WO2011092327A2 - Iii-v-halbleiter-solarzelle - Google Patents

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Christina Leinenbach
Patrick Leinenbach
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a III-V semiconductor solar cell with a III-V compound of the Ibner wearer layer.
  • the solar cells based on (single) crystalline silicon which have been used for some time for the generation of small amounts of energy (for example for the supply of electronic and electrical devices), have meanwhile also become established on an industrial scale, above all because of their high efficiency and mature production technology , However, their production costs are high, which is partly due to the high price of the base material and on the other due to significant material losses in SAgezuites for assembly.
  • Advantages with regard to cost and material parameter optimization are offered by thin-film solar cells, which use inexpensive carrier materials (eg glass) and can make more efficient use of production processes, for example for the production of amorphous silicon layers.
  • thin-film solar cells are systems based on polycrystalline silicon layers and, on the other hand, layers of copper indium gallium diselenide (CIGS) or copper indium diselenide (CIS).
  • CGS copper indium gallium diselenide
  • CIS copper indium diselenide
  • III-V semiconductor layers such as gallium indium phosphide (GalnP), gallium indium arsenide (GalnAs) and germanium (Ge) or (GaIn) P / (GaIn) As / Ge have a higher efficiency.
  • the III-V semiconductor layers are epitaxially grown by organometallic gas phase epitaxy (MOVPE) on germanium (Ge) or gallium arsenide (GaAs) substrates. According to the current state, an efficiency of more than 40% can be achieved with such solar cells; see.
  • MOVPE organometallic gas phase epitaxy
  • a III-V-Hal conductor Sola rzel le proposed according to claim 1, which by using a comparatively inexpensive growth substrate material and based thereon, for a long time industrially established thin-film production technology significant cost advantages over the previously known III V-semiconductor solar cells and then open up large-scale applications.
  • Achieving similarly high efficiencies as the recently introduced III-V semiconductor high-performance solar cells with a manufacturing-optimized solar cell type, replacing the expensive Ge or GaAs substrate with Si, offers great potential for the future production of large III V solar cell area units.
  • Their reduced costs also make it possible to dispense with concentrator systems and to save the associated costs, even for standard applications.
  • Si substrates compared to Ge substrates
  • Another advantage of the proposed use of Si substrates is the higher breaking strength, better thermal conductivity, lower weight, and virtually unlimited availability of Si substrates almost anywhere in the world. Problems with real availability or politically determined supply bottlenecks, as with rare earth metals for the future of
  • the III-V semiconductor wear layer is disposed in a thin film construction on a low cost thin support, such as glass.
  • a thin Si substrate or another known carrier of thin-film solar cells is also suitable for this purpose.
  • An embodiment of the invention provides that the or a wear layer comprises a compound semiconductor from the group GalnP, (Ga, In) P / GaAs and GaAs / Ge.
  • this is a multiple solar cell with multiple (up to several dozen) monolithic stacked pn junctions in the wear layer.
  • a further embodiment of the invention relates to a solar cell having at least one compensating layer between the silicon substrate and the wear layer or the next substrate layer next to the substrate for mediation between the different lattice constants of the Si substrate and the wear layer.
  • the compensation layer may be or have a Si-Ge layer.
  • other layer compositions and structures can also be used as a leveling layer whose lattice constant is in the range between the Lattice constants of silicon and III-V compound semiconductors is and are fit for the overall technological process.
  • the proposed solar cell comprises a stress compensation layer, which has a higher thermal expansion coefficient compared to the Si substrate, to compensate for the different thermal expansion coefficients of the Si growth substrate and the III-V compound semiconductor wear layer.
  • a stress compensation layer which has a higher thermal expansion coefficient compared to the Si substrate, to compensate for the different thermal expansion coefficients of the Si growth substrate and the III-V compound semiconductor wear layer.
  • the voltage compensation layer comprises a-silicon or a silicon compound.
  • the voltage compensation layer comprises a compound of a III-Ha I conductor in admixture with a metal, in particular aluminum and / or silicon.
