SE455554B - Fotospenningsdon - Google Patents

Description

455 554 2 genom odling av enskilda monokristaller i kisel- eller germanium och genom dopning av dessa enkristaller med extremt små och kritiska dopningsmedelsmängder, när PN-övergångar erfordras.

Dessa kristallodlingsförlopp ger sådana relativt små kristaller att solceller kräver sammansättandet av många enkristaller för att omfatta den önskade arean för endast en enda solcellspanel. Den nödvändiga ener- gimängden för att framställa en solcell i denna process, den begränsning som förorsakas av kiselkristallens stor- leksbegränsningar samt nödvändigheten av att skära till och sammansätta 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. På grund av den dåliga ljusab- sorptionen måste kristallina solceller vara åtminstone 50 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- rialtjockleken ej reduceras. Det polykristallina mate- rialet inbegriper även tillförandet av korngränser samt andra problematiska defekter.

En ytterligare nackdel med det kristallina mate- rialet för soltillämpningar är den att kristallint ki- sels bandgap på ungefär l,l eV i sig ligger under det optimala bandgapet på ungefär 1,5 eV. Ehuru en inbland- ning av germanium är möjlig, gör denna bandgapet sma- lare, vilket ytterligare minskar solljusomvandlings- verkningsgraden. ' Q Kristallina kiseldon har sammanfattningsvis fasta parametrar, vilka ej är variabla på önskat sätt, kräver stora materialmängder, endast kan framställas med rela- 455 554 3 tivt små areor samt är dyrbara och tidskrävande att framställa. På amorft kisel baserade don kan eliminera dessa nackdelar hos kristallint kisel. Amorft kisel har en optisk absorptionskant med egenskaper, som lik- nar de för en halvledare 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. Amorft kisel kan vida- re tillverkas snabbare, enklare och med större areor än vad kristallint kisel kan.

Avsevärda ansträngningar har följaktligen gjorts för att utveckla processer för att enkelt avsätta amor- fa halvledarlegeringar eller filmer, som vardera enligt önskan kan omfatta relativt stora areor, enbart begrän- sat av storleken av avsättningsutrustningen, och som lätt skulle kunna dopas för att bilda material av P-typ och N-typ, då framställning skall ske av PN-övergàngs- don, vilka är ekvivalenta med de som framställes genom deras kristallina motsvarigheter. Under manga 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 1 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 fotokåns- liga tilllämpningar. Dessa filmer kan dessutom ej fram- gàngsrikt dopas eller pà annat sätt modifieras för för- skjutning av Fermi-nivå nära intill lednings- eller valensbanden, vilket gör dem olämpliga för framställning av PN-övergångar för solcells- samt strömreglerdóns- tillämpningar.

I ett försök att minimera de ovan nämnda med amorft kisel och germanium sammanhängande problemen utförde W.E. Spear och P.G. Le Comber vid Carnegie Laboratory 455 554, 4 of Physics, University of Dundee, Dundee, Skottland, visst arbete beträffande "Substitutional Doping of Amor- phous Silicon", såsom rapporterats i en artikel, publi- cerad i Solid State Communications, Vol. 17, sid ll93- -ll96, 1975, i syfte att reducera de lokala tillstånden i energigapet i amorft kisel eller germanium för att få dessa att närmare efterlikna egenledande, kristallint kisel eller germanium samt att på substituerande sätt dopa de amorfa materialen med lämpliga, klassiska dop- medel, sàsom vid dopning av kristallina material, för att-göra dem störledande samt ledande av P- eller N-typ.

Reduceringen av de lokala tillstànden ástadkoms genom glimurladdningsavsättning av amorfa kiselfilmer, varvid en silangas (SiH4) fördes genom ett reaktions- rör, där gasen sönderdelades genom en radiofrekvent glimurladdning samt avsattes pá ett substrat vid en substrattemperatur på ungefär 500-GOOOK (227-327°C).

Det pà substratet så avsatta materialet var ett eget- ledande amorft material, bestående av kisel och väte.

För àstadkommande av ett dopat amorft material blanda- des en fosfingas (PH3) för ledningsförmàga av N-typ eller en diborangas (BZHG) för ledningsförmàga av P-typ i förväg med silangasen samt fördes genom glimurladd- ningsreaktionsröret under samma driftsförhàllanden.

Gaskoncentrationen av de använda dopmedlen låg mellan ungefär 5xlO'6 och 10-2 volymdelar. Det så avsatta ma- terialet innefattade troligen substituerande fosfor- eller bordopmedel och visades vara störledande samt ledande av en 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 många av de "dinglan- de" bindningarna i kislet under glimurladdningsavsätt- ningen för att väsentligt minska tätheten av de lokala tillstánden i energigapet i syfte att bringa det amor- 455 554 fa materialets elektroniska egenskaper att närmare appro- ximera egenskaperna hos motsvarande kristallina mate- rial.

D.I. Jones, W.E. Spear, P.G. Le Comber, S. Li och R. Martins arbetade också med framställning av a-Ge:H ur GeH4 under användning av likartade avsättningstek- niker. Det erhållna materialet vittnade om en hög tät- het av lokala tillstànd i materialets energigap. Ehuru materialet kunde dopas, var verkningsgraden väsentligt minskad i förhållande till den som kunde uppnås med a-Si:H. I detta arbete, rapporterat i Philsophical Maga- zine B, V01. 39, sid 147 (1979) drar författarna den slutsatsen att pà grund av den stora tätheten av gap- tillstànd det erhållna materialet är ".... a less attrac- tive material than a-Si for doping experiments and pos- sible applications".

Vid arbete med ett likartat sätt för glimurladd- ningstillverkade amorfa kiselsolceller under utnyttjande av silan försökte D.E. Carlson att utnyttja germanium i cellerna för att dra samman det optiska gapet mot det optimala solcellsvärdet pá ungefär 1,5 eV i hans bästa, tillverkade solcellsmaterial, som har ett“band- gap pà 1,65 - 1,70 ev. (D.E. Carlson, Journal of Non Crystalline Solids,'Vol. 35 och 36 (1980), s 707-717, lämnad vid "8th International Conference on Amorphous and Liquid Semi-Conductors", Cambridge, Mass., 27-31 augusti 1979). Carlson har emellertid vidare meddelat, att tilllägget av germanium ur germangas ej var fram- gàngsrikt, eftersom det förorsakar betydande reduce- ringar i alla de fotovoltiska parametrarna för solcel- lerna. Carlson angav att försämringen av de fotovoltiska egenskaperna antyder, att defekter i energigapet skapas i de avsatta filmerna. (D.E. Carlson, Tech. Dig. 1977 IEDM, Washington, D.C., s 214).

I en rapport nyligen beträffande ökning av cell- verkningsgraden för flera övergångar uppvisande (stap- 455 554 6 lade) solceller av amorft kisel (a-Si:H), avsatta från silan på ovannämnda sätt, rapporterade författarna att "lglermanium har befunnits vara en skadlig förorening i a-Si:H, som sänker dess Jsc exponentiellt med ökande Ge....“ Ur sitt arbete liksom Carlsons drog de den slut- satsen, germanium och “har visat sig ha dåliga fotovoltiska egenskaper” och att således nya "fotovoltiska filmcellsmaterial måste återfinnas, vilka har spektralt fär 1 um för effektiva staplade cellkombinationer med a-Si:H“. (J.J. Hanak, Pellicane, presenterat vid 14th IEEE Photovoltaic Specia- att legeringar av amorft kisel, väte gensvar vid unge- B. Faughnan, V. Korsun och J.P, lists Conference", San Diego, California, 7-lO januari 1980).

En gradering av bandgapet hos kristallina fotovol- tiska PN-övergàngskiselsolceller föreslogs 1960 av Wolf: ”Limitations and Possibilities for Improvements of Photovoltaic Solar Energy Converters“, Proc IRE, vol 48, s 1246-1263, 1960. Vid tidpunkten för sin rap- port drog Wolf den slutsatsen att framställandet av kristallina halvledarmaterial med var tekniskt möjligt, men användningen av dem i foto- voltiska celler syntes ej vara särskilt nyttig på grund av förlusten i Voc: I den ovan omnämnda artikeln av D.E. Carlson, nal of Noncrystalline Solids", vol 35 och 36 (1980), sid 707-717 föreslog också Carlson att gradering av bandgapet i de fràn silan avsatta donen "kan förbättra graderade energigap “Jour- donens egenskaper”. Inget förslag lämnades om hur band- gapet skulle graderas över ett väsentligt område annat vilket Carlson också Inget som helst förslag än förslaget om tillägg av Ge, har rapporterat som en brist. lämnades om ökning av bandgapet. att bandgapet hos amorfa Carlson föreslog senare kiselsolceller kan graderas i en silanomgivning för àstadkommande av en potentialgradient, som Skulle hjälpa till vid uppsamlandet av fotogenererade laddningsbärare. 455 554 7 Det var emellertid ej känt hur en sådan gradering skul- le kunna åstadkommas utan tillägg av germanium till a~Si:H, vilket, såsom tidigare påpekats, Carlson insåg förorsaka betydande reducering i alla de fotovoltiska parametrarna för solcellerna. Inbegripandet av väte i ovanstående silanförfarande har inte endast begräns- ningar pà grund av det fasta förhållandet mellan väte och kisel i silan utan, vilket är mest betydelsefullt, olika Si:H-bindningskonfigurationer inför nya antibind- ningstillstànd, som kan ha skadliga följder i dessa material. Det finns därför grundläggande begränsningar i reduceringen av tätheten av lokala tillstànd i dessa material, vilka begränsningar är särskilt ofördelaktiga uttryckt 1 effektiv P- liksom N-dopning. Den resulte- rande tillstàndstätheten i silanavsatta material leder till en snäv utarmningsbredd, som i sin tur begränsar verkningsgraderna hos solceller och andra don, vilkas arbete är beroende på driften av fria laddningsbärare.

