SE454225B - Fotovoltiskt don samt anvendning av donet - Google Patents

Description

454 225 2 för halvledardon. Detta var beroende av vetenskapsman- 3 nens förmåga att odla väsentligen felfria germaniumkris- taller och särskilt kiselkristaller samt sedan omforma dessa till material med störledning i områden med led- 'fi- I ningsförmâga av P-typ och N-tYP- Detta àstadkoms genom att dopningsmedelsmaterial av donatortyp (N) eller accep- tortyp (P) diffunderades in i dessa kristallina material i miljontedelar såsom substituerande störämnen i de väsentligen rena kristallina materialen i och för ökning av deras elektriska ledningsförmàga och för att ge dent ledningsförmäga av antingen P- eller N-typ. Tillverk- ningsprocesserna för framställning av PN-övergàngskris- taller inbegriper extremt komplicerade, tidskrävande och dyrbara förfaranden. Dessa kristallina material, som är användbara i solceller och strömreglerdon, fram- ställes således under noggrant reglerade förhållanden genom odling av enskilda monokristaller i kisel eller germanium och genom dopning av dessa enkristaller med extremt smá och kritiska,dopningsmedelsmängder, när PN-övergångar erfordras.

Dessa kristallodlingsförlopp ger sådana relativt små kristaller att solceller kräver sammansättande av många enkristaller för att omfatta den önskade arean för endast en enda solcellspanel. Den nödvändiga energi- mängden för att framställa en solcell i denna process, den begränsning som förorsakas av kiselkristallens stor- leksbegränsningar samt nödvändigheten av att skära till och sammansatta ett sådant kristallint material har samtliga resulterat i ett omöjligt ekonomiskt hinder mot storskalig användning av kristallina halvledarsol- celler för energiomvandling. Kristallint kisel har vida- re en indirekt optisk kant, som resulterar i dålig ljus- absorption i materialet. Pâ grund av den dåliga ljusab- sorptionen måste kristallina solceller vara åtminstone , S0 um tjocka för att absorbera det infallande solljuset. Även om enkristallmaterialet ersättes av polykristallint kisel med billigare framställningsprocesser, kvarstår fortfarande den indirekta optiska kanten, varför mate- '15 454 225 3 terialtjockleken ej reduceras. Det polykristallina mate- rialet innehàller också korngränser och andra problema- tiska defekter, som normalt är skadliga.

Kristallina kiseldon har sammanfattningsvis fasta parametrar, vilka ej är variabla på önskat sätt, kräver stora materialmängder, endast kan framställas med rela- tivt små areor samt är dyrbara och tidskrävande att framställa. Användningen av på amorfa kisellegeringar baserade don kan eliminera dessa nackdelar med kristal- lint kisel. En amorf kisellegering har en optisk absorp- tionskant med egenskaper, som liknar de för en halvleda- re med direkt gap, och enbart en materialtjocklek pà l um eller mindre är nödvändig för absorbering av samma solljusmängd som kristallint kisel med en tjocklek pà 50 um. Amorfa kisellegeringar kan vidare tillverkas snabbare, enklare och med större areor än vad kristal- lint kisel kan.

Avsevärda ansträngningar har följaktligen gjorts för att utveckla processer för att enkelt avsätta amorfa halvledarlegeringar eller filmer, som vardera enligt önskan kan omfatta relativt stora areor, anbart begrän- sade av storleken av avsättningsutrustningen, och som lätt skulle kunna dopas för att bilda material av P-typ och N-tvp, då framställning skall ske av PN-övergàngs- don, vilka är ekvivalenta med de som framställes genom deras kristallina motsvarigheter. Under många år var detta arbete i huvudsak utan resultat. Amorfa kisel- eller germaniumfilmer (grupp IV) är normalt fyrfaldigt koordinerade och befanns ha mikroskopiska hàlrum och “dinglande" bindningar samt andra defekter, som ger hög täthet av lokala tillstànd i deras energigap. Före- komsten av hög täthet av lokala tillstànd i energigapet för amorfa kiselhalvledarfilmer resulterar i làggradig fotoledningsförmàga samt kort livslängd för laddnings- bärare, vilket gör dessa filmer olämpliga för fotokäns- liga tillämpnngar. Dessa gàngsrikt dopas eller på skjutning av Fermi-nivån filmer kan dessutom ej fram- annat sätt modifieras för för- nära intill lednings- eller lS 454 225 4 valensbanden, vilket gör dem olämpliga för framställning av PN-övergångar för solcells- eller strömreglerdons- tillämpningar.

I ett försök att minimera de ovan nämnda med amorft kisel (som ursprungligen troddes vara elementärt) sam- manhängande problemen utförde W. E. Spear och P. G.

Le Comber vid Carnegie Laboratory of Physics, University of Dundee, Dundee, Skottland, visst arbete beträffande "Substitutional Doping of Amorphous Silicon", som rap- porterats i en artikel, publicerad i Solid State Commu- nications, volym 17, sid 1l93~l196, 1975, i syfte att reducera de loka tillstánden i energigapet i amorft kisel för att få detta att närmare efterlikna egenle- dande, kristallint kisel samt att pà substituerande sätt dopa de amorfa materialen med lämpliga, klassiska dopmedel, såsom vid dopning av kristallina material, för att göra dem störledande samt ledande av P- eller N-typ.

Reduceringen av de lokala tillstànden àstadkoms ge- nom glimurladdningsavsättning av amorfa kiselfilmer, var- vid en silangas (SiH4) fördes genom ett reaktionsrör, där gasen sönderdelades genom en radiofrekvent glimurladdning samt avsattes pà ett substrat vid en substrattemperatur på ungefär soo-soo°x (227-327°c). net pa substrateç sa avsatta materialet var ett egenledande amorft material, bestående av kisel och väte. För àstadkommande av ett dopat amorft material blandades en fosfingas (PH3) för ledningsförmàga av N-typ eller en diborangas (BZHG) för ledningsförmåga av P-typ i förväg med silangasen samt fördes genom glimurladdningsreaktionsröret under samma driftsförhållanden. Gaskoncentrationen av de an- vända dopmedlen låg mellan ungefär 5°l06 och 10-2 volym- delar. Det så avsatta materialet visades vara störledan- de samt ledande av N- eller P-typ.

Ehuru dessa forskare ej kände till det är det nu genom andras arbete känt att vätet i silanet vid en optimal temperatur kombinerar med manga av de "ding- lande" bindningarna i kislet under glimurladdningsav- 454 225 sättningen för att väsentligt minska tätheten av de lokala tillstånden i energigapet i syfte att bringa det amorfa materialets elektroniska egenskaper att när- mare approximera egenskaperna hos motsvarande kristal- lina material.

Införlivandet av väte i ovannämnda förfarande har emellertid begränsningar på grundval av det fasta för- hâllandet mellan väte och kisel i silan samt en mängd olika Si:H-bindningskonfigurationer, som inför nya bind- ningshindrande tillstànd. Det finns därför grundläggande begränsningar vid reducering av tätheten av lokala till- stånd i dessa material.

Kraftigt förbättrade amorfa kisellegeringar med väsentligt minskade koncentrationer av lokala tillstànd i legeringarnas energigap samt högkvalitativa elektro- niska egenskaper har framställts genom gjimurladdning, såsom fullständigt beskrivet i US-patentskriften 4 226 898, och genom avsättning från ángfasen, såsom fullständigt beskrivet i US-patentskriften 4 217 374. Såsom avslöias i dessa patentskrifter, till vilka härmed hänvisas, införes fluor i den amorfa kiselhalvledarlegeringen för att väsentligt minska tätheten av lokala tillstànd däri. Aktiverat fluor binder särskilt lätt vid kisel i den amorfa stommen för att väsentligt minska tätheten av lokala feltillstànd däri, eftersom fluoratomernas ringa storlek, höga reaktionsförmàga och specificitet i kemisk bindning gör det möjligt för dem att åstadkomma en mer felfri, amorf kisellegering; Fluoret binder vid kislets dinglande bindningar och bildar vad som tros vara en övervägande jonisk stabil bindning med flexibla bindningsvinklar, vilket resulterar i en mer stabil och mer effektiv kompensering eller förändring än vad som bildas av väte och andra kompenserande eller föränd- rande medel. Fluor kombinerar också pà föredraget sätt med kisel och väte, varvid väte utnyttjas pà ett mer önskvärt sätt, eftersom väte har åtskilliga bindnings- val. Utan fluor kan väte ej binda på ett önskvärt sätt i materialet utan förorsakar extra feltillstànd i band- 454 225 6 gapet liksom i själva materialet. Fluor anses därför vara ett mer effektivt, kompenserande eller förändrande ämne än väte, när det utnyttjas ensamt eller tillsammans med väte, detta på grund av dess höga reaktionsförmåga, specificitet i kemisk bindning samt höga elektronega- tivitet.