  • known compositions and structures of stress compensation layers can be used, which can be adjusted to the size of the thermal expansion coefficients of silicon on the one hand and III-V semiconductor layers on the other hand and are classified in the overall technological process of film formation according to expert knowledge.
  • a further embodiment of the invention provides to implement the proposed III-V semiconductor thin-film solar cell integral with another technical component, especially an electronic circuit.
  • this component can be, in particular, a so-called MEMS chip, as it is used, for example, in medical technology or ultra-miniaturized
  • the proposed solar cell can then supply energy to the electronic circuit contained therein, without wiring being required for the power supply.
  • the III-V compound semiconductor wear layer is grown on a self-supporting Si sacrificial substrate in the production process and this is substantially completely removed after the essential process steps.
  • An advantageous method for detaching the useful layer from the growth substrate is the process described in DE 102004036803 A1, which enables very rapid separation of the growth substrate from the desired III-V solar cell structure, the material of the growth substrate essentially being retained and therefore being reused ( certainly again in the same procedural context) is possible.
  • the application of a sacrificial layer to the growth substrate prior to the growth of the III-V semiconductor wear layer and the subsequent destruction of only this sacrificial layer thus makes it possible in the context described to further develop the concept of the sacrificial substrate that deliberately does not sacrifice the actual substrate but is used again.
  • an Si-Ge layer simultaneously serves as a compensation layer and sacrificial layer and is applied to the Si growth substrate before the growth of the useful layer and is etched highly selectively after the growth of the useful layer.
  • an oxide layer is applied to the Si growth substrate as a sacrificial layer and then in a sol process an Si or Si-Ge layer as a compensation layer and after the growth of the wear layer the oxide layer is etched highly selectively.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a second solar cell according to the invention
  • 3A and 3B are schematic diagrams for explaining another
  • Embodiment and Figs. 4A and 4B are schematic diagrams for explaining another
  • III-V semiconductor solar cell 10 shows only the components of a III-V semiconductor solar cell 10 which are essential to the invention, namely an Si substrate 11, a voltage compensation layer 13 arranged thereon, a III-V compound semiconductor wear layer 15 grown thereon, a full-area backsides Metallization 17 and a structured transparent front side metallization 19.
  • FIG. 2 shows a thin-film solar cell 20 with a structure according to the invention, which is characterized by the provision of a thin-film substrate 21, an Si-Ge layer 24 arranged thereon as a compensation layer from the manufacturing process and a III-V semiconductor wear layer 25 grown thereon Incidentally, a rear side metallization 27 and a front side metallization 29 are also provided.
  • FIGS. 3A and 3B show a further thin-film solar cell structure during production (FIG. 3A) or in a preferred application (FIG. 3B).
  • An SiGe gradient layer 33 which also serves as a compensation layer for mediation between the different lattice constants of the Si substrate and a III-V semiconductor wear layer 35 to be grown and later as a sacrificial layer, was first applied to a Si growth substrate 31. After the growth of the wear layer, a front-side contact grid 39 is produced thereon. After highly selective etching of the SiGe gradient layer 33, the III-V semiconductor wearer layer 35 with the contact grid 39 arranged thereon is to a certain extent present as a "fuselage solar cell" 30, while the Si growth substrate is again available for further similar processes.
  • FIG. 3B illustrates that the solar cell structure 30 can be connected to a functional chip (MEMS chip) 38 provided on the upper side with a conductive layer 37 to form an integral structural unit, in which case the conductive layer 37 at the same time serves as back contact of the solar cell structure.
  • MEMS chip functional chip
  • FIGS. 4A and 4B show a solar cell structure according to the invention in the production phase (FIG. 4A) and in a preferred combination with a function chip as current consumer (FIG. 4B).
  • the designation of the individual layers is based on that in FIGS. 1 to 3B, and the corresponding components will not be explained again here.
  • the essential difference from the embodiment according to FIGS. 3A and 3B is that below the SiGe gradient layer 43 on the Si substrate 41 an oxide layer 42 is provided which exclusively serves as a sacrificial layer for the subsequent detachment of the wear layer structure from the growth substrate.
  • the SiGe gradient layer 43 is formed on the oxide layer by SOi technology.
