerde legeringslagen hebben een geleiding van het p-, p+-, n- of n+-type en kunnen worden gevormd door een geschikt do-teermiddel in de vacuümkamer te introduceren alleen met het niet-etsen-35 de intrinsieke uitgangsmateriaal, zoals silaan (SiH^) of het uit silici- 8204754 f" * -f ·* - 15 - umtetrafluoride (SiF^) bestaande uitgangsmateriaal en/of vaterstof en/of silaan.

Voor n- of p-gedoteerde lagen kan het materiaal worden gedoteerd met 5 tot 100 ppm doteermateriaal bij neerslaan. Voor n+- of p+-gedo-5 teerde lagen, wordt het materiaal gedoteerd met 100 ppm tot meer dan doteermateriaal bij neerslaan. De n-doteermiddelen kunnen bestaan uit fosfor, arseen, antimoon of bismuth. Bij voorkeur worden de n-gedoteer-de lagen neergeslagen door de glimontladingsontleding van tenminste si-liciumtetrafluoride (SiF^) en gasvormig fluorwaterstof (PH^). Water-10 stof en/of silaangas (SiH^) kunnen ook aan dit mengsel worden toegevoegd.

De p-doteermiddelen kunnen bestaan uit boor, aluminium, gallium, indium of thallium. Bij voorkeur worden de p-gedoteerde lagen neergeslagen door dé glimontladingsontleding van tenminste silaan en diboraan 15 ' (Bg%) of siliciumtetrafluoride en diboraan. Aan het siliciumtetrafluo- ride en diboraan kan ook waterstof en/of silaan worden toegevoegd.

De gedoteerde lagen van de inrichtingen worden neergeslagen bij verschillende temperaturen in het gebied van 200°C tot ongeveer 1000°C, afhankelijk van het gebruikte type materiaal en het gebruikte type 20 substraat. Voor aluminiumsubstraten dient de bovenste temperatuur niet hoger te zijn dan ongeveer 600°C en voor roestvrij staal dient deze boven ongeveer 1000°C te liggen. Voor de intrinsieke en gedoteerde legeringen, welke initieel worden gecompenseerd met waterstof, zoals b.v. die, welke worden neergeslagen uit een uit silaangas bestaand uitgangs-25 materiaal, dient de substraattemperatuur lager te zijn dan ongeveer 1*00°C en bedraagt deze bij voorkeur ongeveer 300°C.

Men kan ook andere materialen en legeringselementen aan de intrinsieke en gedoteerde lagen toevoegen om een optimale stroomopwekking te verkrijgen. Deze andere materialen en elementen zullen hierna in 30 verband met de verschillende inrichtingsconfiguraties volgens de uitvinding, weergegeven in de fig.3 en 5 t/m 7 nader worden beschreven.

Fig.3 toont in'doorsnede een eerste uitvoeringsvorm van een p-i-n-inrichting volgens de uitvinding. De inrichting 80 omvat een substraat 82, welke kan bestaan uit glas of een buigzaam lichaam gevormd uit 35 roestvrij staal of aluminium. De substraat 82 heeft een gewenste breedte 8204754 - 16 - en lengte en heeft bij voorkeur een dikte van 0,08 mm. Op de substraat is een isolatielaag 8U neergeslagen door middel van een gebruikelijk proces, zoals chemisch neerslagproces, neerslaan uit de dampfase of anodiseren in het geval van een aluminiumsubstraat. De laag 8U b.v,, 5 welke een dikte van ongeveer 5 micron heeft kan bestaan uit een metaal-oxyde. Voor een aluminiumsubstraat bestaat de laag bij voorkeur uit aluminiumoxyde (AlgO^) en voor een uit. roestvrij staal bestaande substraat kan de laag bestaan uit siliciumdioxyde (Si02) óf een andere geschikte glassoort.

10 Een elektrode 86 is in een of meer lagen op de laag 8U neerge slagen om een basiselektrode voor de cel 80 te vormen. De laag of lagen van de elektrode 86 worden neergeslagen uit de damp fase, hetgeen een betrekkelijk snel neerslagproces is. De elektrodelagen zijn bij voorkeur reflecterende metalen elektroden bestaande uit zilver, molybdeen, 15 aluminium, chroom, koper of roestvrij staal voor een zonnecel van een fotovoltalsche inrichting. De reflecterende elektrode verdient de voorkeur aangezien bij een zonnecel niet-geabsorbeerd licht, dat de inrichting passeert, door de elektrodelagen 86 wordt teruggekaatst, waardoor het licht de inrichting opnieuw passeert, welke inrichting dan meer 20 van de lichtenergie absorbeert, waardoor het rendement van de inrichting wordt verhoogd,

