WO2012072065A2 - Verfahren zur herstellung einer solarzelle und eine solarzelle - Google Patents

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Andreas Lambertz
Friedhelm Finger
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a solar cell and a solar cell.
  • Silicon thin film solar cells consist of doped and undoped layers.
  • the undoped (i) layers have a low defect density. Therefore, the recombination of generated charge carriers is unlikely.
  • the doped layers have a high defect density. Therefore, generated carriers immediately recombine and do not contribute to current transport. It is therefore trying to make the p- and n-layers of solar cells transparent and thin.
  • the light-facing side of the solar cell should also couple the light in a suitable manner in the cell. These layers are called window layers.
  • doped materials which have a high band gap, a suitable refractive index and a sufficient conductivity. It is known, doped silicon alloys such. B. boron or phosphorus doped a-SiC: H or a-SiO: H use. With these materials, however, the electrical conductivity decreases disadvantageously with increasing band gap and decreasing refractive index.
  • n-layer consists of a microcrystalline silicon phase and an amorphous silicon oxide phase ⁇ c-SiO x : H).
  • the microcrystalline i-layer grows due to the nip structure on the SiOx n-layer.
  • a disadvantage of this solar cell is an efficiency of only about 8% achievable.
  • the object of the invention is to provide a solar cell which has a higher efficiency. Another object of the invention is to provide a method such that this solar cell is provided. Another object of the invention is to provide a use for such a solar cell.
  • the solar cell has a first electrical contact layer on a substrate.
  • a single cell having a single p-i-n structure is disposed on the first electrical contact layer.
  • the p-layer is arranged on the first electrical contact layer.
  • the solar cell has a second electrical contact layer on the n-layer of the p-i-n structure.
  • the i-layer of the p-i-n structure is microcrystalline.
  • the substrate material is advantageously made of low-iron glass with a thickness of advantageously 0.7 mm to 4 mm. Particularly advantageous is a thickness of 3 mm to 4 mm.
  • the substrate can be produced by float glass method. These glasses are advantageously transparent. However, other transparent substrates can be used that meet the process requirements. There is also the possibility of using a non-transparent porous substrate to deposit the layers, which is then removed by the manufacturing process and replaced by a transparent substrate.
  • This measure advantageously has the effect that the solar cell can be illuminated from the substrate side.
  • the substrate can not be made transparent and z. B. made of aluminum or stainless steel.
  • the first electrical contact layer preferably comprises the material zinc oxide (ZnO) or tin oxide (SnO 2 ).
  • This material is suitably doped, e.g. B. with aluminum or fluorine and light scattering.
  • the thickness is z. B. 70 nm to 7 ⁇ and varies depending on the doping or the conductivity and the transparency of the layer.
  • LPCVD low pressure chemical vapor phase decomposition
  • APCVD atmospheric pressure chemical vapor phase decomposition
  • the first electrical contact layer is electrically conductive, light-scattering and optically transparent. With only n-side illumination, the first electrical contact layer is electrically conductive to perform light-scattering and reflective.
  • a layer stack of ZnO, silver and ZnO again be used.
  • the p-i-n solar cell is constructed as follows.
  • the p-layer consists of microcrystalline silicon including an alloy with z. As oxygen or carbon.
  • the thickness is z. B. 5 nm to 70 nm, but advantageously 10 nm to 20 nm.
  • the i-layer is also made of microcrystalline silicon. This layer is not doped.
  • the thickness is z. B. 100 nm to 40 ⁇ , advantageously between 500 nm to 2 ⁇ .
  • the n-layer is designed according to the invention as follows.
  • the material is a phase mixture consisting of a microcrystalline silicon phase ( ⁇ -8 ⁇ : ⁇ ) and an amorphous silicon oxide phase (a-SiO x : H).
  • the thickness is advantageously 5 nm to 25 nm, particularly advantageously 10 to 20 nm.
  • the n-doped layer has a total oxygen content of 10 to 25%, preferably 15 to 20%.
  • the p-layer, i-layer, and n-layer can all be deposited by the same manufacturing method. This includes z.
  • PECVD plasma-assisted chemical vapor phase decomposition
  • the layers can be deposited in this order. However, there is the possibility, and it usually makes sense to insert different intermediate layers which lead to even better efficiency.
  • the second electrical contact layer will be constructed as follows:
  • a first layer comprises the ZnO or ITO, both suitably doped, e.g. B. with aluminum.
  • the thickness of this layer is z. B. 30 nm to 7 ⁇ and varies depending on the doping or conductivity and transparency.
  • As a manufacturing method z. As sputtering or low pressure chemical vapor phase decomposition (LPCVD) selected.
  • the chemical vapor phase decomposition at low pressure as from deposition process advantageously achieved at low temperatures higher electrical conductivity of the solar cell with the same transparency. This has the advantageous effect that then no Silbergrid for better dissipation of the generated electricity is necessary.
  • the second electrical contact layer has the necessary conductivity then due to the manufacturing process.
  • the silver grid can optionally be arranged on the second electrical contact layer.
  • cathode sputtering methods can also be used in the production of the second electrical contact layer.
  • the second part of the second electrical contact layer is accordingly required depending on the conductivity of the second electrical contact layer or the illumination direction.
  • the material is silver or aluminum available.
  • the thickness of this layer is z. B. 200 nm to about 1 ⁇ .
  • a manufacturing method z For example, a screen printing method or an ink jet printing method selected.
  • cathode sputtering or thermal vapor deposition or electron beam evaporation are also suitable.
  • the second part of the second electrical contact layer is applied in fine strips with a suitable distance from one another.
  • the distances and widths of the strips should be optimized so that they cover as little as possible area and at the same time as little loss as possible to be able to dissipate the current to the contacts or to the next cell strip.
  • This single cell (single junction) with only a single p-i-n structure has a particularly advantageous effect in addition to the n-layer as such that the solar cell can be illuminated on both sides, provided the described production methods are complied with.
  • the layer sequence from EP 1 650 812 A2 is unsuitable for contributing to an increase in the efficiency in the inventive sense.
  • this tandem structure is generally not able to do this because it can not be illuminated on both sides because it has a back reflector.
  • tandem solar cells are generally not suitable to be used in two-sided lighting due to the different band gaps of their sub-cells.
  • layer 4on has one
  • an n-layer sequence having a thickness of about 40 nm is obtained together with the layer 4n.
  • the layer 4n reducing the contact resistance to the contact layer and the layer 4on having a low refractive index. This leads to a reduction of the conductivity, so that the layer 4n is additionally to be used.
  • the Raman intensity ratio is used in the production of the SiO x n layer as follows.
  • the Raman intensity ratio which is related to the ratio of the microcrystalline to the amorphous phase in the n-layer, should advantageously be more than 5% in the n-layer. This value is determined by measurements on layers with a layer thickness of at least 100 nm by a Raman spectrometer at a laser wavelength of 488 nra.
  • the thickness of the n-layer of 5 to 25 nm causes particularly advantageous that the n-layer additionally has a low transparency which thus leads to a high short-circuit current density.
  • the layer thickness is sufficient to achieve a sufficiently high filling factor of the solar cell.
  • both electrical contact layers are transparent. It may then be arranged on the fiction, contemporary layers at most a silver grid or silver mesh on the second electrical contact layer. This has the advantageous effect that a two-sided illumination of the solar cell is possible, each of which separately contributes to improving the efficiency of the solar cell.
