SE457300B - Fotovoltiskt don - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 457 300 - 2 att dopningsmedelsmaterial av donatortyp (N) eller accep- I tortyp (P) diffunderades in i dessa kristallina material i miljontedelar såsom substituerande störämnen 1 de väsentligen rena kristallina materialen 1 och för ökning av deras elektriska ledningsförmåga och för att ge dem ledningsförmåga av antingen P- eller N-typ, Tillverk- ningsprocesserna för framställning av PN-övergångskris- 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 små och kritiska dopningsmedelsmängder, när PN-övergångar erfordras. 1 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 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- terialtjockleken ej reduceras. Det polykristallina mate- rialet inbegriper också tillägg av korngränser och andra problematiska defekter, som normalt är skadliga. 10 15 20 25 30 35 457 300 3 Kristallina kiseldon har sammanfattningsvis fasta parametrar, vilka ej är variabla pá önskat sätt, kräver stora materialmängder, endast kan framställas med rela- tivt små areor samt är dyrbara och tidskrävande att framställa. Pà amorfa Lisellegeringar baserade don kan eliminera dessa nackdelar med kristallint kisel. En amorf kisellegering har en optisk absorptionskant med egenskaper, som liknar de för en halvledare med direkt gap, och enbart en materialtjocklek på l um eller mindre är nödvändig för absorbering av samma solljusmängd som kristallint kisel med en tjocklek på 50 um. Amorfa kisel- legeringar kan vidare 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 amorfa halvledarlegeringar eller filmer, som vardera enligt önskan kan omfatta relativt stora areor, enbart begrän- sade 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 dem som framställes genom deras kristallina motsvarigheter. Under många är 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 lággradig fotoledningsförmàga samt kort livslängd för laddnings- bärare, vilket gör dessa filmer olämpliga för fotokäns- liga tillämpningar. Dessa filmer kan dessutom ej fram- gångsrikt dopas eller pà annat sätt modifieras för för- skjutning av fermi-nivàn nära intill lednings- eller valensbanden, vilka gör dem olämpliga för framställning 10 15 20 25 30 35 457 300 4 av PN-övergångar för solcells- eller strömreglerdons- u, 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, vo1ym 17, sia 1193-1196, 1975, 1'syfte att reducera de lokala tillstánden i energigapet 1 amorft kisel för att fä 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 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 pà ungefär 500-600°K (227-327°C).

Det på substratet så avsatta materialet var ett egen- ledande amorft material, bestående av kisel och väte, För àstadkommande.av ett dopat amorft material blanda- des en fosfingas (PH3) för ledningsförmäga av N-typ eller en diborangas (BZH6) för ledningsförmága av P-typ i förväg med silangasen samt fördes genom glimurladd- ningsreaktionsröret under samma driftsförhàllanden.

Gaskoncentrationen av de använda dopmedlen låg mellan 6 och 1o'2 terialet visades vara störledande samt ledande av N- ungefär 5'l0 volymdelar. Det så avsatta ma- 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 kombineras med mànga av de ”dinglande" bindningarna i kislet under glimurladdnings- 10 15 20 25 30 35 457 300 \ 5 avsättningen för att väsentligt minska tätheten av de lokala tillstànden 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- hàllandet 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 glimurladdning, såsom fullständigt beskrivet i US-patentskriften 4 226 898, och genom avsättning från àngfasen, sàsom fullständigt beskrivet i US-patentskriften 4 217 374. Sàsom avslöjas 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 reaktionsförmága 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 på föredraget sätt med kisel och väte, varvid väte utnyttjas på 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 10 15 20 25 30 35 457 300 6 i bandgapet liksom i själva materialet. Fluor anses därför vara ett mer effektivt, kompenserande eller för- ändrande ämne än väte, när det utnyttjas ensamt eller tillsammans med väte, detta på grund av dess höga reak- tionsförmága, specificitet i kemisk bindning samt höga elektronegativitet.

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-8). De mängder av fluor och väte som är mest önskvärda att använda är emellertid mycket större än dessa små procenttal, så att en kise1-väte-fluorlege- ring bildas. Dessa legerande mängder av fluor och väte kan exempelvis ligga i omrâdet l-5% eller större. Det är troligt att den legering som bildas pà så sätt har en lägre täthet av defekta tillstànd i energigapet än vad som uppnås genom blott och bart neutralisering av dinglande bindningar och likartade defekta tillstànd, 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 pà vätebind- ningen genom att pà ett gynnsamt sätt verka för minsk- ning av tätheten av defekta tillstànd, som väte bidrar till samtidigt som det verkar som ett tillstàndstät- hetsreducerande ämne. Den joniska roll som fluor spelar i en sådan legering tros vara en betydelsefull faktor uttryckt 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 tillstàndstäthetsreducerande ämne. För att dra full fördel av dessa amorfa kisellegeringar, som innehåller 10 15 20 25 30 35 457 300 'i 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-hàlpar.