  • the oxide layer is later selectively etched off, for example, by means of hydrogen fluoride, and the finished solar cell structure then comprises not only the III-V semiconductor useful layer 45 and the front-side contact structure 49, but also the SiGe gradient layer 43, which was previously used as growth base for the III Had served V-layer structure.

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Abstract

III-V-Halbleiter-Solarzelle mit einer kristallin auf einem Si-Aufwachssubstrat aufgewachsenen III-V-Verbindungshalbleiter-Nutzschicht, ausgebildet als Dünnschicht-Solarzelle.

Description

Beschreibung Titel III-V-Halbleiter-Solarzelle
Die Erfindung betrifft eine III-V-Halbleiter-Solarzelle mit einer III-V-Verbin- d u ng s ha Ibleiter- Nutzschicht. Stand der Technik
Im Rahmen der weilweit intensiven Bemühungen für den Klimaschutz und stimuliert durch die in mehreren Ländern in großem Maßstab verausgabten Fördermittel, hat die direkte Gewinnung elektrischer Energie aus Sonnenlicht, die soge- nannte Photovoltaik, volkswirtschaftlich relevante Größenordnungen erreicht. Entscheidende Faktoren für deren künftige Durchsetzung auch nach weitgehendem Fortfall der Fördermittel sind einerseits die Effizienz der photoelektrischen Energieumwandlung und andererseits die Anlagengestehungs- und -betriebs- kosten.
Die bereits seit längerem zur Erzeugung kleiner Energiemengen (etwa zur Versorgung elektronischer und elektrischer Geräte) eingesetzten Solarzellen auf der Basis von (ein-)kristallinem Silizium haben sich mittlerweile auch im großtechnischen Maßstab etabliert, und zwar vor allem wegen des hohen Wirkungsgrades und der ausgereiften Herstellungstechnik. Ihre Herstellungskosten sind allerdings hoch, was zum einen durch den hohen Preis des Grundmaterials und zum anderen durch erhebliche Materialverluste beim Sägezuschnitt zur Konfektionierung bedingt ist. Vorteile hinsichtlich der Kosten- und Materialparameteroptimierung bieten Dünnschichtsolarzellen, die auf günstige Trägermaterialien (z. B. Glas) zurückgreifen und sich effizienter Herstellungsverfahren, etwa zur Herstellung amorpher Siliziumschichten, bedienen können. Marktgängige Typen von Dünnschichtsolarzellen sind einerseits auf polykristallinen Siliziumschichten basierende Systeme und andererseits Schichten aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CIS). Der wesentliche Nachteil von Dünnschichtsystemen gegenüber herkömmlichen Solarzellen auf der Basis kristallinen Siliziums ist der durch die dünnere photoaktive Schicht bedingte geringere Wirkungsgrad.
Einen höheren Wirkungsgrad haben sogenannte Mehrfachsolarzellen aus III-V- Halbleiterschichten, etwa Gallium-Indium-Phosphid (GalnP), Gallium-Indium- Arsenid (GalnAs) und Germanium (Ge) oder (GaIn)P/(GaIn)As/Ge. Um diese herzustellen, werden die III-V-Halbleiterschichten mittels metallorganischer Gaspha- senepitaxie (MOVPE) auf Germanium (Ge)- oder Galliumarsenid (GaAs)-Substrate epetaktisch aufgewachsen. Nach derzeitigem Stand lässt sich mit derartigen Solarzellen ein Wirkungsgrad von über 40 % erreichen; vgl.
www.ise. fraunhofer.de/presse-und-medien/presseinformationen-2009. Die
Herstellung ist aber noch teuer, was zum Teil durch die kostspieligen Substrat- materialien bedingt ist. Der praktische Einsatz ist daher bislang auf wenige Sonderfälle beschränkt, wie etwa den Einsatz im Weltraum.