Som ett exempel kan kompensering uppnås med fluor enbart eller i kombination med väte med tillägget av detta eller dessa ämnen i mycket små mängder (t ex bråk- delar av en atom-3). De mängder av fluor och väte som _ är mest önskvärda att använda är emellertid mycket större än dessa små procenttal, så att en kisel-väte-fluorlege- ring bildas. Dessa legerande mängder av fluor och väte kan exempelvis ligga i området l-5% eller större. Det är troligt att den legering som bildas på så sätt har en lägre täthet av defekta tillstånd i energigapet än vad som uppnås genom blott och bart neutralisering av dinglande bindningar och likartade defekta tillstånd.

Denna större mängd av fluor tros särskilt väsentligen delta i en ny strukturkonfiguration av ett amorft kisel innehållande material samt underlättar tillägget av andra legerande material, såsom germanium. Utöver sina andra ovan nämnda egenskaper är det troligt att fluor organiserar den lokala strukturen i den kisel innehål- lande legeringen genom induktiva och joniska effekter.

Det är troligt att fluor också inverkar på vätebindning- en genom att på ett gynnsamt sätt verka för minskning av tätheten av defekta tillstànd, som väte bidrar till samtidigt som det verkar som ett tillståndstäthetsredu- cerande ämne. Den joniska roll som fluor spelar i en sådan legering tros vara en betydelsefull faktor ut- tryckt i förhållandena till närmsta granne.

Amorfa kisellegeringar, som innehåller fluor, har således visat kraftigt förbättrade egenskaper för foto- cellstillämpningar, detta i jämförelse med amorfa kisel- legeringar, som innehåller bara väte enbart som ett För att dra full fördel av dessa amorfa kisellegeringar, som innehåller tillståndstäthetsreducerande ämne. 454 225 7 fluor, är det emellertid, då de användes för bildande av de aktiva områdena i fotovoltiska don, nödvändigt att säkerställa att största möjliga del av de tillgäng- liga fotonerna absorberas däri för effektiv alstring av elektron-hálpar.

Det ovanstående är betydelsefullt i t ex fotovoltiska don av PIN-konfigurationen. Don av denna typ har dopade skikt av P- och N-typ på motstående sidor av ett aktivt, egenledande skikt, där elektron-hålparen alstras. De upprättar en potentialgradient över donet för underlät; tande av separationen av elektronerna och hålen samt bildar också kontaktskikt för underlättande av uppsam- lingen av elektronerna och hålen som elektrisk ström.

Alla de tillgängliga fotonerna absorberas ej av de aktiva områdena under en enda passering genom dessa.

Fastän nästan alla fotonerna med kortare våglängd ab- sorberas under den första passeringen, absorberas ej en stor del av fotonerna med längre våglängd, t ex foto- ner med våglängder på 6000 Å eller mer. Förlusten av dessa oabsorberade fotoner sätter en gräns på de kort- slutningsströmmar som kan åstadkommas. För att hindra förlusten av dessa fotoner med längre våglängd har bakre reflektorer, som bildats av ledande metaller, utnyttjats för att reflektera det ej använda eller ej absorberade ljuset tillbaka in i donens aktiva områden.

Skikten av P- och N-typ är ledande och kan, åtmins- tone i fallet med skiktet av P-typ ha ett brett bandgap för minskning av fotonabsorptionen. En bakre reflektor är därför ytterst fördelaktig, då den användes i förening med ett skikt av P-typ med brett bandgap, vilket skikt bildar ett sådant dons övre skikt. Bakre reflektorer är också fördelaktiga, då P-skiktet med brett bandgap bildar donets undre skikt. I båda fallen tjänar de bakre reflekterande skikten till att reflektera ej använt ljus tillbaka in i donets egenledande område för att medge ytterligare utnyttjande av solenergin för alstring av ytterligare elektron-hàlpar. Ett bakre reflekterande skikt tillåter en större del av de tillgängliga fotonerna 454 225 8 att passera in i det aktiva egenledande skiktet och absorberas i detta.

Olyckligtvis har den tidigare teknikens bästa bakre reflektorer kunnat reflektera endast ungefär 80% av det ej använda ljuset tillbaka in i donen, 1 vilka de utnyttjas. Sådana metaller som koppar och aluminium har föreslagits som möjliga material till bakre reflek- torer, eftersom de är kraftigt reflekterande. Dessa metaller kan emellertid diffundera in i halvledaren i donen, i vilka de utnyttjas, och härvid ofördelaktigt påverka donens fotokänslighetsegenskaper. Som följd härav har andra, mindre reflekterande metaller utnytt- jats som bakre reflektorer. Dessa mindre reflekterande metaller inbegriper molybden och krom. Fastän dessa metaller ej diffunderar in i donens halvledare, kan de ej ge reflektionsförmâgan hos de mer högreflekte- rande metallerna. Detta gäller särskilt då de mindre reflekterande metallerna gränsar till ett sådant mate- rial som amorfa kisellegeringar, som har ett högt bryt- ningsindex. Den tidigare teknikens bakre reflektorer reflekterar dessutom det ej använda ljuset tillbaka in i de aktiva områdena i samma riktning som den ur- sprungliga infallsriktningen (under förutsättning av vinkelrätt infall). Efter att ha reflekterats tíllåtes således ljuset, som ej absorberas under den andra passe- ringen, att undfly. Allt ljus absorberas därmed ej.

Eftersom ljuset passerar vinkelrätt mot de aktiva omrä- dena, måste de aktiva områdena också ha tillräcklig tjocklek för att medge effektiv absorption. Pà grund av att minoritetsladdningsbärarnas diffusionslängd är ändlig kan emellertid det aktiva området ej göras god- tyckligt tjockt. Om det aktiva områdets tjocklek ökas avsevärt bortom diffusionslängden för uppnàende av vä- sentlig absorption, kommer rekombinationseffekter att överväga och göra det svårt att effektivt samla upp de fotoalstrade laddningsbärarna som elektrisk ström.

Det finns därför ett behov av,bättre fotovoltiska don, vilka inte endast ger större utnyttjande av det infal- 454 225 9 lande ljuset utan också en effektivare uppsamling av de laddningsbärare som skapas i donens aktiva område eller områden.

Genom uppfinningen har nya och förbättrade fotovol- tiska don framkommit, vilka ger både ökat ljusutnytt- jande för skapande av elektron-hålpar och effektivare uppsamling av laddningsbärarna. Föreliggande uppfinning åstadkommer principiellt organ för att rikta åtminstone en del av den infallande strålningen genom det eller de aktiva områdena i en vinkel, som är tillräcklig för att innestänga det riktade ljuset inuti donen och vä- sentligt öka absorptionen. Föreliggande uppfinning tillå- ter vidare att de aktiva områdena göres tunnare för reducering av rekombinationseffekter. Föreliggande upp- finnings strålningsriktare kan utnyttjas 1 vilken som helst form av fotovoltisk cell och är särskilt använd- bara i tunnfilmssolceller i såväl fotovoltiska enkel- cellsdon av PIN-konfiguration som multipelcellskonstruk- tioner med ett flertal enkelcellsenheter.

Föreliggande uppfinning åstadkommer nya och förbätt- rade fotovoltiska don med riktorgan för infallande strål- ning för att rikta åtminstone en del av den infallande strålningen genom det eller de aktiva områdena, där laddningsbärarna skapas, i en tillräcklig vinkel för att i huvudsak instänga den riktade strålningen inuti de fotovoltiska donen. För vinkelrätt infallande strål- ning riktar stràlningsriktorganen strålningen genom det eller de aktiva områdena i vinklar, som åtminstone kritiska vinkeln), vars luft dividerat med bryt- som bildar det eller de är större än den vinkeln (den sinus är brytningsindexet för ningsindexet för det material aktiva områdena. Föreliggande uppfinnings riktorgan för infallande ljus åstadkommer ett flertal ljuspasse- ringar inuti de aktiva områdena i donen, i vilka de utnyttjas, för möjliggörande av väsentligen total ab- sorption gamtidigt som en mer fullständig uppsamling av elektron-hålparen säkerställes.