Det ovanstående är betydelsefullt i t ex fotovoltiska don av PIN-konfigurationen. Don av denna typ har dopade skikt av P- och N-typ pá motstàende sidor av ett aktivt, egenledande skikt, där elektron-hàlparen alstras. De upprättar en potentialgradient över donet för underlät- tande av separationen av elektronerna och hälen 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. Fastän nästan alla fotonerna av den kortare våglängden absorberas, absorberas ej en stor del av fotonerna av den längre våglängden med energier nära det egenledande halvledarmaterialets absorptionskant. Förlusten av dessa ej absorberade fotoner minskar de strömmar som kan alstras. För att förhindra förlusten av dessa fotoner av längre våglängd har av ledande metaller bildade, bakre reflektorer 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 har föref trädesvis en låg absorptionskoefficient för våglängder nära bandkanten i och för minskning av fotonabsorptionen 1 dessa skikt. En bakre reflektor är därför ytterst fördelaktig, då den användes i förening med ett skikt av P-typ med exempelvis ett brett bandgap, vilket skikt bildar ett av de dopade skikten i ett sådant don. Bakre, reflekterande skikt tjänar därför till att reflektera ej använt ljus tillbaka in i donets egenledande omrâde för att tillåta ytterligare utnyttjande av solenergin för alstring av ytterligare elektron-hàlpar. Ett bakre, reflekterande skikt tillåter en större del av de till- gängliga fotonerna att passera in i det aktiva, egen- ledande skiktet och absorberas i detta. ~ 10 15 20 25 30 35 457 3-00 8 Olyckligtvis har de bästa bakre reflektorerna enligt den tidigare tekniken kunnat reflektera endast ungefär 80% av det ej använda ljuset av våglängderna av intresse tillbaka in i donen, i vilka de utnyttjas. Sådana ädla metaller som koppar och silver samt sådana metaller som aluminium har föreslagits som möjliga material till bakre reflektorer, eftersom de är kraftigt ledande.

Dessa metaller kan emellertid diffundera in i halvleda- ren i donen, i vilka de utnyttjas, och härvid påverkar de ofördelaktigt donens fotokänslighetsegenskaper. Som följd härav har tunna skikt av andra, mindre ledande och mindre reflekterande metaller utnyttjats som diffu- sionsbarriärer för dessa bakre reflektorer, Dessa mindre ledande och reflekterande metaller inbegriper molybden och krom. Fastän dessa metaller förhindrar diffusion in i donens halvledare,minskar de reflektionsförmàgan hos de mer kraftigt ledande metallerna. Det finns därför ett behov av bättre bakre reflekterande system, som inte endast ger större reflektion av det ej använda ljuset utan också förhindrar diffusion av den bakre reflektorns material in i donen.

Genom uppfinningen har framkommit nya och förbätt- rade bakre reflektorsystem, som ger både ökad reflektion av ej använt ljus jämfört med tidigare bakre reflektorer samt skydd mot att den bakre reflektorns material diffun- De bakre reflektorerna enligt föreliggande uppfinning kan utnyttjas i både derar in i donens~halvledare. fotovoltiska enkelcellsdon av PIN-konfigurationen och flercellskonstruktioner med ett flertal enkelcellsen- heter.

Föreliggande uppfinning åstadkommer nya och för- bättrade bakre reflektorsystem för användning i fotovol- tiska don. De bakre reflektorsystemen enligt förelig- gande uppfinning ger ökad reflektion av ej absorberat ljus tillbaka in i de aktiva områdena i donen, i vilka de utnyttjas, samtidigt som de förhindrar diffusion av den bakre reflektorns material in i donen. lO 15 20 25 30 35 457 300 9 De bakre reflektorsystemen innefattar ett skikt av ett högreflekterande material samt ett skikt av en genomsynlig ledare. Skiktet av den genomsynliga ledaren är anordnat mellan donet och skiktet av högreflekterande material. i Det kraftigt ledande materialet kan vara ett hög- reflekterande metalliskt material, såsom en högreflekte- rande metall av guld, silver, koppar eller aluminium eller legeringar av dessa. Det högreflekterande metal- líska materialet kan också vara sådana metallföreningar som WNX, TiNx, ZrNx, HfNx eller MQNX.

Den genomsynliga ledaren kan vara en genomsynlig, ledande oxid, såsom indiumtennoxid, kadmiumstannat, dopad tennoxid, vanadiumoxid, germaniumtennoxid, järn- oxid, zinkoxid och kopparoxidul. Den genomsynliga leda- ren kan ocksâ vara en genomsynlig, ledande kalkogenid, såsom zinkselenid eller kadmiumsulfid. Den kan också vara kiselkarbid.