De substraat 82 wordt dan in een glimontladingsneerslagomgeving geplaatst. Op de substraat wordt een eerste gedoteerde amorfe silicium-legeringslaag 88 neergeslagen. De laag 88, als aangegeven, omvat een 25 p+-gebied 88a en een p-gebied 88b. Het p+-gebied is zo dun mogelijk en heeft een dikte van de orde van 50 tot 150 ft, hetgeen voor het p+-ge-bied voldoende is om een goed ohms contact te maken met de elektrode 86, Het p-gebied 88b heeft een dikte van de orde van 50 tot 500 ft en dient voor het tot stand brengen van een potentiaalgradiënt over de inrich-30 ting teneinde het opzamelen van door fotonen geïnduceerde elektron-gat-paten als een elektrische stroom te vereenvoudigen. Het p+-gebied 88a en het p-gebied 88b kunnen worden neergeslagen uit elk van de gasmengsels, welke boven reeds zijn genoemd voor het neerslaan van een dergelijk materiaal, 35 Een lichaam 90 van een intrinsieke amorfe siliciumlegering wordt 8204754.

W~-:----- - 17 - vervolgens op de eerste gedoteerde laag 88 gebracht. Het intrinsieke lichaam 90 omvat een eerste laag 90a bij de eerste gedoteerde laag 88 en een tweede laag 90b. De eerste intrinsieke laag 90a is betrekkelijk dun, van de orde van 500 8, en wordt uit een niet-etsend uitgangsmate-5 riaal, zoals silaangas (SiH^) neergeslagen. De tweede intrinsieke laag 90b is betrekkelijk dik, van de orde van ^500 8, en wordt uit silicium-tetrafluoride en waterstof en/of silaan neergeslagen. In verband met de aanwezigheid van de eerste intrinsieke laag worden de uit siliciun-tetrafluoride gedissocieerde plasmaspeciês niet blootgesteld aan eer-10 der neergeslagen gedoteerd materiaal om te etsen en opnieuw te worden neergeslagen. De tussen de eerste gedoteerde laag 88 en het intrinsieke lichaam gevormde junctie omvat derhalve geen smal gebied van schadelijk materiaal met een grote dichtheid van toestanden, potentiaalgradiënten of mengfasen. Het grootste gedeelte van het intrinsieke lichaam bevat 15 echter de amorfe siliciumlegering waaraan de voorkeur wordt gegeven, gecompenseerd met fluor, waar het grootste gedeelte van de elektron-gatparen wordt gevormd. Derhalve wordt de kortsluitstroom van de inrichting vergroot door de gecombineerde invloed van de schone junctie tussen de eerste gedoteerde laag 88 en het intrinsieke lichaam 90, en 20 doordat het elektron-gat vormende gedeelte in hoofdzaak een amorfe si-licium-fluorlegering is.

Op het intrinsieke lichaam 90 wordt bij de tweede intrinsieke laag 90b een verdere gedoteerde laag 92 gebracht, waarvan het gelei-dingstype tegengesteld is aan dat van-de eerste gedoteerde laag 88, 25 De laag 92 omvat een n-geleidingsgebied 92a en een n+-geleidingsgebied 92b. Het n-gebied en het n+-gebied worden neergeslagen uit een van de eerder genoemde gasmengsels voor het neerdaan van een dergelijk materiaal. Het n-gebied 92a wordt aangebracht tot een dikte tussen 50 en 500 8. Het n+-gebied 92b wordt opgebracht tot een dikte tussen 50 en 30 150 8 en wel als een contactlaag.

Een transparante geleidende oxyde-(TC0)-laag 9^ wordt dan op de verdere gedoteerde laag 92 gebracht. De TCO-laag 9^ kan in een damp-neerslagomgeving worden opgebracht en kan b.v. bestaan uit indiumtin-oayde (ITO), cadmiumstannaat (CdgSnO^), of gedoteerd tinoxyde (SnOg).

35 Op het oppervlak van de TCO-laag 9^ wordt een roosterelektrode 8204754 - 18 - 96 bestaande uit een metaal met goede elektrische geleiding opgebracht. De rooster kan bestaan uit loodrecht op elkaar staande lijnen van geleidend materiaal, die slechts een klein gedeelte van het oppervlak van het metallische gebied in beslag nemen, van welk gebied de rest kan worden 5 blootgesteld aanzonne-energie. Zo.kan de rooster 96 b.v. slechts ongeveer 5 tot 10# van het gehele oppervlak van het metallische gebied 152 innemen. De roosterelektrode 96 zamelt op een uniforme wijze stroom uit de TCO-laag 9^ op teneinde een goede kleine serieweerstand voor de inrichting te verzekeren.