Strålningsriktarna kan vara antingen slumpmässigt 454 225 eller periodiskt reflekterande eller transmitterande konstruktioner. De slumpmässigt och periodiskt reflek- terande konstruktionerna är volymreflektorer. En slump- mässig ytreflektor kan exempelvis vara en skrovlig reflek- terande yta av aluminium, guld, silver, koppar eller annat högreflekterande material. En periodisk ytreflektor kan vara ett reflekterande brytningsgitter och företrädes- vis ett ljusstarkt (blazed) diffraktionsgitter. Gitterkon- stanten kan optimeras för reflektion av ljus av förut- _ bestämda våglängder och gittrets form och höjd kan opti- meras för val av ordningen och reflektansordningsstor- lekarna enligt önskan för uppnàende av intern reflektion vid önskade materialgränsytor.

Den slumpmässiga volymreflektorn kan exempelvis vara en kropp av keramiskt material, såsom titandioxid, zinkselenid, aluminiumoxid, zinksulfid, selen och ki- selkarbid, eller en kropp av emaljmaterial. Kornen och de slumpmässigt fördelade fasetterna av de polykristal- lina komponenterna i dessa material ger slumpmässiga reflektioner fràn materialens volym. Den periodiska volymreflektorn kan exempelvis vara ett hologram. Över var och en av ovannämnda volymreflektorer kan ett överdrag av en genomsynlig ledare, såsom en genomsyn- lig ledande oxid, avsättas. När dessa reflektorer utnyttjas som substraten för donen, tjänstgör de genomsynliga, ledande oxiderna som ett kontaktskikt. Den genomsynliga, ledande oxiden kan exempelvis vara indiumtennoxid, kad- miumstannat'eller dopad tennoxid.

Genom att rikta ljuset genom det eller de aktiva områdena i större vinkel än den kritiska vinkeln för en gränsyta mellan luft och det aktiva områdets mate- rial kommer det riktade ljuset att reflekteras internt och i huvudsak innestängas i donen. Strálningsriktarna enligt föreliggande uppfinning möjliggör därför i huvud- sak total absorption av ljuset för alstringen av elektron- hálparen inuti donen.

Föreliggande uppfinning är särskilt användbar i 454 225 ll fotovoltiska don av PIN-konfiguration. Sådana don inne- fattar ett egenledande, aktivt halvledaromràde, där fotoalstrade elektron-hâlpar skapas, samt dopade områ- den av motsatt ledningsförmàga anordnade på var sin av motstàende sidor av det egenledande omrâdet. Det aktiva, egenledande omrâdet är företrädesvis en amorf kisellegeringsstomme eller -skikt, som innehåller fluor som ett tillstàndstäthetsreducerande ämne. De dopade områdena innefattar också företrädesvis ett amorft ki- sellegeringsskikt av P-typ med brett bandgap, vilket _ skikt bildar antingen donets övre eller dess undre halv- ledarskikt. I vartdera fallet är amorfa halvledaromrá- den företrädesvis avsatta pà stràlningsreflektorerna med skiktet av den genomsynliga ledaren anordnat mellan stràlningsriktaren och det undre, dopade skiktet. I överensstämmelse med föreliggande uppfinning kan alter- nativt en genomsynlig stràlningsriktare anordnas pà det övre dopade skiktet. En sådan genomsynlig strål- ningsriktare kan exempelvis vara ett transmissionsdiff- raktionsgitter.

I huvudsak alla fotonerna med kortare våglängd absor- beras 1 de aktiva, egenledande områdena under en första passering genom dessa, medan endast en del av fotonerna med längre våglängder än ungefär 6000 Å absorberas.

De periodiska reflektorerna kan optimeras för dessa längre våglängder för optimering av riktningen av foto- nerna av längre våglängd. För detta ändamål kan den diffraktionsvinkel som diffraktionsgittret ger bestäm- mas ur sambandet: = sin-1 ml nd d är gitterkonstanten, A är den minsta fotonvàglängd i vakuum som ”Diff där skall böjas, n är brvtningsindexet för det medium, i vilket gittret avböjer strålningen, och m är diffraktionsordningen.

De bakre reflektorsystemen enligt föreliggande Äpp- 454 225 12 finning kan utnyttjas i multipelcellsdon, såsom tandem- celler.

Ett första ändamål med uppfinningen är följaktligen att åstadkomma ett fotovoltiskt don, som är bildat av halvledarmaterial innefattande åtminstone ett aktivt område, som infallande strålning kan träffa för alstring av laddningsbärare. Enligt uppfinningen har detta don de i patentkravet l angivna kännetecknen och användningen av det har de i patentkravet 12 angivna särdragen. _ Den föredragna utföringsformen av föreliggande upp- finning skall nu beskrivas som exempel under hänvisning till medföljande ritningar. Fig l är en schematisk bild av ett glimurladdningsavsättningssystem, som kan utnytt- jas för framställning av fotocellsdonen eller de foto- voltiska donen enligt uppfinningen. Fig 2 är en tvär- snittsvy av en del av systemet i fig 1 längs linjen 2-2 i denna figur. Fig 3 är en tvärsnittsvy i schematisk form och visar ett fotovoltiskt don enligt föreliggande uppfinning, som åskådliggör de allmänna principerna för och fördelarna med föreliggande uppfinning. Fig 4 är en tvärsnittsvy av ett fotovoltiskt PIN-don, inne- fattande en slumpmässig ytreflektor enligt föreliggande uppfinning. Fig 5 är en tvärsnittsvy av ett fotovoltiskt PIN-don, innefattande en slumpmässig volymreflektor enligt föreliggande uppfinning. Pig 6 är en tvärsnittsvy av ett fotovoltiskt PIN-don, innefattande en periodisk ytreflektor enligt föreliggande uppfinning. Fig 7 är en tvärsnittsvy av ett fotovoltiskt PIN-don, innefat- tande en genomsynlig riktare för infallande ljus enligt föreliggande uppfinning. Fig 8 är en tvärsnittsvy av ett fotovoltiskt PIN-don, innefattande en periodisk volymreflektor enligt föreliggande uppfinning. Fig 9 är en tvärsnittsvy av en multipelcell, innefattande ett flertal fotovoltiska PIN-cellenheter anordnade i tandemform, vilken multipelcell innefattar ett strål- ningsriktorgan enligt föreliggande uppfinning. Pig 10 är en tvärsnittsvy av ett annat tandemdon, innefattande 454 225 13 en periodisk ytreflektor enligt föreliggande uppfinning.

Pig ll är en tvärsnittsvy av ett fotovoltiskt PIN-don, vilket är konstruerat i överensstämmelse med ännu en annan utföringsform av föreliggande uppfinning.

I fig 1, vartill nu särskilt hänvisas, visas ett glimurladdningsavsättningssystem 10 med ett hus 12.

Huset 12 omsluter en vakuumkammare 14 och innefattar en inloppskammare 16 samt en utloppskammare 18. Ett katodhållarelement 20 är monterat i vakuumkammaren 14 _ medelst en isolator 22.

Hållarelementet 20 innefattar en isolerande hylsa 24, som i omkretsled omsluter hàllarelementet 20. En mörk rymdskärm 26 är skild från och omger i omkretsled hylsan 24. Ett substrat 28 är fäst vid en inre ände 30 av hàllarelementet 20 medelst ett fästorgan 32. Fäst- organet 32 kan vara fastskruvat vid eller pà annat kon- ventionellt sätt fastgjort vid hâllarelementet 20 i elektrisk kontakt med detta.

Katodhållarelementet 20 innefattar en hålighet 34, i vilken ett elektriskt värmeelement 36 är infört'för uppvärmning av hàllarelementet 20 och därmed substratet 28. Katodhàllarelementet 20 innefattar också en tempera- turkänslig sond 38 för mätning av hàllarelementets 20 temperatur. Temperatursonden 38 utnyttjas för att styra strömmatningen av värmeelementet 36 för att bibehålla hàllarelementet 20 och substratet 28 pà någon önskad temperatur.