Sättet att framställa dessa material genom användandet av enbart kisel och väte resulterar också i en hög tät- het av yttillstånd, som påverkar alla ovannämnda para- metrar. Ehuru de tidigare försöken att minska materialets bandgap var framgångsrika vad gäller gapreduceringen, har de samtidigt vidare tillfört tillstànd i gapet. Ökningen av tillstand i bandgapet resulterar i en minsk- ning eller total förlust av fotoledningsförmàga och är därmed motverkande vid framställning av fotokänsliga don.

Efter det att glimurladdningsavsättningen av kisel ur silangas utvecklades, utfördes arbete beträffande förstoftningsavsättning av amorfa kiselfilmer i atmos- fären av en blandning av argon (erfordrad av förstoft- ningsavsättningsprocessen) samt molekylärt väte för bestämning av resultaten av detta molekylära väte på egenskaperna hos den avsatta amorfa kiselfilmen. Denna forskning antydde att vätet verkade Som ett kompense- rande medel, vilket bands på sådant sätt att det min- 455 554 lO 8 skade de lokala tillstànden i energigapet. Graden, i vilken de lokala tillstånden i energigapet reducera- des vid förstoftningsavsättningsprocessen, var emeller- tid mycket mindre än den som uppnàddes genom det ovan beskrivna silanavsättningsförloppet. Defovan beskrivna P- och N-dopmedelsgaserna infördes också i förstoft- ningsförloppet för framställning av P- och N-dopade material. Dessa material hade en lägre dopningsverk- ningsgrad än de material som alstrades i glimurladd- ningsförloppet. Ingetdera förloppet framställde effek- tiva P-dopade material med tillräckligt höga acceptor- koncentrationer för framställning av kommersiella PN- eller PIN-övergàngsdon. N-dopningsverkningsgraden låg under önskvärda godtagbara kommersiella nivåer och P- -dopningen var särskilt oönskad, eftersom den minska- de bandgapets bredd och ökade antalet lokala tillstànd i bandgapet.

Den tidigare avsättningen av amorft kisel, vilket har förändrats med väte ur silangasen i ett försök att få det att närmare efterlikna kristallint kisel och vilket har dopats på ett sätt som liknar det för dop- ning av kristallint kisel, har egenskaper, som i alla betydelsefulla avseenden är sämre än de hos dopat kri- stallint kisel. Otillräckliga dopningsverkningsgrader och ledningsförmåga uppnàddes således särskilt i mate- rialet av P-typ, och de fotovoltiska egenskaperna hos dessa kiselfilmer lämnade mycket övrigt att önska.

Kraftigt förbättrade amorfa kisellegeringar med väsentligt minskade koncentrationer av lokala tillstànd i sina energigap och högkvalitativa elektroniska egenska- per har framställts genom glimurladdning, såsom fullstän- digt beskrivet i US patentskriften 4 226 898, och genom avsättning från àngfasen, såsom fullständigt beskrivet i US patentskriften 4 217 374. Såsom beskrivet i dessa patentskrifter införes fluor i den amorfa kiselhalvledaren för att väsentligt minska tätheten av lokala tillstànd i denna. Aktiverat fluor diffunderar särskilt lätt in 455 554 9 och binder vid det amorfa kislet i den amorfa stommen för att väsentligt minska tätheten av lokala defekta tillstånd däri, eftersom fluoratomernas ringa storlek gör det möjligt för dem att lätt införas i den amorfa stommen. Fluor binder vid de dinglande-bindningarna hos kislet och bildar vad som tros vara en delvis 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 förändrande medel. Fluor anses vara ett mer effektivt, kompenserande eller förändrande ämne än väte, då det utnyttjas ensamt eller tillsammans med väte, som följd av dess utomordentligt ringa storlek, höga reaktivitet, specificitet i kemisk bindning och högsta elektronegativitet. Fluor är således kvalitativt skilt från andra halogener, och betraktas därmed som en superhalogen.

Som ett exempel kan kompensering uppnås med fluor enbart eller i kombination med väte, varvid det eller dessa ämnen är tillagda i mycket små mängder (t ex bråk- delar av l atom-%). De mängder fluor och väte som det är mest önskvärt att använda är emellertid mycket större än dessa små procentsatser, så att en kisel-väte-fluor- legering bildas. Dessa legerande ämnen av fluor och väte kan exempelvis ligga i området l-5 i eller mer.

Det är troligt att den nya legering som bildas på detta sätt har en lägre täthet av defekta tillstånd i energi- gapet än vad som uppnås genom blott och bart neutrali- sering av dinglande bindningar och liknande defekta tillstànd. Dessa större mängder av speciellt fluor tros bidraga väsentligt till en ny strukturell konfiguration av ett amorft, kisel innehållande material samt under- lättar tillägget av andra legerande material, såsom germanium. Utöver sina andra här nämnda egenskaper tros fluor organisera den lokala strukturen i den kisel inne- hållande legeringen genom induktiva och joniska effek- ter. Det är troligt att fluor också påverkar vätebind- 455 554 ningen genom att pà ett gynnsamt sätt verka för att minska tätheten av defekta tillstànd, som väte bidrar med samtidigt som det verkar som ett tillstándstäthets- reducerande ämne. Den joniska roll som fluor spelar i en sådan legering tros vara en betydelsefull faktor uttryckt i förhållandet till närmsta granne.

Ett förbättrat spektralt gensvar hos amorfa fotokäns- liga kiseldon samt förbättrad uppsamling av fotogenerera- de laddningsbärare däri åstadkommas i överensstämelse med föreliggande uppfinning genom tillägg av ett eller flera bandgapsjusterande ämnen i kontinuerligt varieran- de mängder till en amorf, fotokänslig legering åtminstone i en eller flera delar av dess fotoströmsalstrande omrâde för gradering av bandgapsbredden för särskilda tillämp- ningar utan väsentlig ökning av de skadliga tillstànden i gapet. Materialets högkvalitativa elektroniska egen- skaper påverkas således ej vid bildande av legeringen med graderat bandgap.

Den amorfa legeringen inbegriper åtminstone ett tillstándstäthetsreducerande ämne, fluor. Det kompen- serande eller förändrande ämnet, fluor, och/eller andra ämnen kan tilläggas under avsättningen eller därefter.

Det eller de justerande ämnena kan aktiveras och kan tilläggas vid àngavsättnings-, förstoftnings- eller glimurladdningsprocesser. Bandgapet kan graderas efter behov för en särskild tillämpning genom införande av varierande mängder av ett eller flera justerande ämnen i den avsatta legeringen, åtminstone i en eller flera delar av dennas fotoströmsalstringsomràde.

Bandgapet graderas utan väsentlig höjning av an- talet tillstànd i legeringens och donens bandgap tack vare förekomsten av fluor i legeringen. De tidigare - silanavsatta filmerna avsättes typiskt på substrat, som är upphettade till 250-350°C, för att maximera in- i fil- merna. De tidigare försöken att minska bandgapet genom begripandet och kompenseringen av kisel med väte att addera germanium till denna film misslyckades på l5 455 554 ll grund av att väte-germaniumförbindningen är alltför svag för att vara stabil i den erfordrade temperaturen för avsättning pà substratet.

Närvaron av fluor i legeringen enligt uppfinningen ger en kisellegering, som skiljer sig fysiskt, kemiskt och elektrokemiskt från andra kisellegeringar på grund av att fluor inte endast binder kovalent till kislet utan också på positivt sätt åstadkommer den strukturel- la närordningen i materialet. Detta tillåter justerings- ämnen, såsom germanium, tenn, kol eller kväve, att effek- tivt adderas till legeringen, eftersom fluor bildar starkare och mer stabila bindningar än vad väte gör.