Den genomsynliga ledaren tjänar till att höja reflek- tionen av det ej absorberade ljuset tillbaka in i donen och tjänstgör också som ett genomsynligt barriärskikt för att förhindra diffusion av de högreflekterande mate- rialen in i donens halvledaromràden. Föreliggande upp- finnings bakre reflektorsystem åstadkommer därför ökad bakre reflektion av ej absorberat ljus utan att försämra fotokänslighetsegenskaperna hos donens halvledarmate- rial.

De bakre reflektorerna enligt föreliggande upp- finning är särskilt användbara i fotovoltiska don av PIN-form. Sådana don innefattar ett egenledande, aktivt halvledaromräde, i vilket fotoalstrade elektron-hàlpar skapas, samt dopade områden av motsatt ledningsförmäga, vilka är anordnade på var sin av motstàende sidor av det egenledande området. Det aktiva, egenledande området är företrädesvis en amorf kisellegeringsstomme eller ett amorft kisellegeringsskikt, som innehåller fluor såsom tillstàndstäthetsreducerande ämne. De dopade om- rådena innefattar också företrädesvis ett amorft kisel- 10 l5 20 25 30 35 457 300 10 legeringsskikt med brett bandgap och av P-typ, vilket bildar antingen det övre eller det undre halvledarskik- tet i donet. områdena företrädesvis avsatta på ett substrat med skik- tet av kraftigt ledande metall invid substratet och den genomsynliga, ledande oxiden belägen mellan skiktet I vartdera fallet är de amorfa halvledar- av högreflekterande material och det undre dopade skik- tet. väsentligen alla fotoner av kortare våglängd absor- beras i de aktiva, egenledande områdena, medan endast en del av fotonerna med längre våglängder och energier nära det egenledande materialets absorptionskant absor- beras. Tjockleken av den genomsynliga ledaren justeras därför för optimering av reflektionen av fotonerna av längre våglängd. För det ändamålet bestämmas den genom- synliga ledarens tjocklek företrädesvis medelst sam- bandet: d = A:¿4 där d är skikttjockleken, Ä är den minsta fotonvåglängd som skall reflekteras, n är brytningsindexet för den genomsyn1iga ledaren och a l k är ett udda heltal. ' De bakre reflektorsystemen enligt föreliggande uppfinning kan också utnyttjas i multipelcellsdon, såsom tandemceller.

Ett första ändamål med föreliggande uppfinning är följaktligen att åstadkomma förbättrade bakre reflek- tororgan för att reflektera ej använd strålning tillbaka in i det aktiva område av ett fotovoltiskt don som är bildat av halvledarmaterial, vilket innefattar åtmin- stone ett aktivt område, vilket strålning kan träffa för alstring av laddningsbärare. De bakre reflektoror- ganen kännetecknas av ett första skikt, som är bildat 10 15 20 25 30 35 457 300 ll av ett genomsynligt material, och ett andra skikt invid det första skiktet och på den sida av detta som är mot- satt det aktiva omrâdet, varvid det andra skiktet är bildat av ett högreflekterande material.

Ett andra ändamål med uppfinningen är att åstad- komma ett fotovoltiskt multipelcellsdon, som är bildat av ett flertal skikt av amorfa halvledarlegeringar avsatta på ett substrat. Donet innefattar ett flertal enkelcellsenheter, som är anordnade i serieförhàllande, inbegripet en undre cellenhet, varvid varje enkelcells- enhet innefattar ett första dopat, amorft halvledar- legeringsskikt, en stome av egenledande, amorf halv- ledarlegering avsatt på det första dopade skiktet, ett ytterligare, dopat amorft halvledarlegeringsskikt, som är avsatt på den egenledande stommen och har motsatt typ av ledningsförmága mot det första, dopade, amorfa halvledarlegeringsskiktet, och donet kännetecknas av en bakre reflektor mellan den undre cellenheten och substratet, vilken bakre reflektor innefattar ett första skikt, som är bildat av en genomsynlig ledare, invid den undre cellenheten samt ett andra skikt mellan det första skiktet och substratet, vilket andra skikt är bildat av ett högreflekterande material.