Systemet 10 innefattar också en elektrod 40, vilken sträcker sig från huset 12 in i vakuumkammaren 14 skilt fràn katodhàllarelementet 20. Elektroden 40 innefattar en skärm 42, som omger elektroden 40 och som i sin tur uppbär ett pà skärmen monterat substrat 44. Elektroden 40 innefattar en hålighet 46, i vilken ett elektrodvärme- element 48 är infört. Elektroden 40 innefattar också en temperaturkänslig sond 50 för mätning av temperaturen hos elektroden 40 och därmed substratet 44. Sonden 50 454 225 14 utnyttjas för att styra strömmatningen av värmeelementet 48 för bibehållande av elektroden 40 och substratet 44 på någon önskad temperatur oberoende av elementet 20.

Ett glimurladdningsplasma utvecklas i ett utrymme 52 mellan substraten 28 och 44 av den effekt som alstras från en reglerad radiofrekvens-, växelströms- eller likströmskälla, som är kopplad till katodhållarelemen- tet 20, över utrymmet S2 till elektroden 40, som är kopplad till jord. Vakuumkammaren evakueras till det önskade trycket medelst en vakuumpump 54, som är kopp: lad till kammaren 14 via en partikelfälla 56. En tryck- mätare 58 är kopplad till vakuumsystemet och utnyttjas för att styra pumpen 54 att hålla systemet l0 vid det önskade trycket.

Husets 12 inloppskammare 16 är företrädesvis försedd med ett flertal rörledningar 60 för införande av material i systemet 10, vilka material skall blandas i systemet och avsättas i kammaren 14 i glimurladdningsplasmautrym- met 52 på substraten 28 och 44. Om önskat kan inlopps- kammaren l6 vara belägen på ett avlägset ställe och gaserna kan blandas i förväg, innan de matas in i kam- maren 14. De gasformiga materialen matas in i rörled- ningarna 60 via ett filter eller annat reningsdon i en medelst en ventil 64 styrd hastighet.

Då ett material från början ej är i gasform utan istället i vätskeform eller fast form, kan det placeras i en sluten behållare 66, såsom angivet vid hänvisnings- numret 68. Materialet 68 upphettas då medelst ett värme- element 70 för höjning av dess ángtryck i behållaren 66. En lämplig gas, såsom argon, matas genom ett ned- doppat rör 72 in i materialet 68 för att fånga ångorna av materialet 68 och transportera àngorna genom ett filter 62' och en ventil 64' in i rörledningarna 60 och därmed in i systemet 10.

Inloppskammaren 16 och utloppskammaren 18 är före- trädesvis försedda med skärmorgan 74 för att begränsa plasmat 1 kammaren 14 och detta i princip till utrymmet mellan substraten 28 och 44. 454 225 De genom rörledningarna 60 inmatade materialen blan- das i inloppskammaren 16 och matas sedan in i glimur- laddningsutrvmmet 52 för upprätthållande av plasmat och avsättning av legeringen på substraten med inför- livandet av kisel, fluor, syre och andra önskade föränd- ringsämnen, såsom väte, och/eller dopmedel eller andra önskade material.

För avsättning av skikt av egenledande, amorfa ki- sellegeringar pumpas i drift systemet 10 först ned till ett önskat avsättningstryck, såsom mindre än 20 mtorr,- före avsättningen. Utgángsmaterialen eller reaktions- gaserna, såsom kiseltetrafluorid (SiF4) och molekylärt väte (H2) och/eller silan, matas in 1 inloppskammaren 16 via separata rörledningar 60 samt blandas sedan i inloppskammaren. Gasblandningen matas in i vakuumkamma- ren för upprätthållande av ett partialtryck i denna pá ungefär 0,6 torr. Ett plasma alstras i utrymmet 52 mellan substraten 28 och 44 under användning av ettdera eller bàaa av en större likspänning än soo v eller en radiofrekvenseffekt pà ungefär 10-15 W vid en frekvens pà 13,56 MHz eller annan önskad frekvens.

Utöver de egenledande, amorfa kisellegeringarna, avsatta på det ovan beskrivna sättet, utnyttjar donen enligt föreliggande uppfinning, såsom åskàdliggjord i de olika, längre fram beskrivna utföringsformerna, också dopade, amorfa kisellegeringar, som innefattar amorfa P-kisellegeringar med brett bandgap. Dessa dopa- de legeringsskikt kan ha ledningsförmåga av P-, P+-, N- eller N+-typ samt kan bildas genom införande av ett lämpligt dopmedel i vakuumkammaren tillsammans med det egenledande utgángsmaterialet, såsom silan (SiH4), eller utgångsmaterialet kiseltetrafluorid (SiF4) och/eller väte och/eller silan.

För N- eller P-dopade skikt kan materialet vara dopat med 5-100 ppm av dopmedelsmaterialet, då det av- sättes. För N+- eller P+-dopade skikt dopas materialet med 100 ppm till över l% av dopmedelsmaterialet, då det avsättes. N-dopmedlen kan vara fosfor, arsenik, 454 225 16 antimon eller volfram. De N-dopade skikten avsättes företrädesvis genom g1imurladdningssönderdelning av åtminstone kiseltetrafluorid (SiF4) och fosfin (PH3). väte och/eller silangas (SiH4) kan också tilläggas denna blandning.

P-dopmedlen kan vara bor, aluminium, gallium, indium eller tallium. De P-dopade skikten avsättes företrädes- vis genom glimurladdningssönderdelning av åtminstone silan och diboran (BZHG) eller kiseltetrafluorid och diboran. väte och/eller silan kan också adderas till kiseltetrafluorid och diboran.

Utöver det ovan angivna och i överensstämmelse med v u» föreliggande uppfinning bildas skikten av P-typ av amorfa kisellegeringar, som innehåller åtminstone ett bandgaps- ökande ämne. Som exempel kan kol och/eller kväve inbe- gripas i legeringarna av P-typ för att öka deras band- gap. En amorf kisellegering med brett bandgap kan exem- pelvis bildas av en gasblandning av kiseltetrafluorid (SiF4), silan (SiH4), diboran (BZHG) och metan (CH4).

Detta resulterar i en amorf kisellegering av P-typ med ett brett bandgap.

Dönens dopade skikt avsättes vid olika temperaturer i beroende av det material som skall avsättas och det använda substratet. För aluminiumsubstrat bör den övre ' temperaturen ej ligga över ungefär 600°C och för rost- fritt stål skulle den kunna ligga över ungefär l000°C.

För de egenledande och dopade legeringarna, som från början kompenseras med väte, exempelvis de som avsättes från utgàngsmaterialet silan, bör substrattemperaturen vara lägre än ungefär 400°C och företrädesvis mellan 2so°c och 3oo°c.

Andra material och legeringsämnen kan också adderas till de egenledande och dopade skikten för uppnâende av optimal strömalstring. Dessa andra material och äm- nen kommer att beskrivas längre fram i samband med de olika donkonfigurationer enligt föreliggande uppfinning som är âskådliggjorda i fig 4-10.

I fig 3, vartill nu hänvisas, åskådiggöres en väsent- 454 225 17 ligen schematisk tvärsnittsvy ett.fotovoltiskt don 80, till vilket hänvisning sker här för underlättande av en allmän förståelse av särdragen hos och fördelarna med föreliggande uppfinning. Donet 80 kan ha vilken som helst form för ett fotovoltiskt don och kan exem- pelvis vara ett PIN-don, ett PN-don eller ett Schottky- barriärdon. Donet innefattar en stomme 82 av halvledar- material, som kan vara kristallint, polykristallint eller amorft halvledarmaterial eller någon kombination av dessa. Såsom kommer att beskrivas med hänvisning _ till fiq 4-lb är stommen 82 av halvledarematerial före- trädesvis men ej nödvändigtvis en amorf kisellegering, innefattande åtminstone ett aktivt område, där fotogene- rerade elektron-hål skapas.

Halvledarmaterialstommen 82 är anordnad på strål- ningsriktorgan 84, som kan vara ledande eller överdrag- na med ett ledande material, såsom en genomsynlig, le- dande oxid, för bildande av en bottenkontakt till donet 80. över halvledarstommen 82 ligger ett skikt 86 av ledande material, såsom en genomsynlig, ledande oxid (TCO). TCO-skiktet kan exempelvis bestå av indiumtenn- oxid, kadmiumstannat eller dopad tennoxid. Pâ det le- dande skiktet 86 är ett gailermönster 88 avsatt. Gall- ret 88 kan vara ett flertal ortogonalt relaterade lin- jer av en ledande metall samt täcka ungefär 5-10% av skiktets 86 ytarea. Skiktet 86 och gallret 88 tjänstgör som den övre kontakten för donet. över gallret 88 och det ledande skiktet 86 är ett antireflexskikt (AR) 90 avsatt. Skikt av denna typ skall beskrivas närmare i detalj längre fram. Ett glasinkapslingsskikt kan lika väl användas istället för AR-skiktet 90.