Fluor kompenserar eller förändrar kisel liksom det eller de bandjusterande ämnena i legeringen mer effektivt än väte tack vare de starkare, mer termiskt stabila bindningarna samt mer flexibla bindningskonfigurationer- na som följd av fluorbindningens joniska natur. Använd- ningen av fluor åstadkommer legeringen eller filmen, som finns beskriven i US patentskriften 4 217 374, i vilken tillstàndstätheten i bandgapet är mycket lägre än de som àstadkommes av en kombination av kisel och väte, såsom ur silan. Eftersom det eller de bandjuste- rande ämnena skräddarsytts till materialet för gradering av bandgapet utan tïlllägg av väsentliga skadliga till- stånd som följd av inverkan av fluor, bibehåller den nya legeringen högkvalitativa elektroniska egenskaper och fotoledningsförmâga, samt åstadkommer vidare ett elektriskt fält genom hela halvledaren för förbättring av fotovoltisk solenergiomvandling genom höjning av laddningsbäraruppsamlingsverkningsgraden. Väte förbätt- rar ytterligare den fluorkompenserade eller -förändrade legeringen och kan tilläggas under avsättningen till- sammans med fluor eller efter avsättningen, liksom är fallet med fluor och andra förändrande ämnen. Inbegri- pandet av väte efter avsättningen är fördelaktigt, då man önskar utnyttja de högre substrattemperaturer för avsättning som fluor tillåter. »35 455 554 12 Ehuru föreliggande uppfinnings principer gäller för var och en av de ovan nämnda avsättníngsprocesser- na, beskrives här i àskàdliggörande syfte en ånga samt en plasmaaktiverad àngavsättningsomgivning. Det i US patentskriften 4 226 898 avslöjade glimurladdningssy- vilka med fördel kan utnyttjas i förening med föreliggande uppfinnings stemet har andra processvariabler, principer.

Ett första ändamål med uppfinningen är följaktli- gen att åstadkomma ett fotospänningsdon, som innefattar överlagrade skikt av olika material, inbegripet en amorf halvledarlegeringskropp med ett aktivt fotokänsligt område, innefattande ett bandgap, vilket område kan träffas av strålning för âstadkommande av laddnings- bärare, varvid den amorfa legeringen innefattar åtmin- stone ett tillstàndstäthetsminskande ämne, som är fluor.

Ett fotospänningsdon av inledningsvis angivet slag kännetecknas enligt uppfinningen därav, att legeringen vidare i åtminstone den ena cellen innefattar germaníum som ett bandgapsjusterande ämne i varierande mängder åtminstone i det fotokänsliga omrâdet för att förbättra dess stràlningsabsorption utan att väsentligt öka till- stànden i gapet, varvid legeringens bandgap är graderat för ett angivet fotokänslighetsvàglängdsfunktionsområde.

I en föredragen utföringsform kan det fotokänsliga områdets bandgap vara mindre än 1,6 eV.

Vidare kan väte utnyttjas som ett andra tillstånds- täthetsreducerande ämne. Legeringen är lämpligen avsatt genom glimurladdningsavsättning.

Legeringsstommen innafattar med fördel justerings- ämnet i väsentligen diskreta skikt och/eller i varierande mängder. _ Den uppfinningsenliga legeringsstommen kan slutligen utgöra del av en Schottky-barriärsolcell, en MIS-solcell, ett PN-övergångsdon, ett PIN-don, ett fotodetektor eller en anordning för åstadkommande av en elektrisk bild.

Den föredragna utföringsformen av uppfinningen skall nu beskrivas i exemplífierande syfte under hän- 455 554 13 visning till medföljande ritningarna. Fig 1 åskådliggör en typ av PIN-solcell med ett bandgap, som år graderat i överensstämmelse med föreliggande uppfinning. Fig 2 är en schematisk bild av mer eller mindre konventio- nell vakuumavsättningsutrustning, till vilken har lagts ämnen för utförande av tillägget av fluor (och väte) genom tilllägget av molekylärt fluor eller fluor inne- hållande fluorföreningar, såsom SiF4, samt väteinlopp liksom genereringsenheter för aktiverat fluor och väte, vilka enheter sönderdelar det molekylära fluoret och vätet i ångavsättningsutrustningens evakuerade utrymme för omvandling av det molekylära fluoret och vätet till aktiverat fluor och väte samt ledning av ett eller båda mot substratet under avsättningen av en amorf legering, som innehåller kisel. Fig 3 åskådliggör vakuumavsätt- ningsutrustning, som är likartad den i fig 2 visade, tillsammans med genereringsorgan för aktiverat fluor (och väte), vilka organ innefattar en källa för ultra- violett ljus, som bestràlar substratet under förloppet för avsättning av den amorfa legeringen, varvid denna ljuskälla ersätter de generatorenheter för det aktive- rade fluoret och vätet som är visade i fig 2 liksom organen för alstring av justeringsämnet. Fig 4 åskåd- liggör vakuumavsättningsutrustningen i fig 2, till vil- ken har lagts ytterligare organ för dopning av avsätt- ningslegeringen med ett material, som åstadkommer N- eller P-ledningsförmàga. Fig 5 åskådliggör en tillämp- ning, där avsättningen av amorf legering och tillfö- randet av det aktiverade fluoret och vätet kan utföras som separata steg och i separata höljen. Fig 6 åskåd- liggör en exemplifierande apparat för diffundering av aktiverat väte in i en tidigare avsatt amorf legering.

Fig 7 är en fragmentarisk tvärsnittsvy av en utförings- form av en Schottky-barriärsolcell för åskådliggörande av en tillämpning av de amorfa fotokänsliga halvledar- legeringarna, vilka framställts genom processen enligt uppfinningen. Pig 8 är en fragmentarisk tvärsnittsvy av ett PN-övergàngssolcellsdon, som innefattar en dopad 455 554 14 amorf halvledarlegering, framställd genom sättet enligt uppfinningen. Pig 9 är en fragmentarisk tvärsnittsvy av ett fotodetekteringsdon, som innefattar en amorf halvledarlegering, som framställts genom sättet enligt uppfinningen. Fig 10 är en fragmentarisk tvärsnittsvy av en xerografitrumma, som innefattar en amorf halv- ledarlegering, som framställts genom sättet enligt upp- finningen. Fig ll är en fragmentarisk tvärsnittsvy av ett PIN-övergàngssolcellsdon. Fig 12 är en fragmentarisk tvärsnittsvy av ett NIP-övergångssolsellsdon. Pig 13 är en schematisk bild av ett plasmaaktiverat àngavsätt- ningssystem för avsättning av de amorfa legeringarna tillsammans med justeringsämnet eller -ämnena enligt uppfinningen, vilka är införlivade i legeringarna. Fig 14 är ett solspektrumstràlningsdiagram, som åskådliggör de normala solljusvàglängder, som är tillgängliga för olika fotokänsliga tillämpningar.

I fig l vartill först hänvisas, visas en PIN-sol- cell med ett bandgap, som är graderat pâ ett sätt enligt föreliggande uppfinning. Bandgapet för det egenledande området från N+-området till P+-området är graderat från 1,2 ev till 1,8 eV, exempelvis genom tillägg av ett eller flera bandjusterande ämnen. Det egenledan- de (I) området kan bildas av amorft Si:F, avsatt på ett i det följande~beskrivet sätt. Det minsta bandgapet på 1,2 eV kan uppnås genom tillägg av germanium eller tenn till det egenledande omrâdet, allteftersom detta avsättes. Gapet kan ökas från det värdet genom minsk- ning av den mängd germanium som tillägges under avsätt- ningen av det egenledande skiktet. Det slutliga band- gapsvärdet på 1,8 eV kan nås genom att man upphör med tillägget av det eller de bandjusterande ämnena germa- nium eller tenn nära slutet av avsättningen av det egen- ledande skiktet före avsättningen av P+-skiktet. Genom tillägg av ett eller flera justerande ämnen, som ökar bandgapet såsom kväve eller kol, kan bandgapet vidare ökas till l,8 eV eller mer nära P+-området. Kvävet kan tilläggas i form av ammoniak (NH3) och kolet kan tilläg- 455 554 gas i form av metan (CH4). Såsom kommer att beskrivas i detalj längre fram kan det eller de bandjusterande ämnena tilläggas för åstadkommande av det graderade bandgapet samtidigt som högkvalitativa elektroniska egenskaper och fotoledningsförmåga bibehàlles i cellen som följd av inbegripandet av fluor (och väte) i lege- ringen.

Som följd av det graderade bandgapet uppnås förbätt- rat utnyttjande av solenergi för alstringen av elektron- -hålpar. På grund av att det eller de bandjusterande ämnena kan tilläggas i vilka som helst mängder kan vida- re en mängd olika former av gradering (dvs kontinuerlig, intermittent eller stegvis gradering) uppnås. Dessutom kan N+- och P+-skikten också graderas pà samma sätt eller genom selektiv dopning. Bandgapet kan göras snä- vare än 1,2 eV genom införande av tenn i legeringen.

Det graderade bandgapet åstadkommer inte endast förbättrat solenergiutnyttjande utan skapar också ett elektriskt fält väsentligen genom hela donet, vilket fält hjälper till vid laddningsbäraruppsamling. Såsom kommer att framgå dominerar volymrekombination i a-Si:F vid frånvaron av elektriska fält. Detta minskar uppsam- lingsverkningsgraden, eftersom utanför utarmningsområdet fotogenererade laddnlngsbärare går förlorade. Som följd av det graderade bandgapet skapas emellertid ett inbyggt elektriskt fält, som minskar övergångstiden i jämförelse med laddningsbärarnas livslängd, så att väsentligen alla laddningsbärare uppsamlas, förutsatt att fältet överstiger ett minsta värde genom hela halvledarområdet.