  • the efficiency of the solar cell according to the invention is more than that of any other single cell.
  • the solar cell described is advantageously used by two-sided lighting. As a result, the performance of the solar cell and in particular the short-circuit current density increases as a characteristic.
  • a first electrical contact layer is arranged on a substrate during the process.
  • a microcrystalline p-layer and on this a microcrystalline i-layer is arranged on this layer sequence.
  • the microcrystalline n-doped layer according to the invention is then arranged on this layer sequence.
  • the process parameters are adjusted so that an n-doped SiO x layer with a total oxygen content of 10 to 25% and comprising two phases are formed.
  • a second electrical contact layer is arranged on the n-doped layer according to the invention.
  • the plasma excitation frequency can be set between 13.56 to 1 10 MHz.
  • the temperature during the deposition of the n-layer can be 100 to 300 ° C.
  • the deposition pressure during the deposition of the n-layer is advantageously 0.3 to 10 mbar.
  • the excitation power of the plasma is advantageously between 0.1 to 1 W * cm 2 .
  • the electrode distance to the substrate is advantageously z. B. 5 to 30 mm.
  • the Absehe idungsrate can be between 0.01 to 1 ⁇ * 8 " 'amount.
  • SiH 4 instead of SiH 4 , another silicon-containing gas can be used, then only the prior art gas flow must be calculated equivalently.
  • the method provides in one embodiment of the invention to arrange a silver grid on the second electrical contact layer. This method step causes more freedom in the production of the second electrical contact layer. So then z. ß. a known from the prior art sputtering method can be applied.
  • Figures 1-6 solar cell according to the prior art ( Figures 1 to 3) according to the invention
  • FIG. 7 Dependence of the Raman intensity on the Stokes shift of the n-layer at 488 nm.
  • FIG. 8 Dependence of the Raman intensity ratio and the conductivity of the n-layer on the gas flow ratios.
  • a reference of the cells 1 to 3 is compared with an exemplary embodiment of the cells 4 to 6.
  • the cells 1 and 4, 2 and 5 as well as 3 and 6 are directly comparable.
  • Ultrasonic basin filled with deionized water and decontam The substrate was rinsed in deionized water until a conductivity of> 18x10 6 ohms was achieved. The drying of the substrate was carried out by spinning and purging with nitrogen 5.0.
  • Aluminum doped zinc oxide disposed on the glass substrate was Aluminum doped zinc oxide disposed on the glass substrate.
  • the type of plant chosen was Von Von Ardenne Anlagentechnik, VISS 300.
  • the sputtering process was carried out using a ZnO AhC ⁇ cathode with a weight fraction of A1 2 0 3 of 1%.
  • the glass transition temperature was set at 300 ° C.
  • the deposition power was 2 W * cm "2 relative to the cathode size at a deposition rate of 1, 56 MHz.
  • the pressure in the vacuum chamber was in the deposition of 1 * 10" 6 bar, According to the parameters during deposition was * min '' on the glass substrate deposited a layer with a thickness of 800 nm at a disregard idungsdauer of 75 minutes and a deposition rate of 5.5 mm * m. Subsequent to the sputtering process, the surface of zinc oxide by means of 0.5% dilute hydrochloric acid for 40 seconds to obtain the desired surface topography of the zinc oxide. This preparation process was carried out identically for all six cells. B) Cells 3 and 6 were additionally treated as follows:
  • a second layer was deposited on the etched zinc oxide surface by sputtering silver.
  • the type of plant chosen was Von Von Ardenne Anlagentechnik, VISS 300.
  • the sputtering process itself is done using a 99.99% silver cathode. It was sputtered at room temperature.
  • the pressure in the chamber during the deposition was dung "bar. 6, the deposition efficiency was at 2 Who" 5 * 10 is set to the cathode size related. 2
  • a deposition frequency of 40 kHz and an argon flux of 100 nm was placed on the zinc oxide contact at a deposition time of 5 minutes.
  • a further thin contact layer for protecting the silver layer was arranged on the silver layer of cells 3 and 6 produced according to b) 1) by sputtering of aluminum doped zinc oxide.
  • the type of plant chosen was Von Ardenne Anlagentechnik, VISS 300, for this purpose.
  • the sputtering process was carried out using a ZnO: Al 2 03 cathode with a
  • a boron doped 20 nm thick microcrystalline layer was deposited on the first electrical contact by PECVD. 1) The first step was deposited at a deposition pressure of 0.4 mbar and a deposition time of 3 minutes. The substrate temperature was set to 180 ° C for this purpose. At a deposition frequency of 94.7 MHz and a deposition power an area of 10cm * 10cm was coated at 0.065 W * cm 2 , and the distance between the electrodes was 20 mm, with flows of silicon hydride of 1.5 sccm and hydrogen of 200 sccm, 1% trimethylboron in helium with one flow 0.4 sccm was added, thus placing a 5 ⁇ m thick boron doped layer on top of the first electrical contact.
  • the first part of the intrinsic layer was prepared at a deposition pressure of 1.5 mbar for and a deposition time of 4 minutes.
  • the layer structure prepared after the first three steps was placed in the chamber and heated to 180 ° C.
  • the distance between the electrodes was 12 millimeters.
  • a deposition rate of 94.7 MHz and a deposition power of 0.13 W * cm _i 70 nm of a total of 10 10 cm 2 to lOOOnm deposition surface were deposited.
  • the flow of silicon hydrogen was 4 sccm and the flow of hydrogen was 95 sccm.
  • the second part of the intrinsic layer was made with modified flows over 75 minutes.
  • the flow of silicon hydrogen became 4.5 sccm and the flow of hydrogen was adjusted to 95 sccm. In this way, the remaining 930 nm of the total of 1000 nm were deposited.
  • the fourth step was performed identically for all six cells.
  • Fifth step Arrangement of the SiOx layer as n-layer on the i-layer
  • the n-layer was deposited as a phosphorus doped layer with a thickness of 20 nm on the intrinsic layer.
  • a PECVD method was used.
  • the layer structures produced by step 4 were introduced into the deposition chamber and heated to 180.degree.
  • the parameters summarized below were set with an electrode spacing of 20 millimeters and a deposition frequency of 13.56 MHz:
  • Table 1 Summary of significant process parameters in the preparation of the n-layer of the investigated p-i-n cells.
  • the deposition pressure was 0.665 mbar for cells 1 to 3 and 3 mbar for subsequent cells 4 to 6 in each case.
  • Cell duration power flux 2% flux flux C0 2 illumination [min] [W * crn 2 ] PH 3 / SiH 4 H 2 [sccm / cm 2 ]
  • Column 1 gives the respective references, that is to say the cells 1 to 3 as well as the exemplary embodiments according to the invention, that is to say the cells 4 to 6.
  • Column 2 indicates the deposition time during the PECVD process and column 3 the deposition performance.
  • Columns 4 to 6 indicate the flows used per cm 2 electrode area. Column 4 shows that presently 2% phosphine in silane was used. Columns 6 and 7 represent the flows of silane (cells 1 to 3) and hydrogen (cells 4 to 6) again. Carbon dioxide was used only in the preparation of the n-layers of cells 4 to 6. All flows are given in standard cubic centimeters. Under these conditions, the desired phase mixture is established.
