WO2013029921A1 - Dünnschicht-solarzelle - Google Patents

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WO2013029921A1
WO2013029921A1 PCT/EP2012/065256 EP2012065256W WO2013029921A1 WO 2013029921 A1 WO2013029921 A1 WO 2013029921A1 EP 2012065256 W EP2012065256 W EP 2012065256W WO 2013029921 A1 WO2013029921 A1 WO 2013029921A1
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solar cell
layer
microcrystalline silicon
doped
thin
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PCT/EP2012/065256
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Christian Wachtendorf
Ingo Ramsteiner
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L31/056—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means the light-reflecting means being of the back surface reflector [BSR] type
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells

Definitions

  • the invention relates to a tandem-type thin-film solar cell having a first solar cell component based on amorphous silicon arranged on a transparent front-side substrate and a second solar cell component based on microcrystalline silicon arranged thereon and thus lying below the first solar cell component in the position of use between the first and second solar cell component arranged Zwi see reflector layer.
  • Silicon-based thin-film solar cells are usually constructed in a pin structure, ie the cell comprises a stack of one or more p-doped layers, one or more undoped or intrinsic layers and one or more n-doped layers. They are characterized by low production costs and high flexibility both in production and in use. However, the efficiency of photovoltaic energy conversion is lower than in solar cells based on crystalline silicon. With regard to the efficiency of the energy conversion, thin-layer solar cells or modules based on silicon currently use series-connected stacks of two or more solar cell components arranged one above the other. Their production usually takes place in separate coating systems for each solar cell component or in separate coating chambers, which are connected to one another via a transport system.
  • reactors or process guides in which the complete layer stack of an amorphous upper (ie in the use position of the Irradiation facing) solar cell component, also referred to as top cell, together with a multi-part n-doped layer is formed in a process flow.
  • a second, lower solar cell component also referred to as a bottom cell
  • PECVD system for microcrystalline depositions.
  • a-Si amorphous silicon
  • Staebler-Wronski effect the initial efficiency to the so-called stabilized efficiency, which represents the relevant parameter for the sale of the solar module.
  • the degradation of the amorphous silicon solar cell strongly depends on the thickness of the a-Si absorber material.
  • the current density of the a-Si top cell can be increased, while the degradation factor remains the same.
  • the intermediate layer must be sufficiently conductive perpendicular to the layer so as not to hinder the flow of current through the cell stack.
  • the ohmic resistance should be as high as possible so as not to cause a short circuit between adjacent cells in the series connection of a thin-film module and to damp short circuits, conductive paths or shunts in the cell stack. The latter also leads to better electrical characteristics of the solar cell; see. M. Despeisse, G. Bugnon, A. Feltrin, M. Stueckelberger, P. Cuony, F. Meillaud, A. Billet and C.
  • a tandem-type thin film solar cell 1 having an intermediate reflector layer (IR) is shown in FIG.
  • the sun's rays are symbolized here with the bright arrows; in the figure, therefore, as in the other figures, the first solar cell component is disposed above the lower and second solar cell components. This corresponds to the sequence of the layer-forming steps.
  • the thin-film solar cell 1 comprises a (glass) substrate 3, followed by a front-side contact layer 5, then a first solar cell component 7 formed from amorphous silicon (a-Si), then an intermediate reflector 9, then a microcrystalline silicon (pc-Si Finally, a rear-side contact layer 13 and a rear-side reflector 15 with the short hatched arrows, the back reflection of a portion of the incident radiation at the intermediate reflector 9 and the rear side reflector 15 symbolizes. Disclosure of the invention
  • the invention includes the idea of one between two components of a so-called.
  • Stacking cell such as an amorphous solar cell component and a Microcrystalline solar cell component, intended niereflektor- layer multi-part, ie from several superposed sub-layers to build.
  • the following effects are achieved: a) reflection of light into the solar-facing cell with a particularly effective reflector with a low refractive index;
  • tandem cell constructed according to the invention specifically with a first solar cell component constructed essentially of amorphous silicon and a second solar cell component constructed essentially of microcrystalline silicon.
  • first solar cell component constructed essentially of amorphous silicon
  • second solar cell component constructed essentially of microcrystalline silicon.
  • the invention is also applicable to so-called stacked cells. used, so for example between two amorphous or between two microcrystalline solar cell components.
  • At least one of the partial layers of the intermediate reflector layer is a microcrystalline silicon oxide layer. In one embodiment, at least one p-doped and one n-doped or re-doped microcrystalline silicon oxide layer are provided as partial layers.
  • At least one of the partial layers of the intermediate reflector layer is a microcrystalline silicon layer. In one embodiment, this includes at least one p-doped and one n-doped silicon layer.