Den föredragna utföringsformen av föreliggande uppfinning skall som exempel nu beskrivas under hänvis- ning till medföljande ritningar. Fig l är en schematisk bild av ett glimurladdningsavsättningssystem, som kan utnyttjas vid tillämpande av sättet enligt föreliggande uppfinning för framställning av uppfinningens fotovol- tiska don. Fig 2 är en tvärsnittsvy av en del av syste- met i fig l längs linjen 2-2 i den figuren. Fig 3 är en tvärsnittsvy av ett fotovoltiskt PIN-don enligt föreliggande uppfinning. Fig 4 är en tvärsnittsvy av en multipelcell, som innefattar ett flertal fotovoltiska PIN-cellenheter anordnade i tandemform enligt förelig- gande uppfinning. 10 l5 20 25 30 35 457 300 12 I fig l, 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 katodhállarelement 20 är monterat i vakuumkammaren 14 medelst en isolator 22.

Hållarelementet 20 innefattar en isolerande hylsa 24, som i omkretsled omsluter hállarelementet 20. En mörk rymdskârm 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 på annat kon- ventionellt sätt fastgjort vid hàllarelementet 20 i elektrisk kontakt med detta.

Katodhällarelementet 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 på någon önskad temperatur.

Systemet 10 innefattar också en elektrod 40, vilken sträcker sig från huset 12 in i vakuumkammaren l4 skilt från katodhàllarelementet 20. Elektroden 40 innefattar en skärm 42, som omger elektroden 40 och som i sin tur uppbär ett på 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 utnyttjas för att styra strömmatningen av värmeelemen- tet 48 för bibehållande av elektroden 40 och substra- tet 44 på någon önskad temperatur oberoende av elemen- tet 20. 10 l5 20 25 30 35 457 300 13 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'52 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 10 vid det önskade trycket.

Husets 12 inloppskammare l6 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 16 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 62 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 àngtryck i behållaren 66. En lämplig gas, såsom argon, matas genom ett ned- doppat rör 72 in i materialet 68 för att fånga àngorna av materialet 68 och transportera àngorna genom ett filter 62' och en ventil 64' in i rörledningarna 60 och därmed in i systemet l0.

Inloppskammaren l6 och utloppskammaren 18 är före- trädesvis försedda med skärmorgan 74 för att begränsa plasmat i kammaren 14 och detta i princip till utrymmet mellan substraten 28 och 44. 10 15 20 25 30 35 457 3.00 l4 De genom rörledningarna 60 inmatade materialen blan- das i inloppskammaren 16 och matas sedan in i glimur- laddningsutrymmet 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 k 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. Utgàngsmaterialen eller reaktions- gaserna, såsom kiseltetrafluorid (SiF4) och molekylärt väte (H2) och/eller silan, matas in i inloppskammaren 16 via separata rörledningar 60 samt blandas sedan i ínloppskammaren. Gasblandningen matas in i vakuumkamma- ren för upprätthållande av ett partialtryck i denna pà ungefär 0,6 torr. Ett plasma alstras i utrymmet 52 mellan substraten 28 och 44 under användning av ettdera eller båda av en större likspänning än 1000 V eller en radiofrekvenseffekt pà ungefär 50 W vid en frekvens pà l3,56 MHz eller annan önskad frekvens.

Utöver de egenledande, amorfa kisellegeringarna, avsatta på det ovan beskrivna sättet, utnyttjar donen enligt föreliggande uppfinning, såsom àskådliggjord 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 ledningsförmàga av P-, P+-, N- eller N+-typ samt kan bildas genom införande av ett lämpligt dopmedel i vakuumkammaren tillsammans med det egenledande utgângsmaterialet, såsom silan (SiH4), eller utgángsmaterialet 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 1% av dopmedelsmaterialet, då det avsattes. N-dopmedlen kan vara fosfor, arsenik, 10 15 20 25 30 35 457 300 15 antimon eller volfram. De N-dopade skikten avsättes företrädesvis genom glimurladdningssönderdelning av åtminstone kiseltetrafluorid (SiF4) och fosfin (PH3).

Väte och/eller silangas (S184) 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 (B2H6) eller kiseltetrafluorid och diboran. väte och/eller silan kan också adderas till kiseltetrafluorid och diboran.

Utöver det ovan angivna och i överensstämmelse med 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 av P-typ med brett bandgap kan exempelvis bildas av en gasblandning av kiseltctra- fluorid (SiF4), silan (SiH4), diboran (BZH6) och metan (CH4). Detta resulterar i en amorf kisellegering av P-typ med ett brett bandgap.

Donens dopade skikt avsättes vid olika temperaturer i beroende av det avsatta materialets typ och det an- vända 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 utgángsmaterialet 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 uppnàende 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 áskádliggjorda i fig 3 och 4. 10 15 20 25 30 35 457 300 16 I fig 3, vartill nu hänvisas, visas i tvärsnittsvy ett PIN-don enligt föreliggande uppfinning. Donet 110 innefattar ett substrat 112, som kan vara glas eller en böjlig bana, bildad av rostfritt stål eller alumi- nium. Substratet 112 har bredd och längd enligt önskan och är företrädesvis 127-254 um tjockt.