Det framgår också av fig l att valensbandet har lutats. Såsom åskådliggjort är det snedställt från N+- -skiktet till P+-skiktet. Denna svaga lutning tillåter fotonalstrande hål att driva mot P+-skiktet för üppsam- ling. Denna lutning kan åstadkommas genom selektiv dop- ning i små mängder, då det egenledande skiktet avsät- tes. En sådan verkan kan också uppnås genom uppbyggande av en rymdladdning istället för genom dopning. När väl ett sådant rymdladdningsområde förefinns, kommer de 455 554 16 alstrade hålen att vara fria att röra sig mot P+-skiktet för uppsamling.

Genom gradering av bandapet på det sätt som är åskàdliggjort i fíg l kommer en viss svag minskning i Voc att inträffa över en legering med enkelt bandgap på 1,8 eV, eftersom det lägsta bandgapet i den graderade legeringen väsentligen bestämmer Voc. Jsc ökas emel- lertid till följd av den mer effektiva användningen av solenergin för alstringen av elektron-hàlpar samt den mer effektiva uppsamlingen av de alstrade laddnings- bärarna. Donets totala funktionssätt kan därmed för- bättras, särskilt för ett utnyttjande där högre strömmar men lägre spänningar erfordras eller är godtagbara.

En breddning av bandgapet över 1,8 eV ökar också den mängd solljus som är tillgänglig för användning i donet.

I fig 2, vartill det nu hänvisas, visas en utrust- ning lO för avsättning från ångfasen, vilken utrustning kan vara konventionell ångavsättningsutrustning, till vilken är lagd nedan beskrivna organ för injicering av aktiverat kompenserande eller förändrande material.

Såsom àskådliggjort innefattar denna utrustning en glas- klocka 12 eller liknande hölje, som innesluter ett eva- kuerat utrymme 14, i vilket är belägen en eller flera deglar, såsom en degel 16, vilken innehåller det amor- fa, filmalstrande halvledarämnet eller -ämnena, som skall avsättas på ett substrat 18. I den beskrivna fOr' men av uppfinningen innehåller degeln 16 från början kisel för bildande av en amorf legering, som innehål- ler kisel på substratet 18, vilket exempelvis kan vara en metall, en kristallin eller polykristallin halvleda- re eller annat material, pà vilket man önskar forma legeringen, som skall avsättas genom förloppet enligt föreliggande uppfinning. En elektronstràlekälla 20 är anordnad invid degeln 16, vilken schematiskt åskådlig- gjorda elektronstrålekälla vanligen innefattar en glöd- tràd samt stràlavböjningsorgan (ej visade), som leder en elektronstråle mot kislet i degeln 16 för att för- 455 554 17 ånga detta.

En högspänd likströmskälla 22 lämnar en lämplig hög spänning, exempelvis 10 000 V likspänning, varvid källans positiva anslutning är kopplad via en styren- het 24 och en ledare 26 till degeln 16. Strömkällans negativa anslutning är kopplad via styrenheten 24 och en ledare 28 till elektronstràlekällans 20 glödtràd.

Styrenheten 24 innefattar reläer eller liknande för avbrytande av förbindningen mellan strömkällan 22 och ledarna 26 och 28, när filmtjockleken hos en legeringe- avsättningen avkännande enhet 30 i det evakuerade ut- rymmet 14 nàr ett givet värde, vilket är inställt genom påverkan av ett manuellt styrorgan 32 pà en styrpanel 34 hos styrenheten 24. Den legeringskännande enheten innefattar en kabel 36, som sträcker sig till styr- enheten 24, vilken innefattar välkända medel för att reagera pá bàde tjockleken av den legering som är av- satt på den legeringskännande enheten 30 samt takten i legeringens avsättning. Ett manuellt styrorgan 38 pà styrpanelen 34 kan vara anordnat för att bestämma den önskade avsättningstakten för legeringen styrt medelst värdet pà den ström som matas till glödtràden i elek- tronstràlekällan via en ledare 40 pà välkänt sätt.

Substratet l8'är uppburet på en substrathállare 42, pà vilken en värmare 44 är monterad. En kabel 46 matar drivström till värmaren 44, som styr temperatu- ren hos substrathållaren 42 och substratet 18 i överens- stämmelse med en temperaturinställning, som är bestämd av ett manuellt styrorgan 48 på styrpanelen 34 till styrenheten 24.

Klockan 12 är visad såsom sträckande sig uppåt från ett stödunderlag 50, från vilket de olika kablar- na och andra förbindningarna till komponenterna inuti klockan 12 kan sträcka sig. Stödunderlaget 50 är mon- terat pà ett hölje 52, vilket är förbundet med en led- ning 54, som är ansluten till en vakuumpump 56. Vakuum- pumpen 56, som kan arbeta kontinuerligt, evakuerar ut- 455 554 18 rymmet 14 inuti klockan 12. Det önskade trycket i klockan inställes medelst en styrratt 58 på styrpanelen 34.

I denna form av uppfinningen styr denna inställning tryckniván, vid vilken flödet av aktiverat fluor (och väte) regleras in i klockan 12. Om styrratten är in- ställd på ett klocktryck på 10-4 torr, kommer således flödet av fluor (och väte) in i klockan 12 att vara sådant att detta tryck upprätthàlles i klockan alltefter- som vakuumpumpen 56 fortsätter att arbeta.

Källor 60 och 62 för molekylärt fluor och väte är visade anslutna via ledningar 64 resp 66 till styr- enheten 24. En tryckkännare 68 i klockan l2 är medelst en kabel 70 kopplad till styrenheten 24. Flödesventiler 72 och 74 styres av styrenheten 24 för upprätthållandet av det inställda trycket i klockan. Ledningar 76 och 78 sträcker sig från styrenheten 24 och passerar genom stödunderlaget 50 in i klockans 12 evakuerade utrymme 14. Ledningarna 76 och 78 är anslutna till enheterna 80 och 82 för generering av aktiverat fluor och väte, vilka enheter omvandlar det molekylära fluoret respek- tive vätet till aktiverat fluor och väte, som kan vara atomära och/eller joniserade former av dessa gaser.

Enheterna 80 och 82 för generering av aktiverat fluor _ och väte kan vara upphettade volframtrådar, som höjer de molekylära gaserna till dessas sönderfallstemperatur, eller en plasmagenereringsenhet, som är välkänd inom tekniken för åstadkommande av ett plasma av sönderdela- de gaser. Aktiverat fluor och väte i joniserade former, bildade av plasma, kan också accelereras och injiceras i den sig avsättande legeringen genom påläggande av ett elektriskt fält mellan substratet och den aktive- rande källan. I vartdera fallet är enheterna 80 och_ 82 för generering av aktiverat fluor och väte företrä- desvis placerade i den omedelbara närheten av substratet 18, så att det relativt kortlivade aktiverade fluoret och vätet, som avges från enheterna, omedelbart inji- ceras i substratets 18 närhet, där legeringen avsättes. 455 554 19 Såsom tidigare angivet kommer åtminstone fluor att vara inbegripet i legeringen och väte också företrädesvis inbegripet. Det aktiverade fluoret (och vätet) liksom andra kompenserande eller förändrande ämnen kan också framställas ur föreningar som innehåller ämnena, istäl- let för ur en källa för molekylär gas.

För framställning av användbara amorfa legeringar, vilka har de önskade egenskaperna för användning i foto- känsliga don, såsom fotomottagare, solceller, PN-över- gångströmregleringsdon, etc, åstadkommer, såsom tidi- gare angivit, de kompenserande eller förändrande medlen, materialen eller ämnena en mycket låg täthet av lokala tillstånd i energigapet utan att ändra den grundläggan- de egenledande egenskapen hos filmen. Detta resultat uppnås med relativt smà mängder av aktiverat fluor och väte, så att trycket i det evakuerade klockutrymmet 14 fortfarande kan vara ett relativt lågt tryck (såsom -4 torr). Gastrycket i generatorn kan vara högre än trycket i klockan genom att storleken på generatorns utlopp justeras. 3 Substratets 18 temperatur justeras för erhållande av maximal reducering i tätheten av lokala tillstånd i energigapet för ifrågavarande amorfa legering. Sub- stratets yttemperatur kommer i allmänhet att vara sådan, att den säkerställer hög rörlighet hos de sig avsättande materialen, och företrädesvis en temperatur under den sig avsättande legeringens kristallisationstemperatur.

Substratets yta kan bestrålas med strålningsener- gi för att ytterligare öka rörligheten hos det sig av- sättande legeringsmaterialet, exempelvis genom monte- ring av en källa för ultraviolett ljus (ej visad) i klockutrymmet 14. Istället för generatorenheterna 8Q och 82 för aktiverat fluor och väte i fig 2 kan dessa enheter alternativt ersättas av en källa 84 för ultra- violett ljus, visad i fig 3, vilken källa riktar ultra- violett energi mot substratet 18. Detta ultravioletta ljus kommer att sönderdela det molekylära fluoret (och 455 554 vätet) såväl skilt från som vid substratet 18 för bil- dande av aktiverat fluor (och väte), som diffunderar in i den sig avsättande amorfa legeringen, som konden- seras på substratet 18. Det ultravioletta ljuset för- bättra: också ytrörligheten hos det sig avsättande le- geringsmaterialet.