  • an n-doped or undoped microcrystalline silicon layer is arranged between a p-doped and an n-doped silicon oxide layer as partial layers of the intermediate reflector layer.
  • a further embodiment of the invention provides that between the intermediate reflector layer and the first solar cell component an adaptation layer is provided, which consists in particular of n-doped microcrystalline silicon.
  • the first solar cell component has an n-doped amorphous silicon layer as the lowest-lying layer in the position of use, adjacent to the intermediate reflector layer or the matching layer.
  • the proposed thin-film solar cell comprises more than two solar cell components, wherein in particular between two adjacent, more particularly each first and respectively underlying second solar cell component, one of a plurality of provided intermediate layers arranged sub-reflector layer is provided.
  • the respective absorber layers of the first and / or the second solar cell component and the partial layers of the intermediate reflector layer are formed in a process-uniform manner by means of a coherent deposition method, in particular by PECVD.
  • a p-doped microcrystalline silicon layer, an n-doped microcrystalline silicon layer and an n-doped microcrystalline silicon oxide layer Position of use over the second solar cell component, arranged in this order, a p-doped microcrystalline silicon layer, an n-doped microcrystalline silicon layer and an n-doped microcrystalline silicon oxide layer.
  • a p-doped microcrystalline silicon layer and an n-doped microcrystalline silicon oxide layer are arranged above the second solar cell component in this order.
  • a p-doped microcrystalline silicon oxide layer, an n-doped microcrystalline silicon layer, an n-doped microcrystalline silicon oxide layer, an n-doped microcrystalline silicon layer and an n-doped microcrystalline layer Silicon oxide layer arranged.
  • a further embodiment provides that in the position of use over the second solar cell component in this order, a p-doped microcrystalline silicon oxide layer, an n-doped microcrystalline silicon layer and a first n-doped microcrystalline silicon oxide layer and a second n-doped microcrystalline silicon oxide layer are arranged the Dopings of the first and second n-doped microcrystalline silicon oxide layer differ from each other.
  • a p-doped microcrystalline silicon oxide layer in the position of use over the second solar cell component in this order, a p-doped microcrystalline silicon oxide layer, a p-doped microcrystalline silicon layer, an n-doped microcrystalline silicon layer and an n-doped microcrystalline silicon oxide layer are arranged.
  • Fig. 1 shows schematically the layer structure of a known
  • Tandem-type thin-film solar cell with intermediate reflector
  • FIG. 4 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention
  • FIG. 5 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention
  • 6 schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention
  • FIG. 7 shows schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention.
  • FIG. 8 schematically shows the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention
  • FIG. 10 schematically shows the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention
  • FIG. 11 shows schematically the layer structure of an embodiment of the thin-film solar cell according to the invention.
  • a typical cell stack of a tandem cell of amorphous (a-Si) and microcrystalline (pc-Si) solar cell component is shown.
  • a transparent conductive layer in this example ZnO, produced by means of LPCVD
  • an a-Si cell with p-doped a-SiC, a-SiC Buffer, ia- Si, n-doped a-Si and n-doped pc-Si layer This is followed by the microcrystalline solar cell with p-doped pc-Si, i-pc-Si and n-doped oxide layer.
  • the latter can also consist of na-you or n-pc-Si.
  • a transparent conductive layer here ZnO produced by LPCVD
  • a reflector is applied (highly reflective white color, white foil, metallic reflectors or similar), which is not shown here.
  • a thin film silicon tandem cell as above is provided with an intermediate reflector layer consisting of three different layers. It consists of an n-pc-SiOx, an n-pc-Si and a p-pc-SiOx layer.
  • the oxide layers thereby explicitly include a crystalline phase, it being possible to distinguish between silicon-rich and oxide-rich partial regions. Due to the low refractive index of the n-pc-SiOx layer, it is possible to make these very thin and at the same time to achieve a reflection effect.
  • the n-pc-Si layer contributes significantly to the improvement of the long-term stability of the cell.
  • the latter since the latter has a relatively high transverse conductivity, it is shielded by intrinsic cell materials (i-a-Si and i-pc-Si) by means of one n- and one p-SiOx layer, each with low transverse conductivity. This reduces electrical losses in both components.
  • n-SiO x n-pc-Si p-SiOx
  • Oxygen content [%] 20-75 0-10 0-50
  • the layers are produced in a plasma-assisted deposition from the gas phase in a vacuum (PECVD).
  • the plasma reactor is operated at an excitation frequency of the electrical voltage of 40 MHz.
  • Process pressures are between 1 and 10 mbar.