I överensstämmelse med föreliggande uppfinning är ett skikt 114 av högreflekterande material avsatt på substratet 112. Skiktet 114 är avsatt från àngfasen, vilket är ett relativt snabbt avsättningsförfarande.

Skiktet 114 är företrädesvis ett högreflekterande metallmaterial, såsom silver, guld, aluminium eller koppar eller legeringar av dessa. Det högreflekterande materialet kan också vara en högreflekterande metallisk förening, såsom WNX, TiNx, ZrNx, HfNx eller MONX. Över skiktet 114 är ett skikt 115 av en genomsynlig ledare avsatt. Den genomsynliga ledaren kan vara en genomsyn- lig, ledande oxid (TCO), som är avsatt i en ångavsätt- ningsomgivning och exempelvis kan vara indiumtennoxld (ITO), kadmiumstannat (Cd2SnO4), zinkoxid, kopparoxidul, vanadiumoxid, germaniumtennoxid, järnoxid eller tennoxid (SnO2). bildas av kiselkarbid eller en genomsynlig, ledande kalkogenid, såsom kadmiumsulfid eller zinkselenid.

Skiktet 114 av högreflekterande material ock skiktet ll5 av genomsynlig ledare bildar ett bakre reflekterande Det genomsynliga ledarskiktet 115 kan också system i enlighet med föreliggande uppfinning.

Substratet 112 placeras sedan i glimurladdnings- avsättningsomgivningen. Ett första dopat, amorft kisel- legeringsskikt 116 med brett bandgap och av P-typen avsättes pà skiktet 115 i överensstämmelse med förelig- gande uppfinning. Såsom visat är skiktet 116 ett skikt med ledningsförmàga av P+-typ. P+-omrâdet är så tunt som möjligt och av storleksordningen 50-500 Å, vilket är tillräckligt för att P+-omradet skall ha goa sparrfri kontakt med det genomsynliga, ledande oxidskiktet 115.

P+-omrâdet tjänar också till att upprätta en potential- gradient över donet för underlättande av uppsamlingen 10 15 20 25 30 35 457 300 l7 av fotoinducerade elektron-hálpar såsom elektrisk ström.

P+-omradet 116 kan avsättas fràn vilken som helst av de tidigare nämnda gasblandningarna för avsättningen av sådant material i överensstämmelse med föreliggande uppfinning.

En stomme 118 av egenledande, amorf kisellegering avsättes närmast över skiktet ll6 med brett bandgap och av P-typ. Den egenledande stommen 118 är relativt tjock, av storleksordningen 4500 Å och avsattes från kiseltetrafluorid och väte och/eller silan. Den egen- ledande stommen innehåller företrädesvis den amorfa kisellegeringen kompenserad med fluor, där majoriteten av elektron-hàlparen alstras. Donets kortslutningsström förstärkes genom de kombinerade effekterna av den bakre 2 reflektorn enligt föreliggande uppfinning och det breda bandgapet hos det amorfa kisellegeringsskiktet 116 av P-typ.

På den egenledande stommen 118 är ett ytterligare, dopat skikt 120 avsatt, vilket har motsatt typ av led- ningsförmàga till det första dopade skiktet 116. Det innefattar en amorf kisellegering med ledningsförmága av N+-typ och kan också ha ett brett bandgap. N+-skiktet l20 avsattes från någon av de tidigare nämnda gasbland- ningarna för avsättningen av sådant material. N+-skiktet 120 är avsatt till en tjocklek mellan 50 Å och 500 Ao och tjänstgör som ett kontaktskikt. ~ Ett genomsynligt, ledande oxidskikt (TCO) 122 av- sättes sedan över N+-skiktet 120. TCO-skiktet 122 kan också avsättas 1 en ángavsättningsomgivning och kan exempelvis vara indiumtennoxid (ITO), kadmiumstannat (Cd2SnO4) eller dopad tennoxid (SnO2).

På ytan av TCO-skiktet 122 är en gallerelektrod 124 avsatt, vilken består av en metall med god elektrisk ledningsförmàga. Gallret kan innefatta ortogonalt anord- nade linjer av ledande material, vilka upptar endast en mindre del av det metalliska områdets area, medan resten av denna area är frilagd för solenergi. Gallret 124 kan exempelvis uppta endast ungefär 5-10% av 10 15 20 25 30 35 457 300 18 TCO-skiktets 122 hela area. Gallerelektroden 124 upp- samlar likformigt ström från TCO-skiktet 122 för säker- ställande av en god låg serieresistans för donet.