Såsom framgår av fig 3 är strålningsriktorganen 84, halvledarstommen 82, det ledande skiktet 86 och AR-beläggningen 90 samtliga i huvudsak plana och bil- dar i huvudsak parallella gränsytor 94, 96 och 98. Do- nets 80 strålningsinfallsvta 92 och gränsvtorna 94, 96 och 98 är anordnade att mottaga infallande ljus, _representerat av den streckade stràllinjen 100 i huvud- 454 225 18 sak i rät vinkel.

Hos den tidigare teknikens bakre reflektorer är stràlens 100 fotoner, vilka ej absorberas i halvledar- kroppen 82 under den andra eller reflekterade passe- ringen därigenom, fria att undfly från donets frontyta.

Detta beror på att strålen 100 reflekteras längs sin ursprungliga infallslinje mot donet.

I överensstämmelse med föreliggande uppfinning kom- mer strálen 100 ej att undfly donet, eftersom riktorga- nen 84 för den infallande strålningen riktar stràlen _ genom halvledarmaterialet i tillräcklig vinkel för att bringa strâlen att väsentligen innestängas i donet 80.

När stràlen 100 träffar strålningsriktorganen 84, ref- lekteras den närmare bestämt därifrån i en vinkel 61, som är större än den kritiska vinkeln för en gränsyta mellan det material som bildar halvledarstommen 82 och luft. Om stommen 82 exempelvis är en amorf kisellegering med ett brytningsindex (n) på 3,5, så är SC 16,60. Denna vinkel kan beräknas genom användning av Snells lag, där för totalreflektion SC är givet av sambandet: -lnl GC = Sif! 5-2- där nl är det lägre brvtningsindexet och n är det högre brvtningsindexet.

Här är nl läka med l för luft och nz är lika med 3,5 för amorft kisel. Således blir nl dividerat med n2 lika med 0,286 och vinkeln, vars sinus är 0,286, är 16,60.

Vilken som helst strále som är riktad genom halv- ledarstommen 82 (under antagande av att den är amorft kisel) i en vinkel på 16,60 eller mer mot normalen kom- mer att reflekteras inuti donet åtminstone vid infalls- ytan 92. Den invändiga reflektionen kan emellertid in- träffa tidigare, exempelvis vid gränsytan 98 eller gräns- ytan 96. För att den invändiga reflektionen skall in- träffa vid gränsvtan 98, där antireflektions- eller glasskiktet 90 kan ha ett brytningsindex pà ungefär 1,45, måste strålen vara riktad bort från normalen i 454 225 19 en vinkel 02, som är lika med eller större än 24,s°.

För att den invändiga reflektionen på likartat sätt skall ske vid gränsytan 96, där TCO-materialet kan ha ett brytningsindex på 2,0, skulle den kritiska vinkeln 63 vara 34,80. Såsom kommer att beskrivas i det följande kan riktorganen 84 för det infallande ljuset i överens- stämmelse med föreliggande uppfinning ha många olika former för att rikta åtminstone en del av den infal- lande strålningen genom det eller de aktiva områdena i fotovoltiska don 1 tillräckliga vinklar för att i _ huvudsak innestänga den riktade strålningen inuti donen.

Riktorganen för den infallande strålningen kan vara en slumpmässig reflektor eller en periodisk Med en slumpmässig reflektor innestänges ej lande strålning men invändig reflektion kan ske vid vilken som helst av de gränsytor eller ytor som tidi- gare diskuterats. Med en periodisk reflektor kan rikt- ningsvinklarna styras på sådant sätt, att nästan allt reflektor. all infal- ljus som när denna form av riktorgan för infallande strålning kan innestängas. Riktningsvinkeln kan dess- utom styras på sådant sätt, att en särskild gränsyta kan väljas för invändig reflektion. Den strålning som riktas av strålningsriktorganen 84 är primärt ljus 1 det röda spektrumet eller av längre våglängder, efter- som de kortare våglängderna lättare absorberas under den första passeringen genom det amorfa kisellegerings- materialet. Såsom kommer att framgå i samband med fig 7 kan emellertid i överensstämmelse med föreliggande upp- finning den infallande strålningen riktas genom det aktiva området under sin första passering in i ett don.

Fig 4, vartill nu hänvisas, åskådliggör en tvärsnitts- vy av ett PIN-don 110, som innefattar en slumpytreflektor lll enligt föreliggande uppfinning. Den slumpmässiga ytreflektorn lll innefattar ett substrat ll2, som kan vara glas. Glaset 112 har en övre yta, som är gjord slumpmässigt skrovlig genom exempelvis sandblästring för bildande av en övre skrovlig yta ll3. Sandblästring är ett välkänt förfarande, varvid mycket fina partikel- 454 225 korn av ett slipmedel slungas med hög hastighet mot den yta som skall göras skrovlig eller ojämn. Substra- tet 112 har önskad bredd och längd.

Enligt föreliggande uppfinning är ett skikt 114 av kraftigt reflekterande material avsatt på den skrov- liga glasytan 113. Skiktet 114 är avsatt från àngfasen, vilket är ett relativt snabbt avsättningsförfarande.

Skiktet 114 är företrädesvis en högreflekterande metall, såsom silver, aluminium, guld, koppar eller något annat högreflekterande material. över skiktet 114 är ett skikt 115 av en genomsynlig ledare, såsom en genomsynlig, ledande oxid (TCO), avsatt. Den genomsynliga ledaren måste åtminstone vara genomsynlig för fotonerna med våglängder, vilka ej absorberas i början under den första genomgången genom donet. TCO-skiktet 114 kan avsättas i en àngavsättningsomgivning och kan exempelvis vara flera skikt ll5a och llâb av indiumtennoxid (ITO), kad- miumstannat (Cd2Sn04), kadmiumoxid (CdO), kadmiumsulfid (CdS), zinkoxid (ZnO), kopparoxid (Cu20), bariumplumbat (Ba2PbO4) eller tennoxid (Cu2O) eller ett enda skikt av något av de föregående ämnena. TCO-skiktet eller -skikten 115 tjänstgör som en bakre kontakt för donet 110 och tjänstgör också som ett utjämningsskikt för àstadkommande av en väsentligt planare yta, på vilken halvledaren kan avsättas. TCO-skiktet eller -skikten tjänstgör också som en diffusionsbarriär för att förhind- ra diffusion av en kraftigt ledande metall som bildar skiktet 114 in i donets halvledarmaterial. Glassubstra- tet ll2, skiktet 114 av högreflekterande metall och skiktet 115 av en genomsynlig ledare bildar en slump- mässig ytreflektor i överensstämmelse med föreliggande uppfinning. Pâ grund av att skiktet 114 är slumpartat skrovligt kommer åtminstone en del av det infallande ljus som träffar reflektorn lll att riktas genom donet i tillräcklig vinkel för att bringa det riktade ljuset att innestängas i donet, såsom tidigare beskrivits.

Den slumpmässiga ytreflektorn lll anbringas sedan i en omgivning för glimurladdningsavsättning. Ett första, 454 225 21 dopat, bredbandigt och amorft kisellegeringsskikt 116 av P-typ avsättes på skiktet 115 i enlighet med förelig- gande uppfinning. Såsom visat har skiktet 116 lednings- förmága av P+-typ. P+-området är så tunt som möjligt i storleksordningen 50-500 Å, vilket är tillräckligt för att P+-omradet skall göra god, spärrfri kontakt med det genomsynliga, ledande oxidskiktet 115. P+-omrà- det tjänar också till att upprätta en potentialgradient över donet för underlättande av uppsamlingen av fotoin- ducerade elektron-hálpar såsom elektrisk ström. P+-omrá- det 116 kan avsättas från vilken som helst av de tidi- gare omnämnda gasblandningarna för avsättningen av så- dant material i överensstämmelse med föreliggande upp- finning.

En stomme av egenledande, amorf kisellegering 118 avsättes därnäst över skiktet 116 av P-typ och med brett bandgap. Den egenledande stommen 118 är relativt tjock, av storleksordningen 4500 Å, och avsättes från kisel- tetrafluorid och väte och/eller silan. Den egenledande stommen innehåller företrädesvis den amorfa kisellege- ringen kompenserad med fluor, där majoriteten av elek- tron-hålparen alstras. Donets kortslutningsström höjes genom de kombinerade verkningarna av den bakre reflek- torn enligt föreliggande uppfinning och det breda band- gapet hos det amorfa kisellegeringsskiktet 116 av P-typ.