10 Om de inrichting 80 te voltooien, wordt over de roosterelektrode 96 en de gebieden van de TCO-laag 9^ tussen de roosterelektrodegebieden een antireflectie-(AR)-laag 98 aangebracht. De AR-laag 98.heeft een oppervlak 100 waarop de zonnestraling invalt. De AR-laag 98 kan b.v. een dikte van de orde van grootte van de golflengte van het maximale 15 energiepunt van het zonnestralingsspectrum, gedeeld door viermaal de brekingsindex van de antireflectielaag 98 bezitten. Een geschikte AR-laag 98 bestaat uit zirkoonoxyde met een dikte van ongeveer 500 X en een brekingsindex van 2,1.

De kortsluitstroom van de inrichting wordt ook vergroot omdat de 20 eerste en tweede intrinsieke lagen 90a en 90b verschillende energie-sprongen bezitten. De energiesprong van de laag 90a, welke uit een amorfe silicium-waterstoflegering bestaat, is ongeveer 1,6 tot 1,7 eV terwijl de energiesprong van de laag 90b, welke uit een amorfe silicium-fluorlegering bestaat, ongeveer 1,7 tot 1,8 eV is. Derhalve is de ener-25 giesprong van de tweede intrinsieke laag 90b groter dan de energiesprong van de eerste intrinsieke laag 90a. Hierdoor kan een meer doeltreffend gebruik van de invallende zonne-energie voor het opwekken en opzamelen van elektron-gatparen worden verkregen.

De energiesprong van de intrinsieke laag 90a en 90b kan voor be-30 paalde fotoresponsieve karakteristieken worden ingesteld. Zo kunnen b.v. een of meer de energiesprong verlagende elementen, zoals germanium, tin of lood, in de eerste intrinsieke laag 90a worden opgenomen om de energiesprong daarvan te verlagen (zie b.v. het Amerikaanse octrooischrift 4.3^2.0½). Dit kan b.v. geschieden door germaangas (GeH^) aan het gas-35 mengsel waaruit de laag 90a wordt neergeslagen, toe te voeren. Verder 8204754 .

jp·. " ·’;:· ··---; - 19 - kunnen een of meer de energiesprong vergrotende elementen, zoals stikstof of koolstof, in de tweede intrinsieke laag 90b worden opgenomen om de energiesprong daarvan te vergroten (zie b.v. de Amerikaanse octrooiaanvrage Serial No,206.kj6). Dit kan b.v.. geschieden door ammoniak-5 gas (ΝΗ3) of methaan (CH^) in het gasmengsel waaruit de laag 90b wordt verkregen, toe te voeren.

Teneinde een vol voordeel van de nieuwe en verbeterde inrichtingen volgens de uitvinding te trekken, is het zeer gewenst de dikten van de eerste en tweede intrinsieke lagen 90a en 90b zodanig in te 10 stellen, dat de respectieve potentiaalvallen daarvan bij het schei- dingsvlak van de lagen aan elkaar worden aangepast. Dit blijkt het best uit een verwijding naar fig.h, welke het potentiaalprofiel van de amorfe silicium-waterstoflegering en de amorfe silicium-fluor-waterstof-legering in het ruimteladingsgebied daarvan, verkregen door een 15 Schottky-barrière 102, illustreert.

De verarmingsbreedte van de amorfe silicium-waterstoflegering is weergegeven met W1 en de verwarmingsbreedte van de amorfe silicium-fluorlegering is weergegeven door Wg. Opgemerkt wordt, dat voor een dikte d1 van de eerste intrinsieke a-Si:F-legeringslaag de resulterende 20 potentiaalval wordt voorgesteld door een punt 10k. De juiste dikte van de tweede intrinsieke a-Si:F-legeringslaag wordt bepaald door de onderschepping van het a-Si:F-potentiaalprofiel met de door het punt 10k bepaalde potentiaalval. Dit leidt tot het punt 106. De dikte van de intrinsieke a-Si:F-legeringslaag moet zo groot zijn, dat deze zich vanuit 25 het punt 106 naar het eind van de verarmingsbreedte daarvan uitstrekt. Derhalve moet de dikte van de tweede intrinsieke laag gelijk zijn aan i dg voor een aanpassing aan de potentiaalval van de eerste intrinsieke legeringslaag.