För fullständigande av donet 110 är ett antireflex- skikt (AR) 126 anbringat över gallerelektroden 124 och TCO-skiktets 122 områden mellan gallerelektrodens om- råden. AR-skiktet 126 har en solstrålningsinfallsyta, vilken träffas av solstrålningen. AR-skiktet 126 kan exempelvis ha en tjocklek av sama storleksordning som våglängden för den maximala energipunkten i solstrål- ningsspektrumet dividerad med fyra gånger brytnings- indexet för antireflexskiktet 126. Ett lämpligt AR-skikt Å 126 skulle vara zirkoniumoxid med en tjocklek på ungefär 500 Å och ett brytningsindex på 2,1. I en alternativ form kan TCO-skiktet 122 också tjänstgöra som ett anti- reflexskikt och antireflexskiktet 126 kan då elimineras och en lämplig inkapsling insättas i dess ställe.

Det är ej nödvändigt att det genomsynliga ledar- skiktet 115 och TCO-skiktet 122 bildas av samma mate- rial. TCO-skiktet 122 måste kunna transmittera infal- lande strålning av både kort och lång våglängd. Eftersom väsentligen all strålning med den kortare våglängden kommer att absorberas i det egenledande området 118 under den första genomgången genom detta, behöver emellertid det genomsynliga ledarskiktet 115 endast _ vara transmitterande för strålning med längre våglängd, exempelvis ljus med våglängder på ungefär 6000 Å eller mer. o Tjockleken av skiktet 115 av genomsynlig ledare, här en genomsynlig, ledande oxid, kan justeras för ' optimering av skiktets 115 reflektionsförmågeförstärk- ning. Skiktet 115 har exempelvis företrädesvis en tjock- lek, som är bestämd av sambandet: d = Ä k/4/n 10 15 20 25 30 35 457 300 19 där d är skiktets ll5 tjocklek, A är den minsta fotonvåglängd som skall reflekteras, n är brytningsindexet för den genomsynliga ledaren och k är ett udda heltal.

Nästan alla fotonerna med kortare våglängder kommer att absorberas av det aktiva, egenledande skiktet ll8.

Såsom tidigare förklarats har som följd härav huvuddelen av de fotoner som ej absorberas längre våglängder. Som exempel kan dessa fotoner ha våglängder på ungefär 6000 Å och mer. För en genomsynlig, ledande oxid av exem- pelvis indiumtennoxid, som har ett brytningsindex på ungefär 2,0 vid dessa längre våglängder och med k före- trädesvis lika med 1, skulle skiktets ll5 tjocklek vara ungefär 750 Å.

Vilket som helst av de högreflekterande, tidigare nämnda materialen kan användas i förening med indium- tennoxidskiktet på 750 Å. Av de tidigare nämnda, ref- lekterande materialen är emellertid koppar de minst dyrbara och uppvisar god reflektionsförmåga för de längre våglängderna på 6000 Å eller mer. Med denna materialkombination och en tjocklek av indiumtennoxiden på 750 A kan det förväntas åtminstone 97% reflektion av allt det ej använda ljuset tillbaka in i donets 110 halvledarområden. ?à grund av att den genomsynliga, ledande oxiden också tjänstgör som ett genomsynligt barriärskikt, förhindras dessutom diffusion av kopparn eller något av de andra högreflekterande materialen, då dessa utnyttjas, in i donets 110 halvledaromràden.

Såsom tidigare nämnts kan det egenledande skiktets ll8 bandgap justeras för en särskild fotonkänslighets- egenskap genom inbegripandet av bandgapsminskande ämnen.

Som ett ytterligare alternativ kan den egenledande stommens ll8 bandgap graderas på sådant sätt, att det gradvis ökar från P+-skiktet 116 till N+-skiktet 120. 10 15 20 25 30 35 457 300 20 Allteftersom det egenledande skiktet 118 avsättes kan exempelvis ett eller flera bandgapsminskande ämnen, såsom germanium, tenn eller bly, införlivas i legeríngarna i gradvis minskande koncentration. Som exempel kan ger- mangas (GeH4) införas i glimurladdningsavsättningskammaren från en relativt hög koncentration först och gradvis minskande i det följande, allteftersom det egenledande skiktet avsättes, till en punkt där detta införande avslutas. Den resulterande egenledande stommen kommer därmed att ha ett bandgapsmínskande ämne, såsom germanium, i sig i gradvis avtagande koncentrationer från P+-skiktet 116 mot Nïskiktet 120.

I fig 4, vartill nu hänvisas, visas ett multipel- cellsdon 150 i tvärsnittsvy, vilket don är anordnat i tandemform. Donet 150 innefattar två enkelcellsenheter 152 och 154 anordnade i serieförhållande. Det inses att flera enkelcellsenheter än två kan utnyttjas.