  • Cells 4 to 6 correspondingly have an oxygen content of about 20%, based on the total layer volume of the n-layer, in the n-layer.
  • Cells 1 to 6 were provided with a second electrical contact as follows: Cathodic sputtering of aluminum doped zinc oxide with a layer thickness of 80 nm. 1) Cells 1, 3, 4 and 6: The plant type used was a Von Ardenne Anlagentechnik, VISS 300. Al 2 0 with a proportion by weight of A1 2 0 3: The cathode was a ZnO sputtered from 1% at room temperature. The pressure during the deposition was 5 * 10 "6 bar. The argon flow was set to 50 sccm. It was 1% oxygen in the flow of argon adds contributed. The deposition time was 10 minutes in total at a deposition power of 2 W * cm" 2 based on the cathode size. The deposition frequency was set to 13.56 MHz. The deposition rate was 0.13 nm / s. The ZnO was deposited through a mask which defines the area of the solar cells.
  • the zinc oxide layer thus prepared was then evaporated through a mask with silver.
  • the vapor deposition material used was silver with a purity of 99.99%.
  • a layer thickness of 700 nm of silver was deposited in this way at a pressure of 2 ⁇ 10 -5 mbar and at a deposition rate of 5 nm * s'.
  • the shuttle material was tungsten.
  • cells 3 and 6 While a layer of silver was deposited on cells 1 and 4 on zinc oxide, cells 3 and 6 were arrayed with 0.1 mm wide silver strips spaced 1 mm apart and connected by a 2 mm wide silver strip.
  • Cells 2 and 5 were provided with a second electrical contact as follows: Cathode sputtering of aluminum-doped zinc oxide with a layer thickness of 80 nm.
  • the type of plant selected was a Kurt Lesker plant.
  • a ZnO: Al 2 0 3 was sputtered with a weight fraction of A1 2 0 3 of 2% at 100 ° C.
  • the pressure at the deposition was 2 mTorr, corresponding to 2.7 * 10 "6 bar.
  • argon was set at a flow of 8 sccm and the deposition time was 3.5 minutes at a deposition rate of 0.33 nm * s ⁇ l and a deposition rate of 1.4 W * cm "2 based on the cathode size.
  • the deposition frequency was set to 13.56 MHz.
  • FIG. 7 shows the Raman intensity versus the Stokes shift
  • FIG. 8 the Raman intensity ratio and the conductivity versus the gas flow ratio rC02.
  • the Raman intensity ratio Ic which is related to the ratio of the microcrystalline to the amorphous phase, is advantageously more than 5% in the n-layer according to the invention. This value is determined by measurements on the n-layer with a layer thickness of at least 100 nm by a Raman spectrometer at a laser wavelength of 488 nm. Subsequently, the spectrum was evaluated in the following manner.
  • the Raman intensity ratio I c is plotted as a function of the CO 2 (PH 3 ) SiH 4 ratio.
  • the PH 3 in SiH 4 flow and the H 2 flow are listed in the legend in sccm.
  • the conductivity ⁇ is plotted against the C0 2 / SiH 4 ratio.
  • the used PH 3 in SiFL t flow and the H 2 flow are listed in the legend.
  • a comparison of cells 2 and 5 shows that the ⁇ -8 ⁇ ⁇ : ⁇ part of the n-layer in cell 5 parasitically absorbs less light, resulting in a higher short-circuit current density and thus leads to a higher efficiency.
  • the ⁇ -8 ⁇ ⁇ : ⁇ part of the n-layer leads to a better light coupling, which further increases the short-circuit current density.
  • a comparison of cells 3 and 6 shows that the ⁇ -8 ⁇ ⁇ : ⁇ part of the n-layer in cell 5 parasitically absorbs less light, which leads to a higher short-circuit current density and thus to a higher efficiency.
  • the ⁇ -8 ⁇ ⁇ : ⁇ ⁇ n> leads to better light coupling, which further increases the short-circuit current density.
  • the two-sided lighting can be realized in the simplest case by a reflector that illuminates the solar modules from the back. This may be z. B. also act on an already existing white film, which is already used for roof covering.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einer ersten elektrischen Kontaktschicht auf einem Substrat sowie einer p-i-n-Struktur auf der ersten elektrischen Kontaktschicht, wobei die p-Schicht auf der ersten elektrischen Kontaktschicht angeordnet ist, sowie einer zweiten elektrischen Kontaktschicht auf der n-Schicht der p-i-n-Struktur, wobei die i-Schicht der p-i-n-Struktur mikrokristallin ist, gekennzeichnet durch eine n-dotierte Schicht mit einem Gesamtsauerstoffgehalt von 10 bis 25 % und umfassend zwei Phasen, eine mikrokristalline Si:H-Phase und eine amorphe SiOx:H-Phase. Ein Verfahren zur Herstellung der Solarzelle sowie die Verwendung der Solarzelle ist offenbart.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle und eine Solarzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle und eine Solarzelle. Stand der Technik
Siliziumdünnschichtsolarzellen bestehen aus dotierten und undotierten Schichten. Die undotierten (i-)Schichten haben eine geringe Defektdichte. Deshalb ist die Rekombination von erzeugten Ladungsträgern unwahrscheinlich. Die dotierten Schichten haben eine hohe Defektdichte. Deshalb rekombinieren erzeugte Ladungsträger sofort und tragen nicht zum Stromtransport bei. Es wird daher versucht die p- und die n-Schichten von Solarzellen transparent und dünn herzustellen. Die dem Licht zugewandte Seite der Solarzelle soll das Licht zudem in geeigneter Weise in die Zelle einkoppeln. Diese Schichten werden als Fenster- schichten bezeichnet.
Für die dem Licht zugewandten p- oder n-Fensterschichten werden dotierte Materialien eingesetzt, die eine hohe Bandlücke, einen geeigneten Brechungsindex und eine genügende Leitfähigkeit aufweisen. Es ist bekannt, hierfür dotierte Siliziumlegierungen, wie z. B. Bor- oder Phosphordotiertes a-SiC:H oder a-SiO:H einzusetzen. Bei diesen Materialien verringert sich nachteilig jedoch die elektrische Leitfähigkeit mit steigender Bandlücke und kleiner werdendem Brechungsindex.
Aus der EP 1 650 812 A2 ist eine p-i-n-p-i-n-Struktur, abgeschieden auf einem dem Licht zugewandten Substrat, bekannt. Auf der dem Licht abgewandten Seite ist zwischen der i- Schicht und der n-Schicht vor einem Rückreflektor 5m, eine Schicht mit niedrigem Bre- chungsindex 4on auf der intrinsischen i-Schicht angeordnet Diese Schicht mit niedrigem Brechungsindex erzeugt vorteilhaft ein Diffusionspotential in der Konversionsschicht. Um einen ausreichenden Lichteinfang zu gewährleisten muss diese Schicht mit niedrigem Brechungsindex eine Dicke von mehr als 30 nra aufweisen. Nachteilig weist aber auch diese Tandem-Solarzelle nur einen Wirkungsgrad von etwa 11 % auf. Aus Smirnov et al. (Phys. Status Solidi C7, No 3-4, 1053-1056, 2010) ist bekannt, eine Einfachzelle in n-i-p-Struktur auf einem Substrat aufwachsen zu lassen. Die n-Schicht besteht aus einer mikrokristallinen Siliziumphase und einer amorphen Siliziumoxidphase ^c-SiOx:H). Dabei wächst die mikrokristalline i-Schicht aufgrund der n-i-p-Struktur auf der SiOx n-Schicht auf. Nachteilig ist auch mit dieser Solarzelle ein Wirkungsgrad von nur etwa 8 % erzielbar.