Fig.5 toont een andere inrichting 110 volgens de uitvinding. De 30 inrichting 110 komt overeen met die volgens fig.3, behoudens wat betreft de substraatconfiguratie en een omkering van de p- en n-type lagen. De substraat 112 van de inrichting 110 kan b.v. bestaan uit glas of roestvrij staal en is voorzien van een reflecterende laag. De reflecterende laag llU kan door een van de eerder beschreven processen voor 35 een dergelijke laag worden neergeslagen en kan b.v. worden gevormd uit 820 4 754.

- 20 - zilver, aluminium of koper.

Op de reflecterende laag lik bevindt zich een eerste gedoteerde laag 116, welke, als aangegeven, een n+-geleiding heeft. De n+-laag ll6 kan een, de energiesprong vergrotend element, zoals stikstof of 5 koolstof omvatten voor het vormen van een n+-laag met grote energiesprong.

Een intrinsiek lichaam 118 wordt op de n+-laag 116 neergeslagen en omvat evenals het intrinsieke lichaam 90 van de inrichting 80 een eerste amorfe intrinsieke Si:H-legeringslaag ll8a gevormd uit een niet-10 etsend uitgangsmateriaal, zoals silaan, en een tweede amorfe intrinsieke legeringslaag ll8b, welke in samenstelling verschilt van de eerste laag 118a. De tweede intrinsieke laag 118b is hij voorkeur een amorfe silicium-fluorlegering met een zodanige dikte, dat de potentiaalval van de laag 118b is aangepast aan de potentiaalval van de laag 118a.

15 Op het intrinsieke lichaam 118 is een verdere gedoteerde laag 120 aangebracht, waarvan de geleiding tegengesteld is aan die van de eerste gedoteerde laag ll6. Derhalve heeft de verdere gedoteerde laag 120 een p+-geleiding en bestaat deze bij voorkeur uit een p+-laag met grote energiesprong, waarin koolstof en/of stikstof aanwezig is.

20 De inrichting wordt voltooid door op de p+-laag 120 een TCO-laag 122 te vormen, op de TCO-laag 122 een roosterelektrode 12h te vormen en daarop een antireflectielaag 126 aan te brengen. Deze stappen kunnen • worden uitgevoerd op een wijze, zoals dit voor de inrichting 80 volgens fig.3 is beschreven.

25 Evenals in het geval van de voorafgaande uitvoeringsvorm kunnen de energiesprongen van een of beide van de intrinsieke lagen ll8a'en ll8b voor een bepaalde fotoresponsiekarakteristiek worden ingesteld door het in de lagen opnemen van de energiesprong vergrotende of verkleinende elementen. Voorts kunnen de p+-laag 120 en de n+-laag 116 wor-30 den omgekeerd, zodat de p+-laag zich bij de substraat bevindt en de n+-laag zich bij de tweede intrinsieke laag ll8b bevindt.

Als een ander alternatief kan de energiesprong van het intrinsieke lichaam 118 zodanig worden gegradeerd, dat deze geleidelijk vanaf het scheidingsvlak tussen de eerste gedoteerde laag ll6 en de eerste .35 intrinsieke laag ll8a toeneemt naar de verdere gedoteerde laag 120 (zie 82 0 A 75 4 Γ-:-:--:-- . - .- 21 - ' · b.v. de Amerikaanse octrooiaanvrage Serial No. 206.579). Wanneer de eerste en tveede intrinsieke lagen U8a en 118b worden neergeslagen, kunnen b.v. een of meer de energiesprong verkleinende elementen, zoals ger-manium, tin of lood, in een geleidelijk afnemende concentratie in de 5 legeringen worden opgenomen.:.Zo kan b.v. germaangas (GeH^) in de glim-ontladingsneerslagkamer eerst bij een relatief hoge concentratie worden toegevoerd en daarna geleidelijk worden verminderd naarmate de intrinsieke lagen worden neergeslagen tot een punt, waarop deze introductie wordt beëindigd. Het resulterende intrinsieke lichaam zal derhalve een 10 de energiesprong verlagend element hebben, zoals germanium, dat daarin wat concentratie betreft geleidelijk afneemt van het scheidingsvlak van de eerste intrinsieke laag 118a en de eerste gedoteerde laag 116 naar de verdere gedoteerde laag 120.

ïlg.6 toont, dat elk willekeurig aantal intrinsieke lagen kan 15 worden gebruikt voor het vormen van het intrinsieke lichaam. Hier omvat een inrichting 13Q een substraat 132 gevormd uit een metaal met goede geleiding, zoals roestvrij staal. Op de substraat bevindt zich een p+-laag 13^. Op de p+-laag 13^ wordt een intrinsiek, lichaam 136 gevormd en op het intrinsieke lichaam wordt een n+-laag 138 gebracht. De inrich-20 ting wordt voltooid door het vormen van een TCO-laag lUO, een elektrode-rooster 1^2 en een antireflectielaag lM*.