Donet 150 innefattar ett substrat 156, som är bildat av en metall med god elektrisk ledningsförmàga, såsom exempelvis rostfritt stål eller aluminium. Pá substratet 156 är ett bakre reflektorsystem enligt fö- religgande uppfinning avsatt, vilket system innefattar ett skikt 157 av högreflekterande material, som kan vara bildat av de tidigare beskrivna materialen och genom de tidigare beskrivna förfarandena. För att fullständiga den bakre reflektorn avsättes ett skikt 159 av en genomsynlig ledare, såsom en genomsynlig, ledande oxid, på det högreflekterande materialskiktet 157. Skiktet 159 kan vara bildat av någon av de tidigare beskrivna genomsynliga ledarna och avsättas till en optimal tjocklek, såsom tidigare beskrivits.

Den första cellenheten 152 innefattar ett första, dopat, amorft kisellegeringsskikt l58 av P+-typ, vilket är avsatt på det genomsynliga, ledande oxidskiktet 159.

P+-skiktet är företrädesvis en amorf kisellegering med brett bandgap och av P-typ i överensstämmelse med före- 10 15 20 25 30 35 457 300 21 liggande uppfinning. Den kan avsättas fràn vilken som helst av de tidigare nämnda utgàngsmaterialen för av- sättning av sådant material.

En första, egenledande och amorf kisellegerings- stomme 160 är avsatt på P+-skiktet 158 med brett band- gap. Den första, egenledande legeringsstommen 160 är företrädesvis en amorf kisel-fluorlegering.

Ett ytterligare, dopat och amorft kisellegerings- skikt 162 är avsatt på det egenledande skiktet 160.

Det har motsatt typ av ledningsförmága mot lednings- förmágan hos det första, dopade skiktet 158 och är där- med ett N+-skikt. Det kan också ha ett brett bandgap.

Den andra enhetscellen 154 är väsentligen identisk och innefattar ett första, dopat P+-skikt 164, en egen- ledande stomme 166 och ett ytterligare, dopat N+-skikt 168. Donet 150 är fullständigat med ett TCO-skikt 170, en gallerelektrod 172 och ett antireflexskikt 174.

De egenledande skiktens bandgap är företrädesvis sa justerade, att skiktets 166 bandgap är större än skiktets 160 bandgap. För detta ändamål kan den legering som bildar skiktet 166 innefatta ett eller flera band- gapsökande ämnen, såsom kväve och kol. Den egenledande legering som bildar det egenledande skiktet 160 kan innefatta ett eller flera bandgapsminskande ämnen, såsom germanium, tenn eller bly. _ Det framgår av figuren, att cellens egenledande skikt 160 är tjockare än det egenledande skiktet 166.

Detta gör det möjligt att utnyttja hela det användbara solenergispektrumet för alstring av elektron-hàlpar.

Fastän ett tandemcellsutförande har visats och beskrivits här, kan enhetscellerna också vara isolerade från varandra med exempelvis oxidskikt för bildande av en staplad multipelcell. Varje cell skulle kunna innefatta ett par uppsamlingselektroder för underlät- tande av serieanslutningen av cellerna med yttre led- ningsdragning.

Såsom nämnts i samband med de tidigare beskrivna enkelcellerna och som ett ytterligare alternativ kan 10 15 20 25 30 4 37 3-00 22 en eller flera av enhetscellernas egenledande stommar innefatta legeringar med graderade bandgap. Vilket eller vilka som helst av de tidigare nämnda bandgapsökande, eller -minskande ämnena kan införlivas i de egenledande legeringarna för detta ändamål.

Av det ovanstående framgår att föreliggande upp- finning åstadkommer nya och förbättrade bakre reflek- torsystem för användning i exempelvis fotovoltiska cel- ler. De bakre reflektorerna inte endast ökar den mängd av ej använt ljus som reflekteras tillbaka in i cel- lernas halvledarområden utan tjänar också till att för- hindra diffusion av den bakre reflektorns material in i halvledarområdena. Som exempel på effektiviteten hos de nya och förbättrade bakre reflektorerna enligt före- liggande uppfinning med en genomsynlig ledande oxid av indiumtennoxid kan reflektionsförmàgor på 98,5%, 97% och 90% uppnås, då högreflekterande metaller av silver, koppar respektive aluminium användes tillsammans därmed, vilket skall jämföras med reflektionsförmågor på 80% för enbart silver, 74% för enbart koppar och 70% för enbart aluminium.

För varje häri beskriven utföringsform av uppfin- ningen kan de andra legeringsskikten än de egenledande legeringsskikten vara andra skikt än amorfa skikt, såsom polykristallina 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 uppfinning är möjliga i ljuset av ovan lämnade kunskap.