Aufgabe und Lösung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es eine Solarzelle bereit zu stellen, die einen höheren Wirkungsgrad aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, so dass diese Solarzelle bereitgestellt wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verwendung für eine derartige Solarzelle anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Solarzelle nach Patentanspruch 1 , dem Verfahren zur Herstellung der Solarzelle sowie der angegebenen Verwendung der Solarzelle. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu ergeben sich jeweils aus den hierauf rückbezogenen Patentansprü- chen.
Allgemeiner Beschreibungsteil zur Erfindung
Die Solarzelle weist eine erste elektrische Kontaktschicht auf einem Substrat auf. Eine Einfachzelle mit einer einzigen p-i-n-Struktur ist auf der ersten elektrischen Kontaktschicht angeordnet. Dabei ist die p-Schicht auf der ersten elektrischen Kontaktschicht angeordnet. Im Übrigen weist die Solarzelle eine zweite elektrische Kontaktschicht auf der n-Schicht der p-i-n-Struktur auf. Die i-Schicht der p-i-n- Struktur ist mikrokristallin ausgestaltet.
Das Substratmaterial besteht vorteilhaft aus eisenarmem Glas mit einer Dicke von vorteilhaft 0,7 mm bis 4 mm. Besonders vorteilhaft ist eine Dicke von 3 mm bis 4 mm. Das Substrat kann mittels Floatglasverfahren hergestellt werden. Diese Gläser sind vorteilhaft transparent. Es können jedoch auch andere durchsichtige Substrate genutzt werden, die den Verfahrensanforderungen genügen. Außerdem besteht die Möglichkeit auf einem nicht transparenten tem- porären Substrat die Schichten abzuscheiden, welches dann nach dem Herstellungsverfahren entfernt wird und durch ein transparentes Substrat ersetzt wird.
Diese Maßnahme bewirkt vorteilhaft, dass die Solarzelle von der Substratseite beleuchtbar ist.
Für den Fall, dass eine beidseitige Beleuchtung nicht erwünscht ist und die Solarzelle nur n-seitig beleuchtet werden soll, kann das Substrat auch nicht transparent ausgeführt werden und z. B. aus Aluminium bzw. Edelstahl bestehen.
Die erste elektrische Kontaktschicht umfasst vorzugsweise das Material Zinkoxid (ZnO) oder Zinnoxid (Sn02). Dieses Material ist geeignet dotiert, z. B. mit Aluminium oder Fluor und Licht streuend. Die Dicke beträgt z. B. 70 nm bis 7 μηι und variiert je nach der Dotierung bzw. der Leitfähigkeit und der Transparenz der Schicht. Als Herstellungsverfahren wird vorzugsweise Kathodenzerstäuben oder eine Niederdruck Chemische Gasphasenzersetzung (LPCVD) oder eine Atmosphärendruck Chemische Gasphasenzersetzung (APCVD) angewendet. Die erste elektrische Kontaktschicht ist elektrisch leitfähig, Licht streuend und optisch transparent. Bei nur n-seitiger Beleuchtung, ist die erste elektrische Kontaktschicht elektrisch leitend, Licht streuend und reflektierend auszuführen. Hierzu kann wie im Ausfuhrungsbeispiel ein Schichtstapel aus ZnO, Silber und wieder ZnO genutzt werden.
Die p-i-n-Solarzelle ist wie folgt aufgebaut. Die p-Schicht besteht aus mikrokristallinem Silizium inklusive einer Legierung mit z. B. Sauerstoff oder Kohlenstoff. Die Dicke beträgt z. B. 5 nm bis 70 nm, vorteilhaft aber 10 nm bis 20 nm. Die i-Schicht besteht ebenfalls aus mikrokristallinem Silizium. Diese Schicht wird nicht dotiert. Die Dicke beträgt z. B. 100 nm bis 40 μη , vorteilhaft zwischen 500 nm bis 2 μηι.
Die n-Schicht wird erfindungsgemäß wie folgt ausgestaltet. Das Material ist ein Phasengemisch bestehend aus einer mikrokristallinen Siliziumphase (μϋ-8ί:Η) und einer amorphen Siliziumoxidphase (a-SiOx:H). Die Dicke beträgt vorteilhaft 5 nm bis 25 nm besonders vorteilhaft aber 10 bis 20 nm. Die n-dotierte Schicht weist einen Gesamtsauerstoffgehalt von 10 bis 25 %, vorzugsweise 15 bis 20 % auf. Die p-Schicht, die i-Schicht und die n-Schicht können alle mit dem gleichen Herstellungsverfahren abgeschieden werden. Hierzu zählt z. B. die Plasma unterstützte Chemische Gasphasenzersetzung (PECVD).
Die Schichten können in dieser Reihenfolge abgeschieden werden. Es besteht jedoch die Möglichkeit, und meistens ist es auch sinnvoll, verschiedene Zwischenschichten einzufügen die zu einem noch besseren Wirkungsgrad führen.
Die zweite elektrische Kontaktschicht wird wie folgt aufgebaut sein: Eine erste Schicht umfasst das ZnO oder ITO, beides geeignet dotiert, z. B. mit Aluminium. Die Dicke dieser Schicht beträgt z. B. 30 nm bis 7 μηα und variiert je nach Dotierung bzw. Leitfähigkeit und Transparenz. Als Herstellungsverfahren wird z. B. Kathodenzerstäuben oder Niederdruck Chemische Gasphasenzersetzung (LPCVD) gewählt.
Die Chemische Gasphasenzersetzung bei Niedrigdruck als Ab scheidungs verfahren erzielt vorteilhaft bei geringen Temperaturen höhere elektrische Leitfähigkeiten der Solarzelle bei gleicher Transparenz. Dies bewirkt vorteilhaft, dass dann kein Silbergrid zur besseren Ablei- tung des erzeugten Stroms notwendig ist. Die zweite elektrische Kontaktschicht weist die notwendige Leitfähigkeit dann bedingt durch das Herstellungsverfahren auf.
Andererseits kann optional auf der zweiten elektrischen Kontaktschicht das Silbergrid angeordnet werden. Hierdurch sind auch Kathodenzerstäubungs- Verfahren bei der Herstellung der zweiten elektrischen Kontaktschicht anwendbar. Der zweite Teil der zweiten elektrischen Kontaktschicht wird demnach je nach der Leitfähigkeit der zweiten elektrischen Kontaktschicht bzw. der Beleuchtungsrichtung benötigt. Als Material steht Silber oder Aluminium zur Verfügung. Die Dicke dieser Schicht beträgt z. B. 200 nm bis etwa 1 μηι. Als Herstellungsverfahren wird z. B. ein Siebdruckverfahren oder ein Tintenstrahldruckverfahren gewählt. Ferner kommen aber auch das Kathodenzerstäuben oder das thermische Aufdampfen oder Elektronenstrahlaufdampfen in Frage.