Het intrinsieke lichaam 136 omvat drie intrinsieke amorfe sili-ciumlegerihgslagen 136a, 136b en 136c. De eerste intrinsieke laag 136a wordt neergeslagen uit een niet-etsend uitgangsmateriaal, zoals silaan, 25 voor het vormen van een a-Si:H-legering. De tweede intrinsieke laag 136b en de derde intrinsieke laag 136c bestaan bij voorkeur uit a-Si:F-lege-ringen. De dikte van de intrinsieke lagen 136a, 136b en 136c wordt bij voorkeur zodanig gekozen, dat de potentiaalval van de laag 136b is aangepast aan de potentiaalval van de laag 136a, en de potentiaalval van 30 de laag 136c is aangepast aan de potentiaalval van de laag 136b. Deze keuze kan tot stand worden gebracht op een wijze, zoals deze voor de po-tentiaalprofielen volgens fig.k is beschreven.

De energiesprongen van de drie intrinsieke lagen kunnen worden ingesteld op een wijze, zoals eerder is toegelicht. Wanneer de inrich-35 ting 130 een oppervlak 1½ bezit, waarop stralingsenergie kan invallen, 8204 754 - 22 - kan de energiesprong van de derde laag 136c worden vergroot b.v. door in de laag 136c stikstof of koolstof op te nemen. De energiesprong van de tweede intrinsieke laag 136b kan of de intrinsieke energiesprong van ongeveer 1,9 eV daarvan zijn of iets zijn verlaagd door het opnemen 5 van germanium, tin of lood. De energiesprong van de eerste intrinsieke laag 136a kan in een sterkere mate worden verlaagd door het daarin op-nemen van hogere percentages van een of meer de energiesprong verlagende elementen, zoals germanium, tin of lood.

I In fig.7 is een inrichting 150 met een aantal cellen in door-10 snede afgebeeld, waarbij een tandemconfiguratie is toegepast. De inrichting 150 omvat twee enkelvoudige celeenheden 152 en 15^, die volgens de uitvinding in serie zijn verbonden. Het is duidelijk, dat meer enkelvoudige celeenheden kunnen worden toegepast.

De inrichting 150 omvat een substraat 156 bestaande uit een me-15 taal met goede elektrische geleiding, zoals roestvrij staal of aluminium. De eerste celeenheid 152 omvat een eerste gedoteerde amorfe sili-ciumlegeringslaag 158 van het p+-type, welke op de substraat 156 is neergeslagen. De p+-laag kan worden neergeslagen uit een van de eerder genoemde uitgangsmaterialen voor het aanbrengen van een dergelijk mate-20 riaal.

Op de p+-laag bevindt zich een eerste intrinsiek amorf silicium-legeringslichaam l6o. Het eerste intrinsieke legeringslichaam l60 omvat volgens de uitvinding een eerste intrinsieke laag l60a en een tweede intrinsieke laag l60b. De eerste intrinsieke laag 160a wordt neerge-25 slagen uit een niet-etsend uitgangsmateriaal, zoals silaan. De tweede intrinsieke laag l60b wordt neergeslagen uit een ander uitgangsmateriaal en bestaat bij voorkeur uit een amorfe silicium-fluorlegering. De dikte van de tweede laag 160b wordt bij voorkeur zodanig gekozen, dat de spanningsval van de laag l60b is aangepast aan de spanningsval van 30 de laag l60a.

Op de tweede intrinsieke laag l60b bevindt zich een verdere gedoteerde amorfe siliciumlegeringslaag 162. Deze heeft een geleiding tegengesteld aan die van de eerste gedoteerde laag 158 en is derhalve een n+-laag.

35 De tweede cel 15^ is in wezen identiek en omvat een eerste gedo- 8204754 p----------—— - 1 .........— : ......--.- Λ' - ._f- t - 23 - teerde p+-laag 1614, een intrinsiek lichaam 166 met een eerste intrinsieke laag l66a en een tweede intrinsieke laag l66b, waarvan de potentiaal vallen aan elkaar zijn aangepast, en een verdere gedoteerde n+-laag 168. De inrichting 150 wordt voltooid door een TCO-laag ITO, 5 een roosterelektrode 172 en een antireflectielaag 17^.