I fig 2 och 3 kan de bandgapsjusterande ämnena tilläggas i gasform på identiskt sätt med fluoret och vätet genom utbyte av vätegeneratorn 82 eller genom tillägg av en eller flera generatorer 86 och 88 (fig 3) för aktiverat justeringsämne. Såsom tidigare nämnts varieras mängden av det eller de justerande ämnena under avsättningen för åstadkommande av det graderade bandgapet.

Var och en av dessa generatorer 86 och 88 kommer typiskt att vara tillägnad ett av justeringsämnena, såsom ger- manium eller tenn. Generatorn 36 skulle exempelvis kunna tillföra germanium såsom i form av germangas (GeH4), eller kol i form av metangas (CH4).

Nu hänvisas till fig 4, som åskådliggör tillägg till den i fig 2 visade utrustningen för tillförande av andra medel eller ämnen till den sig avsättande lege- ringen. Ett dopmedel med ledningsförmåga av N-typ, så- som fosfor eller arsenik, kan exempelvis tilläggas från början för att göra den màttligt egenledande legeringen av N-typ till en legering~av mer väsentlig N-typ, och sedan kan ett P-dopmedel, såsom aluminium, gallium eller indium, tillföras för bildande av en god PN-övergång inuti legeringen. En degel 90 är visad för mottagning av ett sådant dopmedel som arsenik, vilket föràngas genom att det bombarderas med en elektronstràle från en elektronstrålekälla 92, såsom den tidigare beskriv- na strålekällan 20. Takten, i vilken dopmedlet förångas till atmosfären i klockan 12 och vilken är bestämd av intensiteten hos den elektronstràle som alstras av elek- tronstràlekällan 92, är inställd medelst ett manuellt styrorgan 94 på styrpanelen 34, vilket organ styr den 455 554 21 ström Som matas till den glödtràdsbildande delen i den- na stràlkälla för âstadkommande av den inställda föràng- ningstakten. Förångningstakten mätes medelst en tjock- leksavkännande enhet 96, på vilken dopmedelsmaterialet avsättes och vilken alstrar en signal på en kabel 98, som sträcker sig mellan enheten 96 och styrenheten 24, vilken signal anger takten, i vilken dopmedelsmateria- let avsättes på enheten 96.

Efter det att den önskade tjockleken av amorf lege- ring med den önskade graden av N-ledningsförmåga har avsatts, avslutas föràngningen av kisel och av dopmedlet med ledningsförmàga av N-typ och degeln 90 (eller en annan ej visad degel) förses med ett beskrivet dopmedel med ledningsförmåga av P-typ, varefter avsättningsför- loppet för den amorfa legeringen och dopmedlet fortsät- ter som tidigare för ökning av den amorfa legeringens tjocklek med ett område i legeringen med ledningsför- màga av P-typ.

Det eller de bandjusterande ämnena kan också tilläg- gas genom ett förlopp, som är likartat det som beskrivits för dopmedlet, genom utnyttjande av en annan degel, likartad degeln 90.

I det fall dà_de amorfa legeringarna innefattar två eller flera ämnen, vilka är fasta vid rumstempera- tur, sä är det vanligen önskvärt att var för sig för- ånga vartdera ämnet, placerat i en särskild degel, och att styra avsättningstakten av respektive ämne pà nagot lämpligt sätt, exempelvis medelst inställningsstyrorgan pà styrpanelen 34, vilka i förening med avsättningstak- ten och avsättningstjockleken avkännande enheter styr den sig avsättande legeringens tjocklek och sammansätt- ning. q Ehuru aktiverat fluor (och väte) tros vara de mest fördelaktiga kompenserande medlen för användning vid kompensering av amorfa legeringar, som innefattar kisel, kan i överensstämmelse med uppfinningens vidare aspek- ter andra kompenserande eller förändrande medel använ- 455 554 22 das. Exempelvis kan kol och syre vara användbara för att minska tätheten av lokala tillstånd i energigapet, då dessa ämnen användes i små mängder för att ändra legeringens egenledande egenskap.

Ehuru, såsom tidigare angivet, det är föredraget att kompenserande samt andra medel införlivas i den amorfa legeringen, allteftersom denna avsättes, kan förloppet för avsättning av amorf legering samt för- loppet för injicering av det kompenserande samt andra medel i halvledarlegeringen utföras i en omgivning, som är fullständigt skild från avsättningen av den amor- fa legeringen. Detta kan ge en fördel i vissa tillämp- ningar, eftersom förhållandena för injicering av sådana medel då är fullständigt oberoende av förhållandena för legeringens avsättning. Om ångavsättningsförloppet åstadkommer en porös legering, kan, såsom tidigare för- klarats, legeringens porositet i vissa fall lättare minskas medelst helt annorlunda omgivningsförhållanden än de som förefinns vid ângavsättningsförloppet. För detta ändamål hänvisas nu till fig 5 och 6, som åskådlig- gör det amorfa avsättningsförloppet, varvid förloppet för diffusion av det kompenserande eller förändrande medlet utföres som separata steg i fullständigt skilj- aktiga omgivningar; Fig 6 åskådliggör en apparat för utförande av kompensationsdiffusionsförloppet i efter- hand.

Såsom visat är en lågtrycksbehàllarestomme 100 anordnad, vilken har en làgtryckskammare 102 med en öppning 104 vid sin övre del. Denna öppning lO4 är slu- ten medelst en kåpa 106 med gängor 108, som gör ingrepp kring ett motsvarande gängat parti på ytterdelen av behàllarstommen 100. En tätande 0-ring 110 är inlagd mellan kåpan 106 och den övre ytan hos behàllarstom- men. En provhållande elektrod ll2 är monterad på en isolerande bottenvägg ll4 i kammaren 100. Ett substrat 116, på vilket en amorf halvledarlegering 118 redan har avsatts, är placerat på elektroden ll2. Substratets 455 554 23 116 övre yta innehåller den amorfa legeringen 118, som skall förändras eller kompenseras på det sätt som nu skall beskrivas.

Pà avstånd över substratet 116 finns en elektrod 120. Elektroderna 112 och 120 är medelst kablar 122 och 124 kopplade till en likströms- eller radiofrekvens- matningskälla 126, som pålägger en spänning mellan elek- troderna 112 och 120 för âstadkommande av ett aktiverat plasma av den kompenserande eller förändrande gasen eller gaserna, såsom fluor, väte och liknande, vilka matas in i kammaren 102. För enkelhets skull åskådlig- gör fig 6 endast inmatning av molekylärt väte i kamma- ren 102 medelst en inloppsledning 128, som går genom kåpan 106 och sträcker sig från en förrádsbehàllare 130 av molekylärt väte. Andra kompenserande eller för- ändrande gaser (såsom fluor och liknande) kan också på likartat sätt matas in i kammaren 102. Rörledningen 128 är visad ansluten till en ventil 132 nära behållaren 130. Ett flödeshastighetsindikerande mätdon 134 är visat anslutet till inloppsledningen 128 bortom ventilen 132.

Lämpliga organ är anordnade för uppvärmning av kammarens 102 inre, så att substratets temperatur lämp-_ ligen höjes till en temperatur under men nära filmens 118 kristalliseringstemperatur. Värmetràdslindningar 136 är visade i kammarens 102 bottenvägg 114, till vilka lindningar en ej visad kabel är ansluten, vilken kabel går genom behàllarestommens 100 väggar till en ström- källa för uppvärmning av bottenväggen.

Den höga temperaturen tillsammans med ett gasplas- ma, som innehåller ett eller flera kompenserande ämnen och är utvecklat mellan elektroderna 112 och 120, åstad- kommer en reducering av de lokala tillstånden i lege- ringens bandgap. Kompenseringen eller förändringen av den amorfa legeringen 118 kan förstärkas genom besträl- ning av den amorfa legeringen 118 med stràlningsenergi fràn en källa 138 för ultraviolettljus, vilken källan är visad utanför behàllarstommen 100 och riktar ultra- 455 554 24 violett ljus in mellan elektroderna 112 och 120 genom ett kvartsfönster 140, som är monterat i sidoväggen till behållarstommen lOO.

Det låga trycket eller vakuumet i kammaren 102 kan utvecklas av en ej visad vakuumpump, såsom pumpen 56 i fig 2. Kammarens 102 tryck kan vara av storleksord- ningen O,3-2 torr med en substrattemperatur av storleks- ordningen 200-450°C. Det aktiverade fluoret (och vätet) liksom andra kompenserande eller förändranden ämnen kan också framställas ur föreningar, som innehåller ämnena, istället för ur en källa för molekylär gas, såsom tidigare nämnd.

En mängd olika användningar av de förbättrade amor- fa legeringar som framställes genom de unika proces- serna enligt uppfinningen är åskådliggjorda i fig 7-12.