Je nach der Beleuchtungsrichtung und der Leitfähigkeit des ersten Teils der zweiten elektrischen Kontaktschicht wird der zweite Teil der zweiten elektrischen Kontaktschicht in feinen Streifen mit einem geeigneten Abstand zueinander aufgebracht. Hier sind die Abstände und Breiten der Streifen so zu optimieren, so dass sie möglichst wenig Fläche bedecken und gleichzeitig möglichst verlustarm den Strom zu den Kontakten bzw. zum nächsten Zellstreifen abführen können.
Das Verfahren zur Erzeugung der Zellstreifen und der anschließenden Serienver Schaltung ist dem Stand der Technik zu entnehmen. Bei lediglich einseitiger Beleuchtung wird die Abscheidung der Silberschicht auf der gesamten Fläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht ausgeführt.
Diese Einfachzelle (engl, single junction) mit lediglich einer einzigen p-i-n-Struktur bewirkt besonders vorteilhaft neben der n-Schicht als solche, dass die Solarzelle beidseitig beleuchtet werden kann, sofern die beschriebenen Herstellungsverfahren eingehalten werden.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Schichtenfolge aus der EP 1 650 812 A2 ungeeignet ist, um zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads im erfindungsgemäßen Sinn beizutragen. Erstens ist diese Tandemstruktur hierzu generell nicht in der Lage, denn diese ist nicht beidseitig beleuchtbar, da sie einen Rückreflektor aufweist. Außerdem sind Tandemsolarzellen im Generellen aufgrund der unterschiedlichen Bandlücken ihrer Teilzellen nicht geeignet in beidseitiger Beleuchtung eingesetzt zu werden. Zweitens weist die Schicht 4on eine
Konzentration von 02 von mehr als 25 % auf. In Zusammenhang mit einer Schichtdicke von wenigstens 30 nm ergibt sich mit der Schicht 4n zusammen eine n-Schichtenfolge mit etwa 40 ran Dicke. Es handelt sich also um zwei Schichten, wobei die Schicht 4n den Kontaktwiderstand zur Kontaktschicht reduziert und die Schicht 4on einen niedrigen Brechungsindex auf- weist. Dies führt zu einer Verringerung der Leitfähigkeit, so dass die Schicht 4n zusätzlich zu verwenden ist.
Im Rahmen der Erfindung wurde ferner erkannt, dass aus Smirnov et al. nachteilig eine hohe Kristal linität der SiOx-n-Schicht notwendig ist, um die nachfolgend abgeschiedene i-Schicht hierauf gut nukleieren zu lassen. In der vorliegenden Patentanmeldung wächst die n-Schicht hingegen auf der mikrokristallinen i-Schicht auf und nukleiert auf diese Weise per se gut.
Dadurch kann bei gleicher Leitfähigkeit der Schichten aus Smirnov und der erfindungsgemäßen n-Schicht ein höherer Sauerstoff gehalt in der vorliegenden Patentanmeldung eingestellt werden, was vorteilhaft bewirkt, dass eine höhere Transparenz der erfindungsgemäßen n-Schicht erreicht werden kann. Die Zellen in Smirnov et al. weisen einen niedrigen Füllfak- tor auf, was sich auf die schlechtere Nukleation der i-Schicht auf der SiOx n-Schicht zurück- führen lässt. Im Rahmen der Erfindung wurde außerdem erkannt, dass die in Smirnov et al. vorgeschlagene n-i-p-Struktur nicht geeignet ist den Wirkungsgrad deutlich zu erhöhen, da auf der p-Schicht deckend eine Silberschicht angeordnet ist, was eine beidseitige Beleuchtung unmöglich macht. Das Raman-lntensitätsverhältnis wird bei der Herstellung der SiOx n-Schicht wie folgt genutzt. Das Raman-lntensitätsverhältnis, welches dem Verhältnis der mikrokristallinen zur amorphen Phase in der n-Schicht verwandt ist, soll vorteilhaft mehr als 5 % in der n-Schicht betragen. Dieser Wert wird durch Messungen an Schichten mit einer Schichtdicke von mindestens 100 nm durch ein Raman-Spektrometer bei einer Laserwellenlänge von 488 nra be- stimmt.
Die Dicke der n-Schicht von 5 bis 25 nm bewirkt besonders vorteilhaft, dass die n-Schicht zusätzlich eine geringe Transparenz aufweist was damit zu einer hohen Kurzschlussstromdichte führt. Außerdem reicht die Schichtdicke aus, um einen genügend hohen Füllfaktor der Solarzelle zu erreichen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind beide elektrischen Kontaktschichten transparent. Es darf dann auf der erfindungs gemäßen Schichten folge allenfalls ein Silbergrid bzw. Silbernetz auf der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet sein. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass eine beidseitige Beleuchtung der Solarzelle möglich ist, die jeweils gesondert zur Wirkungsgradverbesserung der Solarzelle beiträgt.
Vorteilhaft beträgt daher der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Solarzelle mehr als der jeder anderen Einzelzelle.
Die beschriebene Solarzelle wird vorteilhaft durch beidseitige Beleuchtung verwendet. Hierdurch steigt die Leistung der Solarzelle und insbesondere die Kurzschlussstromdichte als Kennfaktor.
Analog zur Solarzelle wird während des Verfahrens auf einem Substrat eine erste elektrische Kontaktschicht angeordnet. Auf der ersten elektrischen Kontaktschicht wird eine mikrokristalline p-Schicht und auf dieser eine mikrokristalline i-Schicht angeordnet. Sodann wird auf dieser Schichtenfolge die erfindungsgemäße mikrokristalline n-dotierte Schicht angeordnet. Die Verfahrensparameter werden so eingestellt, dass eine n-dotierte SiOx-Schicht mit einem Gesamtsauer stoff gehalt von 10 bis 25 % und umfassend zwei Phasen gebildet werden. Eine erste mikrokristalline Si:H-Phase und eine zweite amorphe SiOx:H-Phase. Diese Phasen bilden die n-Schicht. Abschließend wird auf der erfindungsgemäßen n-dotierten Schicht eine zweite elektrische Kontaktschicht angeordnet.
Während der Abscheidung der n- Schicht werden die nachfolgenden Parameter eingestellt.
1 bis 5 % PH3 in 0,003 bis 0,03 sccm Silan; 0,66 bis 6,66 sccm H2; 0,0017 bis 0,02 sccm C02 jeweil je cm2 Elektrodenfläche während der Abscheidung der n-Schicht. Der Saustoff gehalt wird auf diese Weise auf 10 bis 25 % eingestellt. Die Plasmaanregungsfrequenz kann zwischen 13,56 bis 1 10 MHz eingestellt werden. Die Temperatur kann während der Abscheidung der n-Schicht 100 bis 300 °C betragen. Der Abscheidungsdruck beträgt während der Abscheidung der n-Schicht vorteilhaft 0,3 bis 10 mbar. Die Anregungsleistung des Plasmas liegt vorteilhaft zwischen 0,1 bis 1 W*cm 2. Der Elektrodenabstand zum Substrat beträgt vorteil- haft z. B. 5 bis 30 mm. Die Absehe idungsrate kann zwischen 0,01 bis 1 ητη*8"' betragen.