På den egenledande stommen 118 är ett ytterligare, dopat skikt 120 avsatt, vilket skikt har motsatt typ av ledningsförmàga till det första dopade skiktet 116.

Det innefattar en amorf kisellegering med ledningsför- måga av N+-typ. N+-skiktet 120 avsättes från vilken som helst av de tidigare omnämnda gasblandningarna för avsättning av sådant material. N+-skiktet 120 avsättes till en tjocklek mellan 50 Å och S00 Å och tjänstgör som ett kontaktskikt.

Ett annat genomsynligt, ledande oxidskikt (TCO) 122 avsättes sedan över N+-skiktet 120. TCO-skiktet 122 kan också avsättas i en omgivning för avsättning frán ángfa- sen och kan exempelvis vara indiumtennoxid (ITO), kad- 454 225 22 miumstannat (Cd2SnO4) eller dopad tennoxid (Sn02).

På ytan av TCO-skiktet 122 avsättes en gallerelektrod 124, vilken är framställd av en metall med god elektrisk ledningsförmàga. Gallret kan innefatta ortogonalt ord- nade linjer av ledande material, som upptar endast en mindre del av det metalliska områdets area, medan res- ten av området är frilagt för solenergi. Gallret 124 kan exempelvis uppta endast ungefär 5-10% av hela TCO- skiktets 122 area. Gallerelektroden 124 uppsamlar ström likformigt från TCO-skiktet 122 för säkerställande av_ en god, låg serieresistans för donet.

För fullständigande av donet 110 är ett antireflex- skikt (AR) eller en glasinkapsling 126 pàförd över gal- lerelektroden 24 och TCO-skiktets 122 områden mellan gallerelektrodområdena. AR-skiktet eller glaset 126 har en solstrålningsinfallsyta 128, vilken träffas av solstrâlningen. Om skiktet 126 är ett AR-skikt, kan det ha en tjocklek av samma storleksordning som våg- längden för solstràlningsspektrumets maximienergipunkt dividerad med fyra gånger brytningsindexet för anti- reflexskiktet 126. Ett lämpligt AR-skikt 126 skulle vara zirkoniumoxid med en tjocklek på ungefär 500 Å med ett brytningsindex på 2,1. Om skiktet 126 är ett inkapslingsmedel, kan TCO-skiktets 122 tjocklek väljas så, att det tillàtes att också verka som ett antireflex- skikt för donet 110.

Som ett alternativt utförande kan den slumpmässiga ytreflektorn lll innefatta ett ark av rostfritt stål eller annan metall istället för glaset ll2. Den skrov- liga ytan kan åstadkommas genom förstoftning av en kraf- tigt ledande metall, såsom aluminium, över det rostfria stálarket. Aluminium med relativt stor kornstorlek kan förstoftas för bildande av en slumpmässigt skrovlig yta. över aluminiumet kan ett TCO-skikt, som är likar- tat skiktet ll5, avsättas.

Nästan alla fotonerna i det infallande ljuset med kortare våglängder kommer att absorberas av det aktiva, egenledande skiktet ll8. Som följd härav kommer huvudde- 454 225 23 len av de fotoner som ej absorberas och som når den slumpmässiga ytreflektorn 111 att ha längre våglängder, ungefär 6000 A och mer. Denna infallande strålning, som träffar reflektorn 111, kommer att spridas slump- mässigt och åtminstone nägra av dessa strålar kommer att riktas genom det egenledande omrâdet 118 i vinklar, som är tillräckliga för att bringa dem att reflekteras invändigt vid en av gränsytorna för skikten 118 och 120, skikten 120 och 122, skikten 122 och 126 eller vid gränsytan mellan skiktet 126 och atmosfären över detta skikt. De strålar av det infallande ljuset som riktas på detta sätt kommer att väsentligen innestängas i donet 110.

Det egenledande skiktets 118 bandgap kan justeras för en särskild fotokänslighetsegenskap genom inbegri- pandet av bandgapsreducerande ämnen. Som ett ytterli- gare alternativ kan den egenledande stommens 118 band- gap graderas för att gradvis öka från P+-skiktet 116 till N+-skiktet 120. Under avsättningen av det egenledande skiktet 118 kan exempelvis ett eller flera bandgapsmins- kande ämnen, såsom germanium, tenn eller bly, införlivas i legeringarna i gradvis minskande koncentration. Som exem- pel kan germangas (GeH4) införas i glimurladdningsavsätt- ningskammaren från en relativt hög koncentration i bör- jan och därefter gradvis minskas allteftersom det egen- ledande skiktet avsättes till en punkt, där detta in- förande avslutas. Den resulterande, egenledande stommen kommer därmed att ha ett bandgapsreducerande ämne, såsom germanium, i sig i gradvis minskande koncentrationer från P+-skiktet 116 mot N+~sk1ktec 120.

I fig 5, vartill nu hänvisas, visas en fotovoltisk PIN-cell 130, som innefattar en slumpmässig volymreflek- tor 132 enligt föreliggande uppfinning. Cellen 130 inne- fattar ett skikt 138 av P-typ, ett egenledande skikt 140 och ett skikt 142 av N-typ. Skikten 138, 140 och 142 kan bildas av de amorfa kisellegeringar som beskrivits 454 225 24 tidigare i samband med donet ll0 i fig 4. Liksom vid donet ll0 i fig 4 innefattar donet 130 ett skikt 144 av genomsynlig, ledande oxid, ett uppsamlingsgaller 146 samt ett antireflexskikt eller en glasinkapsling 148.

Den slumpmässiga volymreflektorn 132 innefattar ett ark eller väsentligen plant element 134 av ett keramiskt material eller emaljmaterial. Sådana material har ett stort brytningsindex, exempelvis större än 1,45 absor- _ berar inte ljus samt har korn och slumpmässigt förde- lade fasetter hos polykristallina komponenter i sin volym, vilka sprider infallande ljus slumpmässigt i alla riktningar. Det keramiska materialet eller emal- jen kan exempelvis innehålla titandioxid, zinkselenid, zinksulfit, selen eller kiselkarbid. Arket 134 kan också bildas genom att tennoxid och titandioxid avsättes till- sammans.

På grund av att den slumpmässiga spridningen av ljuset fràn arken 134 är en volymeffekt kan arkets yta vara polerad eller på annat sätt gjord mycket jämn.

Detta är fördelaktigt, eftersom det ger en jämn yta för avsättningen av halvledarmaterialet. Även om ke- ramiska material och emaljer kan göras elektriskt le- dande i viss utsträckning kan ett skikt l36 av genom- synlig, ledande oxid (TCO) anordnas mellan arket 134 och det amorfa kisellegeringsskiktet 138 av P-typ för bildande av en undre kontakt för donet 130.

I fig 6, vartill nu hänvisas áskádliggöres ett foto- voltiskt PIN-don 150, som innefattar en periodisk ytref- lektor 152 enligt föreliggande uppfinning. Cellen 150 innefattar ett skikt 152 av amorf kisellegering av P-typ, ett skikt 160 av egenledande, amorf kisellegering och ett skikt 162 av amorf kisellegering av N-typ. Skikten 158, 160 och 162 kan bildas av de legeringar och med de förfaranden som tidigare beskrivits. Donet innefat- tar också ett TCO-skikt 164, ett uppsamlingsgaller 166 454 225 och ett AR-skikt eller en glasinkapsling 168.

Den periodiska ytreflektorn 152 innefattar ett ref- lekterande diffraktionsgitter 154, som kan vara bildat av en ledande metall, såsom aluminium, för att bilda en bakre kontakt för cellen 150 samt ett överliggande skikt 156 av genomsynlig, ledande oxid. Diffraktions- gittrets mönster kan ha vilken som helst periodisk form i tvärsnitt, såsom sinusform, fyrkantsvågform eller liknande. Såsom åskàdliggjort och såsom en föredragen utföringsform är gittret lS4 ett ljuststarkt gitter. _ Gitter av detta slag är att föredraga på grund av att reflektioner av ordning noll, de mot gittret vinkelräta, är minimerade.