Fig 7 visar en Schottky-barriärsolcell 142 i fragmen- tariskt tvärsnitt. Solcellen l42 innefattar ett substrat eller en elektrod 144 av ett material med goda elektriska ledningsegenskaper samt förmåga att göra ohmsk eller spärrfri kontakt med en amorf legering 146, vilken kom- penserats eller förändrats för àstadkommande av låg täthet av lokala tillstànd i energigapet samt har ett bandgap, som är optimerat genom processerna enligt före- liggande uppfinning. Substratet 144 kan innefatta en metall av låg arbetsfunktion, såsom aluminium, tantal, rostfritt stål eller annat material, som är anpassat till den amorfa legering 146 som är avsatt därpå, vilken legering företrädesvis innefattar kisel kompenserat eller förändrat på sättet för de tidigare beskrivna legeringarna, så att den har låg täthet av lokala till- stånd i energigapet på företrädesvis ej mer än lOl6 per cm3 per elektronvolt. Mest föredraget är att lege- ringen har ett område l48 närmast elektroden 144, vil- ket område bildar en kraftigt dopad gränsyta med led- ningsförmåga av N+-typ och med låg resistans mellan elektroden och ett odopat område 150 med relativt hög mörkerresistans, vilket området är ett egenledande om- 455 554 ràde med låg ledningsförmåga av N-typ och graderat band- gap, såsom tidigare beskrivits.

Sàsom sedd i fig 7 ansluter den amorfa legeringens 146 övre yta till ett metallomràde 152, varvid gräns- ytan mellan detta metallområde och den amorfa legeringen 146 bildar en Schottky-barriär 154. Metallområdets 152 är genomsynligt eller halvgenomsynligt för solstràl- ning, har god elektrisk ledningsförmåga samt har en hög arbetsfunktion (exempelvis 4,5 ev eller större, exempelvis alstrad av guld, platina, palladium, etc) relativt den för den amorfa legeringen 146. Metallom- rådet 152 kan vara ett enda skikt av en metall eller kan bestå av flera skikt. Den amorfa legeringen 146 kan ha en tjocklek pà ungefär 0,5-l um och metallområdet 152 kan ha en tjocklek på ungefär 100 A för att vara halvgenomsynlig för solstrålning.

På ytan av metallomrádet 152 är en av en metall med god elektrisk ledningsförmàga framställd gallerelek- trod 156 avsatt. Gallret kan innefatta ortogonalt rela- terade linjer av ledande material, som upptar endast en mindre andel av metallomràdets area, medan resten av området skall friläggas för solenergi. Gallret 156 kan exempelvis uppta endast ungefär 5-10 % av metall- områdets 152 hela area. Gallerelektroden 156 samlar likformigt upp ström från metallomràdet 152 för säker- ställande av en god, làg serieresistans för donet.

Ett anti-reflexskikt 158 kan vara påfört över gal- lerelektroden 156 och metallomràdets 152 områden mel- lan gallerelektrodomràdena. Anti-reflexskiktet 158 har en solstràlningsmottagande yta 160, mot vilken solstrál- ning infaller. Anti-reflexskiktet 158 kan exempelvis ha en tjocklek av samma storleksordning som storleken av våglängden för punkten för maximal energi i solstràl- ningsspektrumet, dividerad med 4 ggr brytningsindexet för anti-reflexskiktet.l58. Om metallområdet 152 består av platina med en tjocklek på 100 Å, skulle ett lämp- 455 554 26 ligt anti-reflexskikt 158 bestå av zirkoniumoxid med en tjocklek på ungefär 500 Å och ett brytningsindex på 2,1.

Det eller de bandjusterande ämnena tillföres det fotoströmsalstrande området 150 i varierande mängder under avsättningen. Den vid gränsytan mellan områdena 150 och 152 bildade Schottky-barriären 154 gör det möj- ligt för fotoner från solstràlningen att åstadkomma laddningsbärare i legeringen 146, vilka uppsamlas som ström av gallerelektroden 156. Ett ej visat oxidskikt kan tilläggas mellan skikten 150 och 152 för åstadkom- mande av en MIS (metall-isolator-halvledare)~s0lcell.

Utöver den i fig 7 visade Schottky-barriärsolcel- len eller MIS-solcellen finns det solcellskonstruktioner, vilka utnyttjar PN-övergångar i stommen av den amorfa legeringen, som bildar del av solcellen och är bildad i överensstämmelse med successiva avsättnings-, kompen- serings- eller förändrings- samt dopningssteg, såsom de tidigare beskrivna. Dessa andra former av solceller är allmänt åskàdliggjorda i fig 8 liksom i fig ll och 12.

Dessa konstruktioner 162 innefattar allmänt en genomsynlig elektrod 164, genom vilken solstràlningsenergi tränger in i ifrågakommande solcellsstomme. Mellan denna genomsynliga elektrod och en motsatt elektrod 166 är en amorf legering 168 avsatt, vilken legering företrädes- vis innefattar kisel och fràn början är kompenserad på det tidigare beskrivna sättet. I denna amorfa lege- ring 168 finns åtminstone två intilliggande områden 170 och 172, där den amorfa legeringen har motsatt dopa- de områden, varvid området l7O är visat såsom ett område med ledningsförmàga av N-typ och området 172 är visat som ett omrâde med ledningsförmága av P-typ. Dopningen av områdena 170 och 172 är endast tillräcklig för att flytta Fermi-nivåerna till de ifràgakommande valens- och ledningsbanden, så att mörkerledningsförmàgan för- . 455 554 27 blir på ett lågt värde, vilket uppnås genom bandjuste- rings- och kompenserings- eller förändringssättet enligt uppfinningen. Legeringen 168 har kraftigt dopade, spärr- fria gränsytomràden 174 och 176 med hög ledningsförmåga och samma ledningsförmåga som legeringens_l68 intillig- gande omràde. Legeringsområdena 174 och 176 gör kontakt med elektroder 164 resp 166. Justeringsämnet eller -ämne- na är tillagda åtminstone områdena 170 och/eller 172 för gradering av bandgapet.

I fig 9, vartill det nu hänvisas, àskådliggöres en annan användning av en amorf legering, utnyttjad i ett fotodetektordon 178, vars resistans varierar med den mängd ljus som träffar det. En amorf legering 180 i donet är bandgapsjusterad och -kompenserad eller -för- ändrad i överensstämmelse med uppfinningen, har inga PN-övergàngar som i utföringsformen enligt fig 8 och är belägen mellan en genomsynlig elektrod 182 och en substratelektrod 184. I ett fotodetektordon är det önsk- värd att ledningsförmågan i mörker är minimal och där- för har den amorfa legeringen 180 ett odopat, men kom- penserat eller förändrat område 186 samt kraftigt dopa- de områden 188 och 190 av samma typ av ledningsförmåga, vilka senare områden bildar en spärrfri kontakt med låg resistans med elektroderna 182 och 184, som kan bilda ett substrat'för legeringen 180. Det eller de justerande ämnena är tillagda åtminstone till Områået 186 för att gradera dess bandgap för bättre känslighet.

I fig 10, vartill hänvisas, àskàdliggöres en an- ordning 192 för åstadkommande av elektrostatisk bild (såsom en xerografitrumma). Donet 192 har en odopad eller svagt P-dopad amorf legering 194 med låg lednings- förmåga i mörker och selektiv vàglängdströskel, vilken legering är avsatt på ett lämpligt substrat 196, såsom en trumma. Det eller de justerande ämnena är tillagda legeringen 194 för att gradera bandgapet för förbättrad känslighet.

Såsom använda häri avser termerna kompenserande 455 554 28 medel eller material och förändrande medel, ämnen eller material sådana material som är inbegripna i den amorfa legeringen för förändring eller ändring av dennas struk- tur, såsom aktiverat fluor (och väte), inbegripet i den amorfa legeringen som innehåller kisel för bildan- de av en amorf legering med sammansättningen kisel- fluor-väte, med ett önskat bandgap samt en låg täthet av lokala tillstànd i energigapet. Det aktiverade fluoret (och vätet) är bundet vid kislet i legeringen samt redu- cerar tätheten av lokala tillstånd i denna. Som följd av den ringa storleken hos fluor- och väteatomerna kan de båda enkelt införas i den amorfa legeringen utan väsentlig dislokation av kiselatomerna och dessas sam- band i den amorfa legeringen. Detta är alldeles sär- skilt sant pà grund av fluorets extrema elektronegati- vitet, specifikhet, ringa storlek och reaktionsförmåga, vilka egenskaper samtliga hjälper till att påverka och organisera legeringarnas lokala ordning. Vid skapandet av denna nya legering är fluors starka induktiva krafter och dess förmåga att verka organiserande på närordningen av betydelse. Fluors förmåga att binda både kisel och väte resulterar i bildandet av nya och överlägsna le- geringar med ett minimum av lokala defekta tillstànd i energigapet. Fluor och väte införes följaktligen utan väsentligt bildande av andra lokala tillstånd i energi- gapet i och för bildande av de nya legeringarna.

I fig ll, vartill nu hänvisas, åskådliggöres en PIN-solcell 198 med ett substrat 200, som kan vara glas eller en böjlig väv, bildad av rostfritt stål eller aluminium. Substratet 200 har önskad bredd och längd samt företrädesvis en tjocklek på åtminstone 76,2 um.