Evenals in het geval van de eerder beschreven inrichting kan het geleidingstype van de respectieve gedoteerde lagen worden omgekeerd.

Voorts kan de gedoteerde laag 168 een gedoteerde laag mèt grote energie-sprong zijn doordat een of meer de energiesprong vergrotende elementen 10 zoals stikstof of koolstof, daarin worden geïntroduceerd op een wijze, zoals eerder is toegelicht.

De energiesprongen van de intrinsieke lagen worden bij voorkeur zodanig ingesteld, dat de energiesprong van de laag l66b groter is dan de energiesprong van de laag l66a, de energiesprong van de laag l66a 15 groter is dan de energiesprong van de laag l60b, en de energiesprong van de laag l60b groter is dan die van de laag l60a. Hiertoe kan de legeringsvormingslaag l66b een of meer de energiesprong vergrotende elementen, zois stikstof en koolstof, bevatten. De legering vormende laag l66a kan in een kleinere concentratie ook een of meer de energie-20 sprong vergrotende elementen omvatten. De intrinsieke legeringen waaruit de intrinsieke lagen l60b en l60a bestaan, kunnen een of meer de energiesprong verkleinende elementen, zoals germanium, tin of lood bevatten.

De concentratie van het de energiesprong verkleinende element of elementen in de legering vormende laag l60a is groter dan.de concentratie van 25 deze elementen in de legering van de laag l60b. Bij het instellen van de energiesprongen van de intrinsieke lagen l66b, l66a, löOb en l60a in de bovengenoemde volgorde, kan het natuurlijk gewenst zijn een van de intrinsieke legeringslagen in het midden van de inrichting, in dit geval de laag l60b of l66a niet in te stellen.

30 Uit de figuur blijkt, dat elke intrinsieke laag van elke eenheids- cel dikker is dan de overeenkomstige eerste intrinsieke laag voor het verkrijgen van een potentiaalval-aanpassing. Verder wordt opgemerkt, dat de eerste en tweede intrinsieke lagen van de celeenheid 15^ dunner zijn dan de overeenkomstige eerste en tweede intrinsieke lagen van de 35 celeenheid 152. Hierdoor kan het gehele bruikbare spectrum van de zonne- 8204754.

- 2h - energie worden gebruikt voor bet vormen van elektron-gatparen.

Ofschoon hier een tandemceluitvoeringsvorm is weergegeven en beschreven, kunnen de eenheidcellen ook ten opzichte van elkaar worden geïsoleerd door oxydelagen om b.v. een gestapelde multipele cel te vor-5 men. Elke cel kan een paar opzamelelektroden omvatten om de serieverbin-ding van de cellen met een uitwendige bedrading te vereenvoudigen.

Als een ander alternatief, en vermeld ten aanzien van de eerder beschreven enkelvoudige cellen, kunnen een of meer van de intrinsieke lichamen van de eenheidscellen legeringen met gegradeerde energiespron-10 gen bezitten. Een of meer van de energiesprong vergrotende of verkleinende elementen, welke eerder zijn genoemd, kunnen voor dit doel in de intrinsieke legeringen zijn opgenomen. Verder wordt hier verwezen naar de Amerikaanse octrooiaanvrage Serial No. 206.579.

Voor elke hier beschreven uitvoeringsvorm volgens de uitvinding 15 kunnen de legeringslagen, welke verschillen van de intrinsieke legerings-lagen, anders zijn dan amorfe lagen, zoals polykristallijne lagen.

(Met de uitdrukking "amorf” wordt bedoeld een legering of een materiaal dat een desorganisatie met groot bereik heeft ofschoon het materiaal desorganisaties met een kort of middelmatig bereik kan hebben en soms 20 zelfs enige kristallijne inclusies kan bevatten.) 8204754.

Claims (21)

1. Fotovoltaisehe inrichting bestaande uit een aantal lagen van halfgeleiderlegeringen, welke zijn. aangebracht op een substraat, welke in een vergrot* kortsluitstroom voorziet, welke inrichting is voorzien van een eerste gedoteerde halfgeleiderlegeringsl&ag, die op de sub- 5 straat is gebracht, een lichaam van een intrinsieke amorfe halfgeleider-legering, dat op de gedoteerde laag is gebracht, en een verdere gedoteerde half geleiderlegeringslaag, die op het intrinsieke lichaam is gebracht en ten opzichte van eerstgenoemde gedoteerde amorfe halfgeleider-legeringslaag een tegengesteld geleidingstype bezit, met het kenmerk, 10 dat het intrinsieke lichaam (90, 118, 136, l6o, 166) is voorzien van een eerste laag (90a, 118a, 136a, l60a, l66a) bij de genoemde gedoteer- ' ’ de laag, gevórmd door het neerslaan van een niet-etsend uitgangsmateriaal, en het intrinsieke lichaam voorts is voorzien van een tweede intrinsieke laag (90b, ll8b , 136b, 160b, 166b) die in samenstelling van 15 de eerstgenoemde laag verschilt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elk van de eerste (90a, ll8a, 136a, l60a, l66a) en tweede (90b, ll8b, 136b, l60b, l66b) intrinsieke legeringslagen een energiesprong vertoont, waarbij de energiesprong van de tweede intrinsieke legeringslaag verschilt van de 20 energiesprong van de eerste intrinsieke legeringslaag.