Såsom tidigare nämnts är periodiska reflektorer fördelaktiga, eftersom diffraktionsvinklarna kan väl- jas genom lämplig utformning av gittret. Detta gör det i själva verket möjligt att välja den gränsyta där in- vändig reflektion skall inträffa. I donet 150 är det önskvärt att den invändiga reflektionen sker vid eller under gränsytan mellan skikten 168 och 164, så att upp- samlingsgallret hindras från att blockera en del av det invändigt reflekterade ljuset.

Vid konstruktion av ett diffraktionsgitter kan föl- jande uttryck användas: _ . -l mk eoiff ' S1" ïä där n är brytningsindexet för det medium som gittret avböjer ljus in i, X är våglängden för ljus i vakuum, d är gitterkonstanten och m är diffraktionsordningen.

Diffraktionsgittrets höjd (h) är också variabel, vilket medger justering av intensiteten av det ljus som böjes i de olika diffraktionsordningarna. För att öka intensiteten av den första ordningens avböjda strä- lar bör allmänt h vara ungefär en våglängd vid frekven- sen av intresse.

Den första ordningens diffraktion förstärkes ocksâ, 454 225 26 när de är ungefär lika med en våglängd vid frekvensen av intresse. På grund av att de flesta fotoner med kor- tare våglängd absorberas i det aktiva, egenledande om- rådet 160 under sin första passering är här fotoner § av längre våglängd eller ungefär 6600 Å och mer av in- g tresse. ' Med d lika med 6600 Å, m lika med den första ord- I ningens diffraktion och med gittret 154 överdraget med * ett skikt 156 av en sådan genomsynlig, ledande oxid I som indiumtennoxid, vilken har ett brytningsindex (n) - Q på 2,1, kan ovanstående uttryck lösas för Goiff. 3 = s1n'1e6oo = zs,4° 3366-2,1 Denna vinkel på 28,40 i TCO-skiktet 156 är enligt Snells lag tillräcklig för att rikta strålarna genom de amorfa kisellegeringsskikten 158, 160 och 162 i större vinkel än den kritiska vinkeln för en gränsyta mellan amorft kisel och luft för àstadkommande av invändig reflektion åtminstone vid gränsytan mellan skiktet 168 och luften. En konstruering av diffraktionsgittret för diffraktion av högre ordning kommer naturligtvis att ”Diff ge en större vinkel för uppnàende av invändig reflektion före denna gränsyta. E I fig 7, vartill det nu hänvisas, åskådliggöres ett fotovoltiskt PIN-don 170, som innefattar ett rikt- organ 172 för infallande ljus, vilket organ är anordnat mellan det amorfa kisellegeringsskiktet 174 av N-typ och TCO-skiktet 176. Riktorganet 172 för infallande ljus innefattar ett transmissionsdiffraktionsgitter l72, som är anordnat att rikta allt infallande ljus i vinkel genom det egenledande området 180. Eftersom nästan allt ljus av kortare våglängd kommer att absor- beras i det egenledande området 180 under den första passeringen, kan emellertid diffraktionsgittret l78 optimeras för de längre våglängderna, såsom tidigare beskrivits. Här är emellertid ett sinusformigt diffrak- tionsgitter âskàdliggjort, men det skulle naturligtvis kunna vara vilken som helst av de tidigare nämnda typerna. 454 225 27 I likhet med de tidigare beskrivna PIN-cellerna innefattar cellen 170 vidare ett skikt 182 av amorf kisellegering och P-typ, ett uppsamlingsgaller 184 samt ett skikt 186 av antireflexmaterial eller glasinkaps- ling. De olika skikten är avsatta pà ett substrat 17l av glas, rostfritt stål eller annat lämpligt substrat- material. över substratet 171 är ett skikt 173 av kraf- tigt ledande och därmed högreflekterande metall avsatt jämte ett TCO-skikt 175. Det reflekterande metallskiktet 173 och TCO-skiktet 175 bildar en bakre reflektor för_ att reflektera ej använt ljus tillbaka in i det egenle- dande området 180.

Den genomsynliga riktaren kan alternativt vara glas med en skrovlig yta, som exempelvis är bildad genom sandblästring. De olika amorfa kisellegeringsskikten kan då avsättas på den skrovliga ytan följt av avsätt- ningen av en speglande, bakre reflektor. I denna form av don riktas den infallande strålningen först genom glassubstratet. Glassubstratet bildar en slumpmässig strálningsriktare, som är anordnad pà den sida av det aktiva området som ljuset först träffar.

I fig 8, vartill nu hänvisas, visas en annan foto- voltisk PIN-cell 190, som innefattar en periodisk volym- reflektor 192 enligt föreliggande uppfinning. Eftersom donet 190 i övrigt är identiskt med cellerna i fig 4-6 skall endast den periodiska volymreflektorn beskrivas 1 aetalj.

Den periodiska volymreflektorn 192 är anordnad på ett substrat 194 av glas, rostfritt stàl eller annat lämpligt substratmaterial. Den periodiska volymreflek- torn 192 har formen av ett hologram, som innefattar ett flertal tunna, plana element eller linjer 196 av reflekterande material, såsom aluminium, inbäddade i ett medium 198 av genomsynligt material. där är det genomsynliga materialet en genomsynlig, ledande oxid, för àstadkommande av både ett lämpligt medium för linjerna 196 och en undre kontakt för donet 190. sàsom indiumtennoxid, 454 225 28 Linjerna 196 är anordnade i vinkel, är skilda át samt är i huvudsak parallella. Ljusdiffraktionen medelst ett hologram kan förutsägas med samma uttryck som tidi- gare definierats för ett diffraktionsgitter. Gitterkon- stanten (d) är här avståndet mellan linjerna 196.

På grund av att ljusdiffraktionen sker i hologram- mets volym kan dess övre yta poleras eller pà annat sätt göras jämn. Detta ger en jämn yta, på vilken det amorfa kisellegeringsskiktet kan avsättas.

I fig 9, vartill nu hänvisas, visas ett flercellsdon 200 i tvärsnittsvy, vilket don är anordnat i tandemform och innefattar en slumpmässig ytreflektor enligt förelig- gande uppfinning. Donet 200 innefattar två enkelcellsen- heter 202 och 204 anordnade i serieförhâllande. Det inses att fler än tvâ enkelcellsenheter kan utnyttjas.

Donet 200 innefattar en slumpmässig ytreflektor 206, innefattande ett sandblästrat glasskikt 203, som är överdraget med ett skikt 205 av en metall med god reflektionsförmàga, såsom exempelvis aluminium. Pà me- tallskiktet 205 är ett skikt 207 av genomsynlig, ledande oxid avsatt, vilket skikt kan vara ett första skikt 207a av indiumtennoxid och ett andra skikt 207b av dopad tennoxid, eller ett enda skikt av indiumtennoxid. Skik- tet 207 av genomsynlig, ledande oxid kan avsättas på tidigare beskrivet sätt.

Den första cellenheten 202 innefattar ett första dopat, amorft kisellegeringsskikt 208 av P+-typ, som är avsatt pà det genomsvnliga, ledande oxidskiktet 207.

P+-skiktet är företrädesvis en amorf kisellegering med brett bandgap och av P-typ i överensstämmelse med före- liggande uppfinning. Det kan avsättas från vilket som helst av de tidigare nämnda utgàngsmaterialen för av- sättning av sådant material.

Pá P+-skiktet 208 med brett bandgap är en första, egenledande och amorf kisellegeringsstomme 210 avsatt.

Den första egenledande legeringsstommen 210 är företrä- desvis en amorf kisel-fluorlegering.

Ett ytterligare, dopat, amorft kisellegeringsskikt 454 225 29 212 är avsatt pa det egenledande skiktet 210. Det har motsatt typ av ledningsförmàga till ledningsförmàgan hos det första dopade skiktet 208 och är därmed ett N*-skikt.

Den andra enhetscellen 204 är väsentligen identisk och innefattar ett första dopat P+-skikt 214, en egen- ledande stomme 216 och ett ytterligare, dopat N+-skikt 218. Donet 200 är fullständigat med ett TCO-skikt 220, en gallerelektrod 222 samt ett antireflexskikt eller _ en glasinkapsling 224.

De egenledande skiktens bandgap är företrädesvis så justerat, att skiktets 216 bandgap är större än skik- tets 210 bandgap. För det ändamålet kan den legering som bildar skiktet 216 innefatta ett eller flera band- gapsökande ämnen, sàsom kväve och kol. Den egenledande legering som bildar det egenledande skiktet 210 kan innefatta ett eller flera bandgapsreducerande ämnen, såsom germanium, tenn eller bly.