Bekannt ist es, teure Solarzellentypen mit sogenannten Konzentratorzellen einzusetzen, bei denen ein spezielles optisches Bauteil das einfallende Sonnenlicht auf eine relativ kleine Solarzellenfläche konzentriert, in der das einfallende Licht dafür mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt wird. Auch diese Typen sind aber, wegen der zusätzlich benötigten optischen Bauteile und des relativ komplexen Gesamtaufbaus, nicht billig und konnten daher bislang keine nennenswerten Marktanteile erringen.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine III-V-Hal bleiter-Sola rzel le gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen, die durch die Verwendung eines vergleichsweise kostengünstigen Aufwachssubstrat-Materials und der darauf basierenden, seit langem großtechnisch etablierten Dünnschicht-Herstellungstechnologie erhebliche Kostenvorteile gegenüber den bisher bekannten III-V-Halbleiter-Solarzellen erbringen und daraufhin großtechnische Anwendungen erschließen kann. Die Erreichung ähnlich hoher Wirkungsgrade wie bei den jüngst vorgestellten III- V-Halbleiter-Höchstleistungssolarzellen mit einem hinsichtlich der Fertigungskosten optimierten Solarzellentyp, bei dem das teure Ge- bzw. GaAs-Substrat durch Si ersetzt ist, bietet ein hohes Potenzial zur künftigen Herstellung großer III-V-Solarzellen-Flächeneinheiten. Deren reduzierte Kosten ermöglichen auch bei Standard-Anwendungen den Verzicht auf Konzentratorsysteme und die Einsparung der durch diese bedingten Kosten. Ein weiterer Vorteil bei der vorgeschlagenen Verwendung von Si-Substraten (im Vergleich zu Ge-Substraten) sind die höhere Bruchfestigkeit, die bessere thermische Leitfähigkeit, ein geringeres Gewicht sowie die praktisch unlimitierte Verfügbarkeit von Si-Substraten nahezu überall auf der Welt. Probleme bei der realen Verfügbarkeit oder politisch determinierte Lieferengpässe, wie sie bei Seltenerdmetallen für die Zukunft von
Experten befürchtet werden, sind bei Silizium auszuschließen. In einer Ausführung der Erfindung ist die III-V-Halbleiter-Nutzschicht in einem Dünnschichtaufbau auf einem kostengünstigen dünnen Träger, etwa aus Glas, angeordnet. Grundsätzlich kommt auch ein dünnes Si-Substrat oder ein anderer an sich bekannter Träger von Dünnschichtsolarzellen hierfür in Betracht. Eine Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die oder eine Nutzschicht einen Verbindungshalbleiter aus der Gruppe GalnP, (Ga,In)P/GaAs und GaAs/Ge aufweist.
Speziell handelt es sich hierbei um eine Mehrfachsolarzelle mit mehreren (bis zu mehreren dutzend) monolithisch gestapelten pn-Übergängen in der Nutzschicht.
Eine weitere Ausführung der Erfindung betrifft eine Solarzelle mit mindestens einer Ausgleichsschicht zwischen dem Silizium-Substrat und der Nutzschicht oder der substratnächsten Nutzschicht zur Vermittlung zwischen den unterschiedlichen Gitterkonstanten des Si-Substrats und der Nutzschicht. In einer Ausgestaltung kann die Ausgleichsschicht eine Si-Ge-Schicht sein oder aufweisen. Darüber hinaus sind aber auch sonstige Schichtzusammensetzungen und -strukturen als Ausgleichsschicht einsetzbar, deren Gitterkonstante im Bereich zwischen den Gitterkonstanten von Silizium und III-V-Verbindungshalbleitern liegt und die passfähig für den technologischen Gesamtablauf sind.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst die vorgeschlagene Solarzelle eine Spannungskompensationsschicht, die einen gegenüber dem Si-Substrat höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, zum Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Si-Aufwachssubstrats und der III-V-Verbindungshalbleiter-Nutzschicht. Durch diese spezielle Schicht werden mechanische Spannungen zwischen Substrat und Nutzschicht, die zu Mikroschä- den oder gar zu einer vollständigen Zerstörung der Nutzschicht führen können, weitestgehend vermieden.