3. Inrichting volgens conclusie 2,.met het kenmerk, dat de energiesprong van de tweede intrinsieke legeringslaag (90b, 118b, 136b, l60b, l66b) groter is dan de energiesprong van de eerste intrinsieke legeringslaag (90a, 118a, 136a, 160a, l66a).

25 Inrichting volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat tenminste een van de gedoteerde half gelei derlegeri ngslagen (88, 92, 116, 120, 13k, 138, 158, 162, l6U, 168) polykristallijn is.

5. Inrichting volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de gedoteerde halfgeleiderlegeringslagen (88, 92, ll6, 120, 13U, 30 138, 158, 162, l6k, 168) amorf zijn.

6. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het intrinsieke amorfe legeringslichaam (90, ll8, 136, l60, 166) een energiesprong 8204754 - 26 - bezit, waarbij de energiesprong vanaf het schei dings vlak van de eerste gedoteerde legeringslaag (88, ll6, 13¾, 158, 16¾) en de eerste intrinsieke legeringslaag (90a, 118a, 136a, löOa, l66a) naar de verdere gedoteerde legeringslaag (92, 120, 138, l60, 166) varieert.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de energie sprong vanaf het scheidingsvlak van de eerste gedoteerde legeringslaag (88, ll6, 13¾, 158, l6U) en de eerste intrinsieke legeringslaag (90a, 118a, 136a, l60a, l66a) naar de verdere gedoteerde legeringslaag.(92, 120, 138, 162, 168) toeneemt.

8. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de gedoteer de (88, 92, ll6, 120, 13¾» 138, 158, 162, 16¾, 168) en intrinsieke amorfe legeringslagen (90a, 90b, 118a, 118b, 136a, 136b, l60a, l60b, l66a, l66b) tenminste silicium omvatten.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de tweede 15 intrinsieke amorfe siliciumlegeringslaag (90b, 118b, 136b, l60b, l66b) tenminste êen de dichtheid van toestanden reducerend element omvat, welk element fluor is.

10. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de eerste intrinsieke amorfe siliciumlegeringslaag (90a, ll8a, 136a, l60a, l66a) 20 wordt neergeslagen door de glimontladingsontleding van tenminste een silicium bevattend gas.

11. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk , dat de tweede intrinsieke amorfe siliciumlegeringslaag (90b, ll8b, 136b, léOb, l66b) wordt neergeslagen door de glimontladingsontlading van tenminste silici- 25 umtetrafluoride (SiF^).

12. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de tweede intrinsieke laag (90b, ll8b, 136b, l60b, l66b) een vooraf bepaalde dikte heeft voor aanpassing van de spanningsval van de eerste intrinsieke laag (90a, 118a, 136a, l60a, l66a).

13. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste intrinsieke laag (90a, 118a, 136a, l60a, l66a) relatief dun is vergeleken met de dikte van de tweede intrinsieke laag (90b, 118b, 136b, l60b, l66b). 1¾. Uit een aantal cellen opgebouwde fotovoltaïsche inrichting be-35 staande uit multipele lagen van amorfe halfgeleiderlegeringen, welke 8204754. —:— ------- - 27 - zijn. aangebracht op een substraat, welke inrichting is voorzien van een aantal enkelvoudige celeenheden, die in serie zijn verbonden, waarbij elke enkelvoudige celeenheid is voorzien van een eerste gedoteerde amorfe halfgeleiderlegeringslaag, een lichaam van een intrinsieke amor-5 fe halfgeleiderlegering, dat op de gedoteerde laag is gebracht, een verdere gedoteerde amorfe halfgeleiderlegeringslaag, welke op het intrinsieke lichaam is gebracht en waarvan de geleiding tegengesteld is aan die van de eerstgenoemde gedoteerde amorfe halfgeleiderlegeringslaag, met het kenmerk, dat het intrinsieke lichaam (90, 118, 136, l60, 10 166) is voorzien van een eerste laag (l60a, l66a) bij de gedoteerde laag, gevormd door het neerslaan van niet-etsend uitgangsmateriaal, en het intrinsieke lichaam verder is voorzien van een tweede intrinsieke laag (l60b, l66b), die in samenstelling verschilt van de eerste laag. 15» Inrichting volgens conclusie I!*, met het kenmerk, dat elk van de 15 eerste (l60a, l66a) en tweede (l60b, l66b) intrinsieke legeringslagen van elke celeenheid (152, 15*0 een energiesprong bezit, waarbij de ener-giesprong van de tweede intrinsieke legeringslaag van een bepaalde celeenheid groter is dan de energiesprong van de eerste intrinsieke legeringslaag van de bepaalde celeenheid.