  • the plate distance in the plasma reactor is about 10 - 30mm. At higher deposition pressures, a distance of 10 - 20mm makes sense.
  • the power density in the described layers is between 0.03 and 0.2 W / cm 2 .
  • the layer can also be produced in other deposition systems and at other excitation frequencies.
  • alternative forms of excitation such as ICP, ECR, microwave or hollow cathode plasma or hot-wire method are possible in particular.
  • the process parameters can vary as a result.
  • the n-pc-Si matching layer is removed as compared with Fig. 3. This increases the reflectivity of the IR.
  • the p-oxide layer is replaced with a p-pc-Si layer as compared with Fig. 3. This can reduce the fill factor of the solar cell.
  • the reflection decreases back into the top cell, as well as the back reflection from the bottom cell direction (unreacted light that traverses the cell for the second time).
  • the absorption in the p-layer increases due to the lower band gap of the p-pc-Si.
  • the n-pc-Si matching layer is removed as compared with Fig. 5.
  • a further n-type SiO x layer with n-pc-Si adaptation layer is interposed between n-pc-Si and p-SiOx layer, wherein the inserted layers we do not have the same characteristics we have the rest. Insertion increases the reflectivity of the IR.
  • the skillful choice of thicknesses and refractive indices of the IR layers can deliberately change the dependence of the reflectivity on the wavelength in order to emphasize reflection in specific wavelength ranges.
  • further layers can be inserted in the IR.
  • the n-SiO x layer is subdivided into two partial layers, these differing in their properties. This allows e.g. produce an IR that has a very low refractive index at the solar facing interface.
  • the n-pc-Si matching layer is followed by a p-pc-Si layer in front of the p-SiOx layer. Since the p-pc-Si layer can be doped higher, the tunnel junction between the two cells is improved. As a result, the filling factor of the cell characteristic curve increases, but the generated current is reduced as the absorption in the doping layers increases. In the structure shown in Fig. 10, in comparison with Fig. 3, the n-pc-Si layer in front of the IR is omitted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Solarzelle (1), mit einer auf einem transparenten Vorderseiten-Substrat (3) angeordneten ersten Solarzellenkomponente (7), insbesondere auf Basis von amorphem Silizium, und einer hierauf angeordneten und somit in Gebrauchslage unter der ersten Solarzellenkomponente liegenden zweiten Solarzellenkomponente (11), insbesondere auf Basis von mikrokristallinem Silizium, sowie einer zwischen der ersten und zweiten Solarzellenkomponente angeordneten Zwischenreflektorschicht (9), welche aus mehreren übereinander liegenden Teilschichten aufgebaut ist.

Description

Beschreibung Titel
Dünnschicht-Solarzelle
Die Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Solarzelle vom Tandem-Typ, mit einer auf einem transparenten Vorderseiten-Substrat angeordneten ersten Solarzellenkomponente auf Basis von amorphem Silizium und einer hierauf angeordneten und somit in Gebrauchslage unter der ersten Solarzellenkomponente liegenden zweiten Solarzellenkomponente auf Basis von mikrokristallinem Silizium sowie einer zwischen der ersten und zweiten Solarzellenkomponente angeordneten Zwi sehen reflektorschicht.
Stand der Technik
Dünnschicht-Solarzellen auf Siliziumbasis sind üblicherweise in einer p-i-n- Struktur aufgebaut, d.h. die Zelle umfasst einen Stapel aus einer oder mehreren p-dotierten Schichten, einer oder mehreren undotierten bzw. intrinsischen Schichten und einer oder mehreren n-dotierten Schichten. Sie zeichnen sich durch niedrige Produktionskosten und hohe Flexibilität sowohl in der Herstellung als auch im Einsatz aus. Allerdings ist die Effizienz der fotovol- taischen Energieumwandlung geringer als bei Solarzellen auf Basis von kristallinem Silizium. Hinsichtlich der Effizienz der Energieumwandlung sind bei den Dünnschicht- Solarzellen bzw. -Modulen auf Siliziumbasis aktuell serienverschaltete Stapel von zwei oder mehreren übereinander angeordneten Solarzellenkomponenten das Maß der Dinge. Deren Herstellung erfolgt üblicherweise in separaten Beschichtungssystemen für jede Solarzellenkomponente bzw. in separaten Beschichtungskammern, die über ein Transportsystem miteinander verbunden sind. Es gibt auch Reaktoren bzw. Verfahrensführungen, bei denen der komplette Schichtstapel einer amorphen oberen (d.h. in Gebrauchslage der Einstrahlung zugewandten) Solarzellenkomponente, auch als Topzelle bezeichnet, samt einer mehrteiligen n-dotierten Schicht, in einem Prozessablauf gebildet wird. Auch hier wird jedoch eine zweite, untere Solarzellenkomponente (auch bezeichnet als Bottomzelle) in einem separaten PECVD- System für mikrokristalline Abscheidungen prozessiert.