In einer Ausgestaltung dieser Ausführung ist vorgesehen, dass die Spannungskompensationsschicht a-Silizium oder eine Siliziumverbindung aufweist. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Spannungskompensationsschicht eine Verbindung eines III- Ha I bleiters in Mischung mit einem Metall, insbesondere Aluminium und/oder Silizium, aufweist. Im Übrigen sind bei der Erfindung bekannte Zusammensetzungen und Aufbauten von Spannungskompensationsschichten einsetzbar, die sich auf die Größe der thermischen Ausdehnungskoeffzienten von Silizium einerseits und von III-V-Halbleiterschichten andererseits einstellen lassen und in den technologischen Gesamtprozess der Schichterzeugung nach fachmännischem Wissen einzuordnen sind.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die vorgeschlagene III- V- Halbleiter-Dünnschichtsolarzelle integral mit einem anderen technischen Bauteil, speziell einer elektronischen Schaltung, auszuführen. Bei diesem Bauteil kann es sich aus heutiger Sicht insbesondere um einen sogenannten MEMS-Chip handeln, wie er beispielsweise in der Medizintechnik oder bei ultra-miniaturisierten
Mikrofonen oder auch in Uhren Anwendung findet. Die vorgeschlagene Solarzelle kann dann insbesondere die darin enthaltene elektronische Schaltung mit Energie versorgen, ohne dass zur Energieversorgung eine Verdrahtung erforderlich wäre. Erfindungsgemäß ist auf ein Herstellungsverfahren hinzuweisen, bei dem die III- V-Verbindungshalbleiter-Nutzschicht auf ein im Herstellungsprozess selbsttragendes Si-Opfersubstrat aufgewachsen und dieses nach den wesentlichen Prozessschritten im Wesentlichen vollständig abgelöst wird.
Als vorteilhaftes Verfahren zum Ablösen der Nutzschicht vom Aufwachssubstrat erscheint das in der DE 102004036803 AI beschriebene Verfahren, welches eine sehr schnelle Abtrennung des Aufwachssubstrats von der gewünschten III- V-Solarzellenstruktur ermöglicht, wobei das Material des Aufwachssubstrats im Wesentlichen erhalten bleibt und daher eine Weiterverwendung (durchaus auch wieder in dem gleichen Verfahrens-Kontext) möglich ist. Die Aufbringung einer Opferschicht auf das Aufwachssubstrat vor dem Aufwachsen der III-V-Halbleiter- Nutzschicht und die spätere Zerstörung nur dieser Opferschicht ermöglicht es also im beschriebenen Zusammenhang, das Konzept des Opfersubstrats dahinge- hend weiter zu entwickeln, dass das eigentliche Substrat bewusst nicht geopfert, sondern wieder verwendet wird.
In einer Ausgestaltung dieser Verfahrensführung ist vorgesehen, dass eine Si-Ge- Schicht zugleich als Ausgleichsschicht und Opferschicht dient und vor dem Auf- wachsen der Nutzschicht auf das Si-Aufwachssubstrat aufgebracht und nach dem Aufwachsen der Nutzschicht hochselektiv geätzt wird. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass auf das Si-Aufwachssubstrat zunächst eine Oxidschicht als Opferschicht und darauf in einem Sol-Verfahren eine Si- oder Si-Ge-Schicht als Ausgleichsschicht aufgebracht und nach dem Aufwachsen der Nutzschicht die Oxidschicht hochselektiv geätzt wird.
Zeichnungen
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen: Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer ersten erfindungsgemäßen Solarzelle,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Solarzelle,
Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen zur Erläuterung einer weiteren
Ausführungsform und Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen zur Erläuterung einer weiteren
Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt nur die erfindungswesentlichen Komponenten einer III-V-Halbleiter- Solarzelle 10, nämlich ein Si-Substrat 11, eine darauf angeordnete Spannungs- kompensationsschicht 13, eine hierauf aufgewachsene III-V-Verbindungshalblei- ter-Nutzschicht 15, eine ganzflächige Rückseiten-Metallisierung 17 und eine strukturierte transparente Vorderseiten-Metallisierung 19.