An Stelle von SiH4 kann ein anderes Siliziumhaltiges Gas verwendet werden, dann muss lediglich nach Stand der Technik der Gasfluss äquivalent berechnet werden.
Das Verfahren sieht in einer Ausgestaltung der Erfindung vor, auf der zweiten elektrischen Kontaktschicht ein Silbergrid anzuordnen. Dieser Verfahrensschritt bewirkt mehr Freiheit bei der Herstellung der zweiten elektrischen Kontaktschicht. So kann dann z. ß. ein aus dem Stand der Technik bekanntes Kathodenzerstäubungsverfahren angewendet werden.
Spezieller Beschreibungsteil:
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken. Es zeigen:
Figuren 1-6: Solarzelle nach dem Stand der Technik (Figuren 1 bis 3) nach der Erfindung
(Figuren 4 bis 6). Figur 7: Abhängigkeit der Raman-Intensität von der Stokes- Verschiebung der n-Schicht bei 488 nm.
Figur 8: Abhängigkeit des Raman-lntensitätsverhältnisses und der Leitfähigkeit der n- Schicht von den Gasflussverhältnissen.
Verglichen wird jeweils eine Referenz der Zellen 1 bis 3 mit einem Ausführungsbeispiel der Zellen 4 bis 6. Unmittelbar vergleichbar sind dabei die Zellen 1 und 4, 2 und 5 sowie 3 und 6.
Bei der nachfolgenden Abscheidung der Schichten wurde eine Elektrodenfläche von 150 cm verwendet.
Erster Schritt: Glasreinigung Für alle 6 Zellen wurde ein Glassubstrat verwendet. Eine Glasreinigung erfolgte in einem
Ultraschallbecken gefüllt mit deionisiertem Wasser und Decontam. Das Substrat wurde in deionisiertem Wasser gespült, bis eine Leitfähigkeit von > 18 x 106 Ohm erreicht wurde. Die Trocknung des Substrats erfolgte durch Schleudern und Spülen mit Stickstoff 5.0.
Zweiter Schritt: Anordnung der ersten elektrischen Kontaktschicht auf dem Glassubstrat a) Die erste elektrische Kontaktschicht wurde durch Magnetron Kathodenzerstäuben von
Aluminium dotiertem Zinkoxid auf dem Glassubstrat angeordnet. Als Anlagentyp wurde eine Von Ardenne Anlagentechnik, VISS 300, gewählt. Der Sputterprozess erfolgte unter Verwendung einer ZnO AhC^-Kathode mit einem Gewichtsanteil von A1203 von 1 %. Die Glastemperatur wurde auf 300 °C eingestellt. Die Abscheidungsleistung betrug 2 W*cm"2 bezogen auf die Kathodengröße bei einer Abscheidungsfrequenz von 1 ,56 MHz. Als Prozessgas wurde Argon mit einem Fluss von 100 sccm eingestellt. Der Druck in der Vakuumkammer betrug bei der Abscheidung 1 * 10"6 bar, Entsprechend der Parameter während der Abscheidung wurde eine Schicht mit einer Dicke von 800 nm bei einer Absehe idungsdauer von 75 Minuten und einer Abscheidungsrate 5,5 mm*m*min"' auf dem Glassubstrat abgeschieden. Im An- schluss an den Sputterprozess wurde die Oberfläche des Zinkoxids mittels 0,5 % verdünnter Salzsäure für 40 Sekunden geätzt, um die gewünschte Oberflächentopographie des Zinkoxids zu erhalten. Dieser Herstellungsprozess wurde für alle sechs Zellen in identischer Weise durchgeführt, b) Die Zellen 3 und 6 wurden zusätzlich wie folgt behandelt:
1) Auf die geätzte Zinkoxid-Oberfläche wurde durch Kathodenzerstäuben von Silber eine zweite Schicht angeordnet. Als Anlagentyp wurde eine Von Ardenne Anlagentechnik, VISS 300, gewählt. Der Sputterprozess selbst erfolgt unter Verwendung einer Kathode aus 99,99 % Silber. Es wurde bei Raumtemperatur gesputtert. Der Druck in der Kammer bei der Abschei- dung betrug 5* 10"6 bar. Die Abscheidungsleistung wurde auf 2 Wem"2 bezogen auf die Kathodengröße eingestellt. Bei einer Abscheidungsfrequenz von 40 kHz sowie einem Argon Fluss von 100 seem wurde bei einer Abscheidungsdauer von 5 Minuten eine 200 nm dicke Silberschicht auf dem Zinkoxidkontakt angeordnet.
2) In einem dritten Schritt wurde auf die nach b)l) hergestellte Silberschicht der Zellen 3 und 6 durch Kathodenzerstäuben von Aluminium dotiertem Zinkoxid eine weitere dünne Kontaktschicht zum Schutz der Silberschicht angeordnet.
Als Anlagentyp wurde zu diesem Zweck eine Von Ardenne Anlagentechnik, VISS 300, ge- wählt. Der Sputterprozess erfolgte unter Verwendung einer ZnO:Al203 -Kathode mit einem
Gewichtsanteil an A1203 von 1 %. Die Glastemperatur wurde auf Raumtemperatur eingestellt. Der Druck bei der Absehe idung betrug 5* 10"6 bar. Der Argonfluss wurde auf 50 seem eingestellt. Zusätzlich wurde als Reaktionsgas 1 % Sauerstoff im Argon Fluss von 50 seem zugesetzt. Bei einer Abscheidungsleistung von 2 W*cm"2 bezogen auf die Kathodengröße und einer Abscheidungsfrequenz von 13,56 MHz wurde bei 10 Minuten Abscheidungsdauer eine 80 nm dünne Zinkoxidschicht auf der 200 nm dicken Silberschicht angeordnet.
Dritter Schritt: Anordnung der p-dotierten Schicht auf dem ersten elektrischen Kontakt
Es wurde eine mit Bor dotierte, 20 nm dicke, mikrokristalline Schicht mittels PECVD auf dem ersten elektrischen Kontakt abgeschieden, 1) Im ersten Schritt wurde bei einem Abscheidungsdruck von 0,4 mbar und einer Abscheidungsdauer von 3 Minuten abgeschieden. Die Substrattemperatur wurde hierfür auf 180 °C eingestellt. Bei einer Abscheidungsfrequenz von 94,7 MHz und einer Abscheidungsleistung von 0,065 W*cm"2 wurde eine Fläche von 10cm* 10cm beschichtet. Der Abstand zwischen den Elektroden betrug 20 mm. Es wurden Flüsse an Siliziumwasserstoff von 1,5 sccm und Wasserstoff von 200 sccm eingestellt. 1 % Trimethylbor in Helium mit einem Fluss 0,4 sccm wurde zugefügt. Auf diese Weise wurde eine 5 um dicke Bor dotierte Schicht auf dem ersten elektrischen Kontakt angeordnet.
2) Bei veränderten Flüssen aber im Übrigen identischen Verfahrensparametern wurde der zweite Teil der p-Schicht über 4 Minuten hinweg abgeschieden. Der Fluss an Siliziumwasserstoff betrug hierfür 2 sccm. Der Fluss an Wasserstoff betrug 200 sccm und der Fluss von 1 % Trimethylbor in Helium betrug 2 sccm. Die Dotierung wurde entsprechend eingestellt. Der dritte Schritt wurde für alle sechs Zellen auf identische Weise durchgeführt.