16. Inrichting volgens conclusie lU, met het kenmerk, dat de gedo teerde (88, 92, 116, 120, 13^, 138, 158, 162, l6U, 168) en intrinsieke (90a, 90b, 118a, 118b, 136a, 136b, l60a, l60b, l66a, l66b) amorfe legeringslagen van elke celeenheid tenminste silicium bevatten. 17* Inrichting volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de tweede 25 intrinsieke amorfe siliciumlegeringslaag (90b, U8b, 136b, l60b, 166b) van elke celeenheid is voorzien van tenminste één, de dichtheid van toestanden reducerend element, welk element fluor is.

18. Inrichting volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de eerste intrinsieke amorfe siliciumlegeringslaag (90a, 118a, 136a, l60a, l66a) 30 van elke celeenheid is neergeslagen door de glimontladingsontleding van tenminste silaangas (SiH^).

19. Inrichting volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de tweede intrinsieke amorfe siliciumlegeringslaag (90b, 118b, 136b, l60b, l66b) van elke celeenheid is neergeslagen door de glimontladingsontleding 35 van tenminste siliciumtetrafluoride (SiF^). 8204754 - 28 -

20. Inrichting volgens conclusie lU, met het kenmerk, dat de tveede intrinsieke laag (l60b, l66b) van elke celeenheid (152, 15^) een vooraf bepaalde dikte heeft om de spanningsval van elke tweede intrinsieke laag aan te passen aan de spanningsval van elke overeenkomstige eerste 5 intrinsieke laag (l60a, l66a).

21. Inrichting volgens conclusie 20, met het kenmerk, dat de eerste intrinsieke lagen (90a, ll8a, 136a, l60a) relatief dun zijn vergeleken met de dikte van de tweede intrinsieke lagen (90b, 118b, 136b, l60b).

22. Werkwijze voor het vervaardigen van een fotovoltaische inrich-10 ting met een aantal lagen van amorfe halfgeleiderlegeringen, die op een substraat zijn opgebracht, waarbij een eerste gedoteerde amorfe halfge-leiderlegeringslaag op de substraat wordt neergeslagen, een lichaam van een intrinsieke amorfe halfgeleiderlegeringslaag op de eerste gedoteerde laag wordt neergeslagen, een verdere gedoteerde amorfe halfgeleider-15 legeringslaag op de intrinsieke laag wordt neergeslagen uit een doterend uitgangsmateriaal, dat de verdere gedoteerde laag wat geleiding betreft tegengesteld maakt aan de eerste gedoteerde amorfe halfgeleiderlegeringslaag, met het kenmerk, dat bij het neerslaan van de intrinsieke laag een eerste intrinsieke amorfe halfgeleiderlegeringslaag op de ge-20 doteerde laag uit een niet-etsend uitgangsmateriaal wordt neergeslagen en een tweede intrinsieke amorfe halfgeleiderlegeringslaag op de eerste intrinsieke laag wordt neergeslagen uit een uitgangsmateriaal, dat in samenstelling verschilt van het niet-etsende uitgangsmateriaal.

23. Werkwijze volgens conclusie 22, met het kenmerk, dat het uit- 25 gangsmateriaal voor het neerslaan van de eerste intrinsieke amorfe half-geleiderlaag (90a, ll8a, 136a, l60a, l66a) silaangas (SiH^) omvat. 2k. Werkwijze volgens een der conclusies 22 of 23, met het kenmerk, dat het uitgangsmateriaal van de tveede intrinsieke laag siliciumtetra-fluoridegas (siF^) omvat.

25. Werkwijze volgens conclusie 2k, met het kenmerk, dat het uit gangsmateriaal van de tweede intrinsieke laag verder waterstof en/of silaangas (SiH^) bevat. 8204754