Fig. 2 zeigt eine Dünnschicht-Solarzelle 20 mit erfindungsgemäßen Aufbau, der sich durch das Vorsehen eines Dünnschichtsubstrats 21, einer darauf angeordneten Si-Ge-Schicht 24 als Ausgleichsschicht aus dem Herstellungsprozess und einer hierauf aufgewachsenen III-V-Halbleiter-Nutzschicht 25 auszeichnet und bei dem im Übrigen ebenfalls eine Rückseiten-Metallisierung 27 und eine Vorderseiten-Metallisierung 29 vorgesehen sind.
Fig. 3A und 3B zeigen eine weitere Dünnschicht-Solarzellenstruktur während der Herstellung (Fig. 3A) bzw. in einer bevorzugten Applikation (Fig. 3B). Auf einem Si-Aufwachssubstrat 31 wurde zunächst eine SiGe-Gradientenschicht 33, die zugleich als Ausgleichsschicht zur Vermittlung zwischen den unterschiedlichen Gitterkonstanten des Si-Substrats und einer aufzuwachsenden III-V-Halbleiter- Nutzschicht 35 und später als Opferschicht dient, aufgebracht. Nach dem Aufwachsen der Nutzschicht wird auf dieser ein Vorderseiten-Kontaktgitter 39 erzeugt. Nach hochselektivem Ätzen der SiGe-Gradientenschicht 33 liegt die III-V-Halb- leiter-Nutzschicht 35 mit dem darauf angeordneten Kontaktgitter 39 gewissermaßen als„Rumpf-Solarzelle" 30 vor, während das Si-Aufwachssubstrat für weitere gleichartige Prozesse wiederum zur Verfügung steht. Als Ätzmedium kann hier beispielsweise Chlortrifluorid eingesetzt werden. Fig. 3B verdeutlicht, dass die Solarzellenstruktur 30 mit einem auf der Oberseite mit einer Leitschicht 37 versehenen Funktions-Chip (MEMS-Chip) 38 zu einer integralen Baueinheit verbunden werden kann, wobei dann die Leitschicht 37 zugleich als Rückseitenkontakt der Solarzellenstruktur dient.
Ähnlich wie die Fig. 3A und 3B zeigen Fig.4A und 4B eine erfindungsgemäße Solarzellenstruktur in der Herstellungsphase (Fig.4A) und in einer bevorzugten Kombination mit einem Funktions-Chip als Stromverbraucher (Fig.4B). Die Bezeichnung der einzelnen Schichten ist an diejenige bei Fig. 1 bis 3B angelehnt, und die entsprechenden Komponenten werden hier nicht nochmals erläutert.
Der wesentliche Unterschied zur Ausführung nach Fig. 3A und 3B besteht darin, dass unter der SiGe-Gradientenschicht 43 auf dem Si-Substrat 41 eine Oxidschicht 42 vorgesehen ist, die ausschließlich als Opferschicht für die spätere Ablösung der Nutzschicht-Struktur vom Aufwachssubstrat dient. Die SiGe- Gradientenschicht 43 wird auf der Oxidschicht mittels SOi-Technologie erzeugt. Die Oxidschicht wird später etwa mittels Fluorwasserstoff selektiv abgeäzt, und die fertige Solarzellenstruktur umfasst dann neben der III-V-Halbleiter-Nutz- schicht 45 und der Vorderseiten-Kontaktstruktur 49 auch die SiGe-Gradienten- Schicht 43, die vorher als Wachstumsbasis für die III-V-Nutzschichtstruktur gedient hatte.

Claims

Ansprüche
1. III-V-Halbleiter-Solarzelle mit einer kristallin auf einem Si-Aufwachssubstrat aufgewachsenen III-V-Verbindungshalbleiter-Nutzschicht, ausgebildet als Dünnschicht-Solarzelle.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, wobei die oder eine Nutzschicht einen Verbindungshalbleiter aus der Gruppe GalnP, (Ga,In)P/GaAs und GaAs/Ge aufweist.
3. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit mindestens einer der III-V-Verbindungshalbleiter-Nutzschicht benachbarten Ausgleichsschicht, insbesondere Si-Ge-Schicht, zwischen einer Tragschicht und der Nutzschicht zur Vermittlung zwischen den unterschiedlichen Gitterkonstanten des Si-Auf- wachssubstrats und der Nutzschicht.
4. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Glas- oder Si- Tragschicht.
5. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Tragschicht, die funktional Bestandteil eines elektronischen Bauelements ist.
6. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer der III-V-Ver- bi nd ungs ha Ibleiter- Nutzschicht benachbarten Spannungskompensationsschicht, die einen gegenüber dem Si-Aufwachssubstrat höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, zum Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Si-Aufwachssubstrats und der Nutzschicht.
7. Solarzelle nach Anspruch 6, wobei die Spannungskompensationsschicht a-Sili- zium oder eine Siliziumverbindung oder eine Verbindung eines III-Halbleiters in Mischung mit einem Metall, insbesondere Aluminium und/oder Silizium, aufweist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die III-V-Verbindungshalbleiter-Nutzschicht auf ein im Her- stellungsprozess selbsttragendes Si-Aufwachssubstrat, auf dem eine Opferschicht aufgebracht ist, aufgewachsen und dieses nach dem Aufwachsen durch Zerstörung der Opferschicht abgelöst und durch eine andere Tragschicht ersetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Si-Ge-Schicht zugleich als Ausgleichsschicht und Opferschicht dient und vor dem Aufwachsen der Nutzschicht auf das Si-Aufwachssubstrat aufgebracht und nach dem Aufwachsen der Nutzschicht hochselektiv geätzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei auf das Si-Aufwachssubstrat zunächst eine Oxidschicht als Opferschicht und darauf eine Si- oder Si-Ge-Schicht als Ausgleichsschicht aufgebracht und nach dem Aufwachsen der Nutzschicht die Oxidschicht hochselektiv geätzt wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110029347A (zh) * 2019-04-04 2019-07-19 南京邮电大学 一种高热稳定性太阳能光热转换薄膜及其制备方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015006379B4 (de) 2015-05-18 2022-03-17 Azur Space Solar Power Gmbh Skalierbare Spannungsquelle
DE102015007326B3 (de) 2015-06-12 2016-07-21 Azur Space Solar Power Gmbh Optokoppler
DE102015012007A1 (de) 2015-09-19 2017-03-23 Azur Space Solar Power Gmbh Skalierbare Spannungsquelle
DE102015013514B4 (de) 2015-10-20 2024-04-18 Azur Space Solar Power Gmbh Optischer Empfängerbaustein
DE102016001388B4 (de) 2016-02-09 2018-09-27 Azur Space Solar Power Gmbh Optokoppler
DE102016001387A1 (de) 2016-02-09 2017-08-10 Azur Space Solar Power Gmbh Empfängerbaustein
FR3063179A1 (fr) * 2017-02-23 2018-08-24 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Cellule photovoltaique multi-jonctions de type iii-v sur substrat silicium et son procede de fabrication
DE102017004149A1 (de) 2017-05-02 2018-11-08 Azur Space Solar Power Gmbh Lichtempfangseinheit

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004036803A1 (de) 2004-07-29 2006-03-23 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Ätzen einer Schicht auf einem Substrat

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6340788B1 (en) * 1999-12-02 2002-01-22 Hughes Electronics Corporation Multijunction photovoltaic cells and panels using a silicon or silicon-germanium active substrate cell for space and terrestrial applications
WO2002082514A1 (en) * 2001-04-04 2002-10-17 Massachusetts Institute Of Technology A method for semiconductor device fabrication
US7229901B2 (en) * 2004-12-16 2007-06-12 Wisconsin Alumni Research Foundation Fabrication of strained heterojunction structures
EP2012367B1 (de) * 2007-07-02 2012-02-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mehrfachsolarzelle
WO2009151979A2 (en) * 2008-06-09 2009-12-17 4Power, Llc High-efficiency solar cell structures and methods

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004036803A1 (de) 2004-07-29 2006-03-23 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Ätzen einer Schicht auf einem Substrat

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110029347A (zh) * 2019-04-04 2019-07-19 南京邮电大学 一种高热稳定性太阳能光热转换薄膜及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
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