Vierter Schritt: Anordnung der i-Schicht auf der p-Schicht
Zur Abscheidung einer 1000 nm dicken intrinsischen mikrokristallinen Schicht mittels PECVD wurde wie folgt vorgegangen:
Der erste Teil der intrinsischen Schicht wurde bei einem Abscheidungsdruck von 1,5 mbar für und einer Abscheidungsdauer von 4 Minuten hergestellt. Die nach den ersten drei Schritten hergestellte Schichtstruktur wurde in die Kammer eingesetzt und auf 180°C geheizt. Der Abstand zwischen den Elektroden betrug 12 Millimeter. Bei einer Abscheidungsfrequenz von 94,7 MHz und einer Abscheidungsleistung von 0,13 W*cm_i wurden 70 nm der insgesamt lOOOnm auf 10 10 cm2 Abscheidungsfläche abgeschieden. Dabei betrug der Fluss an Silizi- umwasserstoff 4 sccm und der Fluss an Wasserstoff betrug 95 sccm.
Der zweite Teil der intrinsischen Schicht wurde bei veränderten Flüssen über 75 Minuten hergestellt. Der Fluss an Silizium Wasserstoff wurde auf 4,5 sccm und der Fluss an Wasserstoff wurde auf 95 sccm eingestellt. Auf diese Weise wurden die restlichen 930 nm der insgesamt 1000 nm abgeschieden. Der vierte Schritt wurde für alle sechs Zellen in identischer Weise durchgeführt. Fünfter Schritt: Anordnung der SiOx-Schicht als n-Schicht auf der i-Schicht
Die n-Schicht wurde als Phosphor dotierte Schicht mit einer Dicke von 20 nm auf der intrinsischen Schicht abgeschieden. Es wurde ein PECVD-Verfahren angewendet. Die mit Schritt 4 hergestellten Schichtstrukturen wurden hierfür in die Abscheidungskammer eingebracht und auf 180 °C geheizt. Auf den 10 x 10 cm2 großen Schicht-Strukturen wurden bei einem Elektrodenabstand von 20 Millimetern und einer Abscheidungsfrequenz von 13,56 MHz die nachfolgend zusammengefassten Parameter eingestellt:
Tabelle 1 : Zusammenfassung wesentlicher Prozessparameter bei der Herstellung der n-Schicht der untersuchten p-i-n-Zellen.
Figure imgf000012_0001
Der Abscheidungsdruck betrug bei den Zellen 1 bis 3 jeweils 0,665 mbar und bei den nachfolgenden Zellen 4 bis 6 insgesamt 3 mbar. Zelle Dauer Leistung Fluss 2 % Fluss Fluss C02 Beleuchtung [min] [W*crn 2] PH3 /SiH4 H2 [sccm/cm2]
[sccm/cm2] [sccm/c
m2]
4 4min0s 0,33 0,0066 1 ,32 0,00495 Glasseite
5 4min0s 0,33 0,0066 1 ,32 0,00495 Glasseite / Nicht- Glasseite
6 4min0s 0,33 0,0066 1 ,32 0,00495 Nicht-Glasseite
Spalte 1 gibt die jeweiligen Referenzen, das heißt die Zellen 1 bis 3 sowie die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele, das heißt die Zellen 4 bis 6 an. Spalte 2 gibt die Abscheidungs- dauer während des PECVD-Verfahrens und die Spalte 3 die Abscheidungsleistung an.
Die Spalten 4 bis 6 geben die verwendeten Flüsse je cm2 Elektrodenfläche an. Die Spalte 4 zeigt, dass vorliegend 2 % Phosphin in Silan verwendet wurde. Die Spalten 6 und 7 geben die Flüsse an Silan (Zellen 1 bis 3) bzw. Wasserstoff (Zellen 4 bis 6) wieder. Kohlendioxid wurde nur bei der Herstellung der n-Schichten der Zellen 4 bis 6 eingesetzt. Alle Flüsse werden in Standardkubikzentimeter angegeben. Unter diesen Bedingungen stellt sich das gewünschte Phasengemisch ein.
Die Zellen 4 bis 6 weisen in der n-Schicht entsprechend einen Sauerstoffgehalt von etwa 20 %, bezogen auf das gesamte Schichtvolumen der n- Schicht, auf.
Sechster Schritt: Anordnung der zweiten elektrischen Kontaktschicht auf der n-Schicht
Die Zellen 1 bis 6 wurden wie folgt mit einem zweiten elektrischen Kontakt versehen: Katho- denzerstäuben von Aluminium dotiertem Zinkoxid mit einer Schichtdicke von 80 nm. 1) Zellen 1 , 3, 4 und 6: Als Anlagentyp wurde eine Von Ardenne Anlagentechnik, VISS 300 verwendet. Als Kathode wurde eine ZnO:Al20 mit einem Gewichtsanteil von A1203: von 1 % bei Raumtemperatur zerstäubt. Der Druck bei der Abscheidung betrug 5* 10"6 bar. Als Argon Fluss wurde 50 sccm eingestellt. Es wurde 1 % Sauerstoff in den Argon Fluss beige- fugt. Die Abscheidungsdauer betrug insgesamt 10 Minuten bei einer Abscheidungsleistung von 2 W*cm"2 bezogen auf die Kathodengröße. Die Abscheidungsfrequenz wurde auf 13,56 MHz eingestellt. Die Abscheidungsrate betrug hierbei von 0,13 nm/s. Das ZnO wurde durch eine Maske abgeschieden, welche die Fläche der Solarzellen definiert.
Die auf diese Weise hergestellte Zinkoxidschicht wurde sodann durch eine Maske mit Silber bedampft. Als Aufdampfmaterial wurde Silber mit einer Reinheit von 99,99 % gewählt.
Bei Raumtemperatur wurde auf diese Weise eine Schichtdicke von 700 nm Silber bei einem Druck von 2* 10~5 mbar und bei einer Abscheidungsrate von 5 nm*s ' abgeschieden. Das Schiffchenmaterial bestand aus Wolfram.
Während bei den Zellen 1 und 4 auf dem Zinkoxid eine Lage Silber abgeschieden wurde, wurden bei den Zellen 3 und 6 0,1 mm breite Silberstreifen mit einem Abstand von 1 mm, welche durch einen 2 mm breiten Silberstreifen verbunden sind, angeordnet.
2) Die Zellen 2 und 5 wurden wie folgt mit einem zweiten elektrischen Kontakt versehen: Kathodenzerstäuben von Aluminium dotierten Zinkoxid mit einer Schichtdicke von 80 nm.
Als Anlagentyp wurde eine Kurt Lesker-Anlage gewählt. Als Kathode wurde eine ZnO:Al203 mit einem Gewichtsanteil an A1203 von 2 % bei 100°C zerstäubt. Der Druck bei der Abscheidung betrug 2 mTorr, entsprechend 2,7* 10"6 bar- Als Prozessgas wurde Argon mit einem Fluss von 8 sccm eingestellt. Die Abscheidungsdauer betrug insgesamt 3,5 Minuten bei einer Abscheidungsrate von 0,33 nm*s~l und einer Abscheidungsleistung von 1,4 W*cm"2 bezogen auf die Kathodengröße. Die Abscheidungsfrequenz wurde auf 13,56 MHz eingestellt. Die auf diese Weise hergestellte Zinkoxidschicht wurde sodann durch eine Maske mit Silber bedampft, wie für die Zellen 3 und 6 gezeigt, so dass wiederum aus Vergleichbarkeitsgründen 0,1 mm breite Silberstreifen mit einem Abstand von 1 mm, welche durch einen 2 mm breiten Silberstreifen verbunden sind, angeordnet wurden. Die Figuren 1 bis 6 zeigen schematisch die auf diese Weise hergestellten Zellen 1 bis 6 sowie die Beleuchtung der Zellen entlang der dicken Pfeile.