På substratet är ett isolerande skikt 202 avsatt genom ett konventionellt förfarande såsom kemisk avsättning, avsättning från ångfasen eller eloxidering i fallet med aluminiumsubstrat. Skiktet 202, som exempelvis är um tjockt, kan bestå av en metalloxid. För ett alu- miniumsubstrat är det företrädesvis en aluminiumoxid 455 554 29 (Al2O3) och för ett substrat av rostfritt stål kan det vara kiseldioxid (Si02) eller annat lämpligt glas.

En elektrod 204 är avsatt i ett eller flera skikt ovanpå skíktet 202 för bildande av en baselektrod för cellen 198. Elektrodskiktet eller -skikten 204 är avsat- ta från àngfasen, vilket är en relativt snabb avsätt- ningsprocess. Elektrodskikten är företrädesvis reflek- terande metallelektroder av molybden, aluminium, krom eller rostfritt stål för en solcell eller fotovoltiskt don. Den reflekterande elektroden är att föredraga, eftersom i en solcell ej absorberat ljus, vilket pas- serar genom halvledarlegeringen, reflekteras från elek- trodskikten 204, där det åter passerar genom halvledar- legeringen, som dà absorberar mer av ljusenergin för höjning av donets verkningsgrad.

Substratet 200 placeras sedan i avsättningsomgiv- ningen. De särskilda exempel som är visade i fig ll och 12 áskàdliggör nâgra PIN-övergàngsdon, vilka kan framställas under utnyttjande av förbättrade sätt och material enligt uppfinningen. Vart och ett av de i fig ll och l2 åskàdliggjorda donen har en legeringsstomme med en total tjocklek pà mellan ungefär 3000 och 30 000 Å.

Denna tjocklek säkerställer att där ej finns nâgra nal- stick eller andra fysiska defekter i strukturen samt att ljusabsorptionsverkningsgraden är maximal. Ett tjocka- re material kan absorbera mer ljus, men vid någon tjock- lek kommer ej mer ström att alstras, eftersom den stör- re tjockleken tillåter mer rekombination av de ljusalstra- de elektron-hàlparen (det inses att tjocklekarna för de olika skikten som är visade i fig 7-12 ej är ritade i skala).

Vad först gäller bildandet av NIP-donet l98 formas detta genom att avsättning först sker av ett kraftigt dopat N+-legeringsskiktet 206 på elektroden 204. När väl N+-skiktet 206 är avsatt, avsättes ett egenledande (I) legeringsskikt 208 ovanpå skiktet 206. Det egenledan- de skiktet 208 följes av ett kraftigt dopat, ledande 455 554 P+-legeringsskiktet 210, vilket avsättes som det sista halvledarskiktet. Legeringsskikten 206, 208 Och 210 bildar de aktiva skikten i NIP-donet 198.

Ehuru vartdera av de i fíg ll och l2 áskådliggjor- da donen kan ha andra användningsområden, skall de nu beskrivas såsom fotovoltiska don. Utnyttjat som ett fotovoltiskt don är det valda yttre P+-skiktet 210 ett kraftigt ledande legeringsskikt med låg ljusabsorption.

Det egenledande legeringsskiktet 208 har en graderad våglängdströskel för fotokänslighet för solljus, hög ljusabsorption, låg mörkerledningsförmåga samt hög foto- ledningsförmåga, innefattande tillräckliga och varieran- de mängder av det eller de justerande ämnena för gra- dering av bandgapet. Det undre legeringsksiktet 204 är ett N+-skikt med låg ljusabsorption och hög lednings- förmåga. Den totala dontjockleken mellan elektrodskik- tets 206 inre yta och P+-skiktets 210 övre yta är, såsom tidigare angivet, av storleken åtminstone ungefär 3000 Å.

Tjockleken av det N+-dopade skiktet 206 ligger företrä- desvis i omràdet 50 - 500 Å. Tjockleken av den amorfa justeringsämnet innehållande, egenledande legeringen 208 är företrädesvis mellan ungefär 3000 A och 30 000 Å.

Tjockieken av det öyre P+-kantaktskiktet 210 är före- trädesvis också mellan ungefär 50 A och 500 A. Som följd av den kortare diffusionsväglängden för hålen kommer P+-skiktet allmänt att vara så tunt som möjligt och av storleksordningen 50-- 150 Å. Vidare kommer det yttre skiktet (här P+-skiktet 210) att oberoende av om det är av N+- eller P+-typ hållas så tunt som möjligt för undvikande av ljusabsorption i det kontaktskiktet och kommer allmänt ej att innefatta det eller de bandgaps- justerande ämnena. 'u En andra typ av PIN-övergångsdon 212 är åskådlig- gjord 1 fig 12. 1 aetta aan är ett första P+-skikt 214 avsatt på elektrodskiktet 204' följt av ett egenledan- de amorft legeringsskikt 216, som innehåller det eller de bandgapsjusterande ämnena i de varierande mängder- 455 554 31 na för att gradera bandgapet, ett amorft N-legerings- skikt 218 samt ett yttre amorft N+-legeringsskiktet 220. Ehuru det egenledande legeringsskiktet 208 eller 216 (i fig ll och 12) är en amorf legering, är vidare de andra skikten ej begränsade till detta utan kan vara polykristallina, såsom skiktet 214. (Omvändningen av konstruktionen enligt fig ll och 12 är ej åskàdliggjord men kan också utnyttjas).

Efter avsättningen av de olika halvledarlegerings- skikten i den önskade ordningen för donen 198 och 212, utföres ett ytterligare avsättningssteg, företrädesvis i en separat avsättningsomgivning. Det är önskvärt att en omgivning för avsättning från ångfasen utnyttjas, eftersom den är en snabb avsättningsprocess. I detta steg tillägges ett skikt 222 av genomsynlig, ledande oxid (TCO-skikt), vilket exempelvis kan vara indiumtenn- oxid (ITO), kadmiumstannat (Cd2Sn04), eller dopad tenn- oxid (SnO2). TCO-skiktet kommer att tilläggas efter den i efterhand utförda kompenseringen med fluor (och väte), om filmerna ej avsattes tillsammans med ett eller flera av de önskade kompenserande eller förändrande ämnena i skiktet. De andra, ovan beskrivna kompenseran- de eller förändrande ämnena kan också tilläggas genom kompensering efteråt.

Ett elektrodgaller 224 kan tillföras vartdera av donen 198 eller 212, om så önskat. För ett don med till- räckligt liten area är TCO-skiktet 222 i allmännhet tillräckligt ledande, varför gallret 224 ej är nödvän- digt för god donverkningsgrad, Om donet har tillräck- ligt stor area eller om ledningsförmâgan hos TCO-skiktet 222 är otillräcklig, kan gallret 224 placeras pà skiktet 222 för att kortsluta laddningsbärarbanan och öka°led- ningsverkningsgraden hos donen.

I fig 13, vartill nu hänvisas, àskàdliggöres en utföringsform av en plasmaaktiverad ångavsättningskam- mare 226, i vilken halvledaren och det eller de band- justerande ämnena enligt uppfinningen kan avsättas. :455 554 32 En styrenhet 228 utnyttjas för att styra avsättningspara- metrarna, såsom tryck, flödeshastigheter, etc, pà ett sätt som är likartat det som tidigare beskrivits i sam- band med enheten 24 (fig 2). Trycket skulle upprätt- hållas på ungefär lO_3 En eller flera reaktionsgasrörledningar, såsom ledningar 230 och 232, kan utnyttjas för att tillföra sådana gaser som kiseltetrafluorid (SiF4) och väte (H2) till ett plasmaomráde 234. Plasmaomràdet 234 upprättas torr eller mindre. mellan en spole 236, som matas av en likströmskälla (ej àskàdliggjord), och en anod 238. Plasmat aktiverar den eller de tillförda gaserna för tillförsel av akti- verat fluor (och väte) för avsättning på ett substrat 240. Substratet 240 kan upphettas till den önskade av- sättningstemperaturen medelst värmarorgan, såsom tidi- gare beskrivits.

Det eller de bandjusterande ämnena samt kisel kan tillföras från två eller flera föràngningsdeglar, såsom deglar 242 och 244. Degeln 242 skulle exempelvis kunna innehålla germanium och degeln 244 kisel. Ämnena i deg- larna 242 och 244 kan förángas medelst en elektronstràle eller annat uppvärmningsorgan samt aktiveras av plasmat.

En slutare 246 kan utnyttjas för att variera mäng- derna av det eller de bandjusterande ämnen som avsättes i det fotoalstrande.omràdet för gradering av bandgapet.

Slutarens rotationshastighet skulle kunna styras selek- tivt för att variera mängden bandjusterande ämne som avsättes vid graderingen av filmen. Det eller de band- justerande ämnena kan således tillföras diskret stegvis eller kontinuerligt i varierande mängder.