Claims (19)

10 15 20 25 30 457 300 23 PATENTKRAV

1. Fotovoltiskt don, bildat av halvledarmaterial och innefattande åtminstone ett aktivt omrâde, vilket kan träffas av strålning för alstring av laddningsbä- rare, och ett bakre reflektororgan för reflektering av ej använd strålning tillbaka in i det aktiva området, k ä n n e t e c k n a t därav, att det bakre reflektor- organet innefattar ett första skikt, som är bildat av ett genomsynligt material (115, 159) och ett andra skikt (114, 157) invid det första skiktet pá den motstàende sidan av detta till det aktiva området (118, 160, 166), vilket andra skikt är bildat av ett högreflekterande material, varvid det första skiktet har en tjocklek, som gör reflektionsförmágan hos det bakre reflektor- organet större än reflektionsförmågan hos det högreflek- terande materialet enbart.

2. Don enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k - n a t därav, att det genomsynliga materialet innefattar en genomsynlig ledare.

3. Don enligt patentkravet 2 k ä n n e t e c k - n a t därav, att den genomsynliga ledaren innefattar en genomsynlig, ledande oxid.

4. Don enligt patentkravet 3, k ä n'n e t e cik - n a t därav, att den genomsynliga, ledande oxiden är bildad av indiumtennoxid, kadmiumstannat, zinkoxid, vanadiumoxid, germaniumtennoxid, järnoxid, kopparoxidul eller tennoxid.

5. Don enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den genomsynliga ledaren innefattar kiselkarbid.

6. Don enligt patentkravet 2, n a t därav, att den genomsynliga ledaren innefattar k ä n n e t e c k - en genomsynlig, ledande kalkogenid.

7. 7. Don enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den genomsynliga, ledande kalkoge- 10 15 20 25 30 35 457 300 24 niden innefattar kadmiumsulfid eller zinkselenid.

8. Don enligt något av patentkraven 1-7, k ä n - n e t e c k n a t därav, att det högreflekterande mate- rialet innefattar ett högreflekterande metallmaterial.

9. Don enligt patentkravet 8, k ä n n e te c k ~ n a t därav, att det högreflekterande metallmaterialet är aluminium, silver, guld, koppar eller legeringar av dessa.

10. Don enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k - n a t därav, att det högreflekterande metallmaterialet innefattar en metallförening. k ä n n e t e c k - ZrNx,

11. ll. Don enligt patentkravet 10, n a t därav, att metallföreningen är WNX, TiNx HfN eller MoN . x x I

12. Don enligt något av patentkraven 1-11, k ä n - n e t e c k n a t därav, att halvledarmaterialet är bildat av amorfa kisellegeringar.

13. Don enligt något av patentkraven 1-12, k ä n - att det aktiva omrâdet (118, 160, 166) är en egenledande, amorf kisellegering, som n e t e c k n a t därav, innefattar åtminstone ett til1stàndstäthetsreducerande ämne, vilket är fluor.

14. Don enligt patentkravet 13, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den egenledande amorfa kisellegeringen innefattar ett andra, däri inbegripet, tillstàndstät- hetsreducerande ämne, som är väte.

15. Don enligt något av patentkraven 2-14, k ä n - n e t e c k n a t därav, att halvledarmaterialet är bildat av superponerade skikt av amorfa kisellegeringar, vilka skikt innefattar ett aktivt, egenledande, amorft kisellegeringsskikt (118, 160, 166). ett första, dopat och amorft kisellegeringsskikt (116, 158, 164) mellan det egenledande skiktet och det bakre reflektororganet samt ett andra, dopat och amorft kisellegeringsskikt (120, 162, 168) invid det egenledande skiktet på motsatt sida av detta till det första dopade skiktet, vilket andra skikt har motsatt typ av ledningsförmága till 10 15 457 300 25 det första dopade skiktet.

16. Don enligt patentkravet 15, n a t därav, att det första dopade skiktet (116, 158, 164) innefattar en amorf kisellegering med brett bandgap k ä n n e t e c k - och av P-typ.

17. Don enligt patentkravet 16, k ä n n e t e c k - n a t därav, att det genomsynliga ledarskiktet (115, 159, 170) ligger mellan skiktet (116, 158, 164) med brett bandgap och av P-typ och skiktet (114, 157) av högreflekterande material.

18. Don enligt patentkravet 17, kä n n e t e c k - n a t därav, att den genomsynliga ledaren (115, 159, 170) är en genomsynlig, ledande oxid och är bildad av indiumtennoxid, kadmiumstannat, zinkoxid, kopparoxidul, vanadiumoxid, germaniumtennoxid, järnoxid eller tennoxid.

19. Don enligt patentkravet 18, k ä n n e t e c k - n a t därav, att det högreflekterande metallmaterialet är silver, guld, aluminium koppar eller legeringar därav.