Um die Anteile der amorphen und der mikrokristallinen Phase in der n-Schicht näher zu charakterisieren, wurde in der Figur 7 die Raman-Intensität gegen die Stokes-Verschiebung und in Figur 8 das Raman-Intensitätsverhältnis und die Leitfähigkeit gegen das Gasflussverhältnis rC02 dargestellt.
Das Raman-Intensitätsverhältnis Ic, welches dem Verhältnis der mikrokristallinen zur amorphen Phase verwandt ist, beträgt vorteilhaft mehr als 5 % in der erfindungsgemäßen n-Schicht. Dieser Wert wird durch Messungen an der n-Schicht mit einer Schichtdicke von mindestens 100 nm durch ein Raman-Spektrometer bei einer Laserwellenlänge von 488 nm bestimmt. Anschließend wurde das Spektrum in folgender Weise ausgewertet.
An das Spektrum der SiOx-n-Schicht wird so ein a-SiOx Spektrum als Referenz angepasst, das beide Spektren bei Wellenzahlen zwischen 400 cm"1 und 450 cm"' übereinstimmen lassen. Nun wird das a-SiOx:H Signal von dem der SiOx-n-Signal abgezogen, die Fläche der Signale wird berechnet und mit folgender Rechenvorschrift das Raman Intesitätsverhältnis (7c) bestimmt. c-Si:H A jic-Si:H
Figure imgf000015_0001
In Figur 8a) ist das Raman Intensitäts- Verhältnis Ic in Abhängigkeit zum C02 (PH3)SiH4- Verhältnis aufgetragen. Der PH3 in SiH4-Fluss und der H2-Fluss sind in der Legende in sccm aufgeführt. In Figur 8b) ist die Leitfähigkeit σ über dem C02/SiH4- Verhältnis aufgetragen. Der genutzte PH3 in SiFLt-Fluss und der H2-Fluss sind in der Legende aufgeführt.
Aus Figur 8b wird deutlich, dass ein Ic von > 5 % für die Leitfähigkeit der Solarzelle vorteilhaft ist. Dies verdeutlicht den vorteilhaften Effekt der mikrokristallinen Phase in den Schichten, unbeachtlich der Schichtdicke der n-Schicht. Ergebnisse:
Die nach dem angegebenen Verfahren erzielten Ergebnisse für die Solarzellen sind wie folgt:
Figure imgf000016_0001
= Kurzschlussstromdichte; Voc = Offene Klemmenspannung; FF = Füllfaktor;
Wirkungsgrad. Ein Vergleich der Zellen 1 und 4 zeigt, dass der μΰ-5ΐΟχ:Η Teil der n-Schicht in Zelle 4 parasitär weniger Licht absorbiert, welches zu einer höheren Kurzschlussstromdichte und damit zu einem höheren Wirkungsgrad führt.
Ein Vergleich der Zellen 2 und 5 zeigt, dass der μΰ-8ίΟχ:Η Teil der n-Schicht in Zelle 5 parasitär weniger Licht absorbiert, welches zu einer höheren Kurzschlussstromdichte und damit zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Außerdem führt der μο-8ιΟχ:Η Teil der n-Schicht zu einer besseren Lichteinkopplung, die die Kurzschlussstromdichte weiter erhöht.
Ein Vergleich der Zellen 3 und 6 zeigt, dass der μΰ-8ΐΟχ:Η Teil der n-Schicht in Zelle 5 parasitär weniger Licht absorbiert, welches zu einer höheren Kurzschlussstromdichte und damit zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Außerdem führt die μΰ-8ΐΟχ:Η <n> zu einer besseren Lichteinkopplung die die Kurzschlussstromdichte weiter erhöht.
Die beidseitige Beleuchtung kann im einfachsten Fall durch einen Reflektor, der die Solarmodule von der Rückseite beleuchtet realisiert werden. Hierbei kann es sich z. B. auch um eine schon vorhandene weiße Folie handeln, welche schon zur Dachabdeckung genutzt wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Solarzelle mit einer ersten elektrischen Kontaktschicht auf einem Substrat sowie einer p-i-n-Struktur auf der ersten elektrischen Kontaktschicht, wobei die p-Schicht auf der ersten elektrischen Kontaktschicht angeordnet ist, sowie einer zweiten elektrischen Kontaktschicht auf der n-Schicht der p-i-n-Struktur, wobei die i-Schicht der p-i-n- Struktur mikrokristallin ist,
gekennzeichnet durch
eine n-dotierte Schicht mit einem Gesamtsauerstoffgehalt von 10 bis 25 % und umfassend zwei Phasen, eine mikrokristalline Si:H-Phase und eine amorphe SiOx:H-Phase.
Solarzelle nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
eine Dicke der n-Schicht von 5 bis 25 nm.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
beide elektrische Kontaktschichten transparent sind.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
einen Bandabstand E04 von 2,0 bis 2,6 eV der n-Schicht.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der zweiten elektrischen Kontaktschicht ein Silbernetz angeordnet ist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
ein Raman-Intensitäts Verhältnis IQ in der n-Schicht von größer 5 berechnet nach
Figure imgf000018_0001
7. Verwendung einer Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der
die Solarzelle beidseitig beleuchtet wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, mit den Schritten:
auf einem Substrat wird eine erste elektrische Kontaktschicht angeordnet, auf der ersten elektrischen Kontaktschicht wird eine mikrokristalline p-Schicht angeordnet,
- auf der p-Schicht wird eine mikrokristalline i-Schicht angeordnet,
auf der mikrokristallinen i-Schicht wird eine mikrokristalline n-dotierte Schicht angeordnet,
auf der n-dotierten Schicht wird eine zweite elektrische Kontaktschicht angeordnet, dadurch gekennzeichnet, dass
eine n-dotierte Schicht mit einem Gesamtsauerstoffgehalt von 10 bis 25 % und umfassend zwei Phasen, eine mikrokristalline Si:H-Phase und eine amorphe SiOx:H- Phase auf der i-Schicht angeordnet wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach dem vorherigen Anspruch,
gekennzeichnet durch
eine Konzentration von 1 bis 5 % PH3 in Silan.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch
einen Gasfluss von 0,003 bis 0,03 sccm Silan-PH3-Gemisch je cm2 Elektrodenfläche während der Abscheidung der n-Schicht.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche,
gekennzeichnet durch
einen Gasfluss von 0,66 bis 6,66 sccm H2 je cm2 Elektrodenfläche während der Abscheidung der n-Schicht.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden drei Ansprüche,
gekennzei chnet durch
einen Gasfluss von 0,0017 bis 0,02 sccm C02 je cm Elektrodenfläche während der Abscheidung der n-Schicht.
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