Pig 14 åskådliggör det tillgängliga solljusspektru- met. Luftmassa O är det tillgängliga solljuset utap'* atmosfär och med solen i zenit. Luftmassa l motsvarar samma situation efter filtrering genom jordens atmos- fär. Kristallint kisel har ett indirekt bandgap på unge- fär 1,1 - 1,2 eV, vilket motsvarar våglängden på unge- fär 1,0 um. Detta är likställt med förlust, dvs ej alstring 455 554 33 av användbara fotoner, för i huvudsak alla ljusvågläng- der över 1,0 um. Sàsom utnyttjat häri är bandgapet eller den optiska energin E definierad som den extrapolerade skärningen för en kurva (añw)l/2, där u är absorptions- koefficienten och hm (eller e) är fotonenergin. För ljus med en våglängd över den av bandgapet definierade tröskeln är fotonenergierna ej tillräckliga för att alstra ett fotoladdningsbärarpar och tillför därmed ej någon ström till ett speciellt don.

En annan fotokänslíg tillämpning avser laservàg- längder, såsom för infrarött gensvar. Ett fotokänsligt material, använt i en snabb, elektrofotografisk dator- utgàngsanordning, som utnyttjar en sådan laser som en HeNe-laser, bör ha en våglängdströsekl, pà ungefär 0,6 um. För fiberoptikbruk, såsom med GaAs-lasrar, bör det fotokänsliga materialets tröskel vara ungefär l um eller därunder. Tillägget av det eller de bandgapsjuste- rande ämnena enligt uppfinningen gör det möjligt att skräddarsy legeringar med ett graderat bandgap för den önskade tillämpningen.

Vart och ett av donens nalvledarlegeringsskikt kan avsättas genom glimurladdning pà baselektrodsubstra- tet med hjälp av en konventionell glimurladdningskamma- re, som finns beskriven i ovannämnda US patentskrift 4 226 898. Legeringsskikten kan också avsättas i en kontinuerlig process. I dessa fall evakueras glimur- laddningssystemet i början till ungefär l mtorr för att rensa ut eller eliminera föroreningar i atmosfären från avsättningssystemet. Legeringsmaterialet matas sedan företrädesvis in i avsättningskammaren i form av en gasformig förening, allra fördelaktigast såsom kiseltetrafluorid (SiF4), väte (H2) och german (Geäéj.

Glimurladdningsplasmat erhålles företrädesvis ur gas- blandningen, avsättningssystemet i US patentskriften 4 226 898 drives företrädesvis vid ett tryck i området pà ungefär 0,3 - 1,5 torr, företrädesvis 0,6 - 1,0 torr, såsom ungefär 0,6 torr. 455 554 34 Halvledarmaterialet avsättes från ett självunder- hållet plasma på substratet, som är uppvärmt, företrädes- vis av infraröda medel, till den önskade avsättnings- temperaturen för varje legeringsskikt. Donens dopade skikt avsättes vid olika temperaturer i området fràn ZOOOC till ungefär lOOO°C i beroende av formen av an- vänt material. Den övre gränsen pà substrattemperaturen är delvis beroende på typen av använt metallsubstrat.

För aluminium bör den övre temperaturen ej vara över ungefär 600°C och för rostfritt stål skulle den kunna vara över ungefär lOOOoC. Före framställningen av en från början vätekompenserad amorf legering, såsom för bildande av det egenledande skiktet i NIP- eller PIN-don, bör substrattemperaturen vara mindre än ungefär 40000 och företrädesvis ungefär 300°C.

Dopningskoncentrationerna varieras för åstadkom- mande av ledningsförmàgan av den önskade P, P+-, N- eller N+-typen, allteftersom legeringsskikten avsättes för varje don. För N- eller P-dopade skikt dopas mate- rialet med 5 - lOO ppm av dopningsmaterialet, alltefter- som det avsättes. För N+- eller P+-dopade skikt dopas materialet med från 100 ppm till över l % av dopnings- medelsmaterialet, allteftersom det avsättes. P-dopnings- medelsmaterialet kan vara konventionella dopmedel, före- trädesvis i omrâdet från lOO ppm till över 5000 ppm för P+-materialet.

Glimurladdningsavsättningsprocessen kan innefat- ta ett växelströmssignalalstrat plasma, i vilket mate- rialen införes. Plasmat upprätthålles företrädesvis mellan en katod och en substratanod med en växelströms- signal på från ungefär l kHz till 13,6 MHz.

Ehuru det graderade sättet och -ämnet eller -ämnena enligt uppfinningen kan utnyttjas i don tillsammans med en mängd olika amorfa legeringsskikt, är det att föredraga att de utnyttjas tillsammans med fluor- och vätekompenserade, glimurladdningsavsatta legeringar.

I detta fall avsättes en blandning av kiseltetrafluoríd s: 455 554 och väte som ett amorft, kompenserat legeringsmaterial vid eller under ungefär 400°C för ett skikt av N-typ.

Det bandgapsgraderade, egenledande amorfa legerings- skiktet och P+-skiktet kan avsättas på eiektroaskiktet vid en högre substrattemperatur över ungefär 450°C, som kommer att ge ett material som är fluorkompenserat.

Som exempel åstadkommer en blandning av gaserna GeH +Ar+SiF +H 4 4 2 av GeH och SiF4 i området 0,001 - l % fotokänsliga legeriågar med de graderade bandgapen utan förlust av de önskade elektroniska egenskaperna. Blandningen har en kvot på SiF4 relativt H2 på 4:1 - l0:l. Mängden av det eller de graderaxade eller justerande ämnena, här ger- manium, i den resulterande legeringen är mycket stör- re än de procentuella andelarna i gasen och kan vara avsevärt över 20 % i beroende av tillämpningen. Argon är användbart som ett utspädningsmedel men ej nödvändigt med relativa procentuella andelar för processen enligt uppfinningen.

Ehuru bandgapsjusteringsämnet eller -ämnena tilläg- ges åtminstone för att gradera donens fotokänsliga om- råde, kan vidare det eller de ämnena också vara använd- bara i de andra legeringsskikten i donen. Såsom tidigare har nämnts kan de andra legeringsskikten än det egen- ledande legeringsskiktet vara andra skikt än amorfa skikt, såsom polykristallina skikt (med termen "amorf“ avses en legering eller ett material, som är oordnat på långt avstånd, fastän det kan vara ordnat pà kort avstånd eller mellanavstànd eller t o m innehålla vissa kristallina inneslutningar).

Claims (12)

10 15 20 25 30 455 554 36 PATENTKRAV

1. Fotospänningsdon, som innefattar flera överlagrade skikt av olika material för bildande av ett staplat don om åtminstone tvâ seriekopplade solceller, inbegripet en amorf halvledarlegeringsstomme med ett aktivt foto- känsligt område, som innefattar bandgap, vilket kan träffas av strålning för àstadkommande av laddningsbärare, varvid den amorfa legeringen innefattar åtminstone ett til1ståndstäthetsreducerande ämne, som är fluor, k ä n - n e t e c k n a t därav, att legeringen (118, 146, 148, 150, 168, 170, 172, 174, 176, 180, 186, 188, 194, 206, 208, 210, 214, 216, 218, 220) vidare i åtminstone den ena cellen innefattar germanium som ett bandgaps- justerande ämne i varierande mängder åtminstone i det fotokänsliga omrâdet (150, 170, 172, 180, 186, 194, 208, 216) för att förbättra dess stràlningsabsorption utan att väsentligt öka tillstånden i gapet, varvid legeringens bandgap är graderat för ett angivet foto- känslighetsvâglängdsfunktionsområde.

2. Don enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k - n a t därav, att det fotokänsliga områdets bandgap är mindre än 1,6 ev.

3. Don enligt'patentkravet 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t av ett andra til1stándstäthetsreducerande ämne, vilket ämne är väte.

4. Don enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e - t e c k n a t därav, att legeringen (118, 146, 148, 150, 168, 170, 172, 174, 176, 180, 186, 188, 194, 206, 208, 210, 214, 216, 218, 220) är avsatt genom glimur- laddningsavsättning. I"

5. Don enligt något av patentkraven 1-4, k ä n - n e t e c k n a t därav, att legeringsstommen (118, 146, 148, 150, 168, 170, 172, 174, 176, 180, 186, 188, 194, 206, 208, 210, 214, 216, 218, 220) innefattar juste- ringsämnet i väsentligen diskreta skikt. 10 15 20 455 554 37

6. Don enligt något av patentkraven 1-5, k ä n - n e t e c k n a t därav, att legeringsstommen inne- fattar justeringsämnet i varierande mängder.

7. Don enligt något av patentkraven 1-6, k ä n - n e t e c k n a t därav, att legeringsstommen utgör del av en Schottky-barriärsolcell (142).

8. Don enligt något av patentkraven 1-6, k ä n - n e t e c k n a t därav, att legeringsstommen utgör del av en MIS-solcell (142).

9. Don enligt något av patentkraven 1-6, k ä n - n e t e c k n a t därav, att legeringsstommen utgör del av ett PN-övergångsdon (164, 168, 166).

10. Don enligt något av patentkraven 1-6, k ä n - n e t e c k n a t därav, att legeringsstommen utgör del av ett PIN-don (198, 212).

11. Don enligt något av patentkraven 1-6, k ä n - n e t e c k n a t därav, att legeringsstommen utgör del av en fotodetektor (178).

12. Don enligt något av patentkraven 1-6, k ä n - n e t e c k n a t därav, att legeringsstommen utgör del av en anordning (192) för åstadkommande av en elek- trostatisk bild.