Det framgår av figuren, att det egenledande skiktet 210 i cellen är tjockare än det egenledande skiktet 216. Detta medger utnyttjande av hela det användbara solenergispektrumet för alstring av elektron-hålpar.

Fastän ett tandemcellsutförande har visats och be- skrivits här, kan enhetscellerna också vara isolerade från varandra med oxidskikt för att exempelvis bilda en staplad multipelcell. Varje cell skulle kunna inne- fatta ett par uppsamlingselektroder för underlättande av seriekopplingen av cellerna med yttre ledningsdrag- ning.

Såsom ytterligare ett alternativ och såsom nämnts i samband med de tidigare beskrivna enkelcellerna kan en eller flera av enhetscellernas egenledande stommar innefatta legeringar med graderade bandgap. Vilket eller vilka som helst av de tidigare nämnda bandgapsökande eller bandgapsreducerande ämnena kan vara inbegripna i de egenledande legeringarna för detta ändamål. 454 225 I fig 10, vartill.nu hänvisas, àskàdliggöres en fotovoltisk PIN-cell 230 av tandemtyp, vilken cell är i huvudsak identisk med tandemcellen 200 i fig 9 med undantag för att cellen 230 innefattar en periodisk ytreflektor 232. Denna cell kommer därför att beskrivas i detalj enbart med avseende pà reflektorn 232.

I likhet med utföringsformen enligt fig 6 har den periodiska ytreflektorn 232 formen av ett reflekterande diffraktionsgitter 234. Fastän gittret 234 kan vara - sinusformigt, fyrkantsformigt eller ha någon annan pe- riodisk form, är gittret 234 här åter åskàdliggjort som ett ljusstarkt gitter. Gittret kan bildas av en mjuk metall, såsom aluminium. Det är överdraget med ett skikt 236 av genomsynlig, ledande oxid, såsom in- diumtennoxid, kadmiumstannat eller dopad tennoxid, på vilken de amorfa kisellegeringarna kan avsättas. Diff- raktionsgittret 234 verkar pà samma sätt som tidigare beskrivits i samband med fig 6.

I fig ll, vartill nu hänvisas, àskådliggöres ett annat enkelcelligt, fotovoltiskt PIN-don 240 enligt föreliggande uppfinning. Ett av exempelvis glas bildat, genomsynligt substrat 242 har här ett TCO-skikt 250, samt amorfa kisellegeringsskikt 244, 246 och_248, vilka är av P-typ, egenledande respektive av N-typ och är successivt avsatta på skiktet 250. över skiktet 248 av N-typ är ett skikt 252 av ledande, ljusspridande färg anordnat. Skiktet 252 kan exempelvis bildas av aluminium- eller guldfärg. Sådana färger är ledande och kommer vid pàföring genom strykning eller sprutning eller liknande att bilda en slumpmässigt ljusspridande gränsyta mellan skikten 248 och 252. Alternativt kan skiktet 252 innefatta ett första skikt av en genomsyn- lig ledare, såsom en genomsynlig, ledande oxid, och ett andra skikt av en oledande, men ljusspridande färg, såsom en matt vit färg med högt titaninnehàll.

Donet i fig ll är utformat att mottaga den infallande 454 225 31 ljusstràlningen genom glassubstratet, det infallande ljus som ej absorberas under den första passeringen genom donet kommer att'spridas slumpmässigt av skik- tet 252. Åtminstone nâgra av de spridda ljusstrálarna kommer att riktas genom de amorfa kiselskikten 248, 246 och 244 i tillräckliga vinklar för att dessa strå- lar skall bringas att reflekteras invändigt och väsent- ligen innestängas i donet 240.

Såsom inses genom det ovanstående åstadkommer före- liggande uppfinning nya och förbättrade fotovoltiska - celler, vilka ger ökade kortslutningsströmmar och ökade verkningsgrader. De här beskrivna riktarna för infallan- de strålning ger ett medel, varigenom åtminstone en del av det infallande ljuset kan riktas genom cellernas aktiva område eller områden i tillräckliga vinklar för àstadkommande av invändig reflektion i cellerna och d därmed väsentligen fullständig ínstängníng av ljuset i cellerna. Pâ grund av att ljuset tillàtes göra ett flertal passeringar genom det eller de aktiva områdena kan de aktiva områdena göras tunnare än vad som tidigare var tillåtet. Detta möjliggör mycket effektiv uppfàngning av fotoalstrade laddningsbärare samtidigt som en större del av ljuset absorberas.

För varje här beskriven utföringsform av uppfin- ningen kan de andra legeringsskikten än de egenledande legeringsskikten vara annat än amorfa skikt, såsom poly- kristallina skikt (med termen "amorf" avses en legering eller ett material, som saknar fjärrordning, fastän det kan ha närordning eller mellanordning eller ibland t o m innehålla vissa kristallina inneslutningar.) Modifieringar och variationer av föreliggande upp- finning är möjliga i ljuset av ovan lämnade kunskap.

Claims (12)

454 225 32 PATENTKRAV

1. l. Fotovoltiskt don, bildat av halvledarmaterial och innefattande åtminstone ett aktivt omrâde, vilket infallande strålning kan träffa för alstring av ladd- ningsbärare, k ä n n e t e c k n a t av en slumpmässig eller periodisk volymreflektor (132, 192, 252). som är anordnad att rikta åtminstone en del av den infallande_ strålningen (100) genom nämnda aktiva område (140, 246) i en tillräcklig vinkel för att bringa den riktade strål- ningen att väsentligen innestängas i det fotovoltiska donet (130, 190, 240).

2. Don enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k - n a t därav, att volymreflektorn (132, 192, 252) är anordnad invid det aktiva området på den sida av detta som är motstående den sida som strölningen (100) först träffar.

3. Don enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att den slumpmässiga volymreflek- torn (l32, 252) innefattar ett plant element, som är bildat av ett material med ett större brytningsindex än 1,45, vilket material ej absorberar detsamma träf- fande ljus (100).

4. - Don enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att den slumpmässiga volymreflek- torn (132, 252) innefattar ett plant element, som är bildat av ett keramiskt material.

5. Don enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k - n a t därav, att det keramiska materialet är bildat av titandioxid, zínkselenid, zinksulfid, selen- eller kiselkarbid.

6. Don enligt något av patentkraven 1-3, k ä n - n e t e c k n a t därav, att den slumpmässiga volym- reflektorn (132, 252) innefattar ett plant element, som är överdraget med ett emaljmaterial.

7. Don enligt något av patentkraven 1-6, k ä n - 454 225 33 n e t e c k n a t därav, att den slumpmässiga volym- reflektorn (132, 252) innefattar ett skikt av tennoxid och titandioxid, som är avsatta tillsammans.

8. Don enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den periodiska volymreflektorn (192) innefattar ett hologram.

9. Don enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k - n a t därav, att hologrammet innefattar ett flertal relativt tunna, reflekterande, plana element (196), _ som är belägna i ett massivt, genomsynligt medium (198), är anordnade i âtskilt, parallellt förhållande samt i vinkel mot den infallande strålningen (100).

10. Don enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k - n a t därav, att de reflekterande, plana elementen' (196) är bildade av aluminium.

11. ll. Don enligt patentkravet 9 eller 10, k ä n - n e t e c k n a t därav, att det genomsynliga mediet (198) innefattar en genomsynlig, ledande oxid.

12. Användning av don enligt något av patentkraven l-ll i ett av flera skikt av amorfa kisellegeringar bildat fotovoltiskt don, vilket innefattar en cellstomme med ett första, dopat och amorft kisellegeringsskikt, en stomme av egenledande, amorf kisellegering, vilken är avsatt på det första, dopade skíktet och vilken in- fallande strålning kan träffa för alstring av laddnings- bärare, ett ytterligare, dopat och amorft kisellegerings- skikt, som är avsatt pà den egenledande stommen och har motsatt typ av ledningsförmàga relativt det första, dopade och amorfa kisellegeringsskiktet, varvid den slumpmässiga eller periodiska volymreflektorn riktar nämnda del av den infallande strålningen genom stommen av egenledande, amorf kisellegering i den tillräckliga vinkeln för att bringa den riktade strålningen att väsentligen innestängas i det fotovoltiska donet, vär- jämte ett av de dopade skikten bildar donets understa skikt, vilket den infallande strålningen träffar sist, 454 225 34 och den slumpmässiga respektive periodiska reflektorn är belägen under nämnda ena dopade skikt.