Es ist bekannt, zwischen den genannten Solarzellenkomponenten, also zwischen amorpher Top- und mikrokristalliner Bottomzelle, eine Reflektorschicht zur Erhöhung des Wirkungsgrad der Stromerzeugung in der amorphen Topzelle vorzusehen.
Bei Dünnschichten-Siliziumsolarzellen und -Modulen, die zumindest anteilig aus amorphem Silizium (a-Si) bestehen, tritt nämlich während der ersten ca. 1000 Stunden Bestrahlung mit Licht eine lichtinduzierte Degradation auf (Staebler-Wronski-Effekt). Das führt zu einer Absenkung des initialen Wir- kungsgrades auf den sog. stabilisierten Wirkungsgrad, der die für den Verkauf des Solarmoduls relevante Kenngröße darstellt. Die Degradation der amorphen Siliziumsolarzelle hängt stark von der Dicke des a-Si-Absorberma- terials ab. Durch eine Zwischenreflektorschicht kann die Stromdichte der a-Si-Topzelle erhöht werden, und das bei gleichbleibendem Degradationsfak- tor. Alternativ ist es möglich, mit einer wesentlich dünneren und dadurch stabileren a-Si-Absorberschicht die gleiche initiale Stromdichte zu erzielen wie mit der ursprünglichen Dicke ohne Reflektorschicht, jedoch mit einer einem geringeren Degradationsfaktor. In beiden Fällen steigt der stabilisierte Wirkungsgrad.
Neben der Reflektivität des Zwischenreflektors sind die elektrischen Eigenschaften wichtig. Die Zwischenschicht muss senkrecht zur Schicht ausreichend leitfähig sein, um den Stromfluss durch den Zellstapel nicht zu behindern. Parallel zur Schicht sollte der ohmsche Widerstand jedoch möglichst hoch sein, um in der Serienverschaltung eines Dünnschichtmoduls nicht zu einem Kurzschluss zwischen benachbarten Zellen zu führen und um Kurzschlüsse, leitfähige Pfade oder Shunt im Zellstapel zu dämpfen. Letzteres führt ebenfalls zu besseren elektrischen Kenndaten der Solarzelle; vgl. M. Despeisse, G. Bugnon, A. Feltrin, M. Stueckelberger, P. Cuony, F. Meillaud, A. Billet and C. Ballif:„Resistive interlayer for improved Performance of thin film solar cells on highly textured Substrate", Applied Physics Letters, Vol. 96, Nr. 073507, 2010 und für die p-Schicht: P. Cuony, M. Marenberg, D. T. L. Alexander, M. Boccard, G. Bugnon, M. Despeisse, and C. Balif, "Mixed-phase p-type Silicon oxide containing Silicon nanocrytals and its role in thin-film Silicon solar cells", Applied Physics Letters, Vol. 97, Nr. 213502, 2010.
Eine Dünnschicht-Solarzelle 1 vom Tandem-Typ mit Zwischenreflektorschicht (IR) ist in Fig. 1 dargestellt. Mit den hellen Pfeilen ist hier die Sonneneinstrahlung symbolisiert; in der Figur ist daher (wie auch in den anderen Figuren) die erste Solarzellenkomponente die untere und die zweite Solarzellenkomponente darüber angeordnet. Dies entspricht der Abfolge der Schichterzeugungsschritte.
Die Dünnschicht-Solarzelle 1 umfasst ein (Glas-)Substrat 3, hierauf eine Vorderseiten-Kontaktschicht 5, dann eine aus amorphem Silizium (a-Si) gebildete erste Solarzellenkomponente 7, hierauf einen Zwischenreflektor 9, dann eine aus mikrokristallinem Silizium (pc-Si) gebildete zweite Solarzellenkomponente 11 und schließlich eine Rückseiten-Kontaktschicht 13 und einen Rückseitenreflektor 15. Mit den kurzen schraffierten Pfeilen ist die Rückreflexion jeweils eines Teils der einfallenden Strahlung am Zwischenreflektor 9 bzw. am Rückseitenreflektor 15 symbolisiert. Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird eine Dünnschicht-Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schließt den Gedanken ein, eine zwischen zwei Komponenten einer sog. Stapelzelle, etwa einer amorphen Solarzellenkomponente und einer mikrokristallinen Solarzellenkomponente, vorgesehene Zwischenreflektor- schicht mehrteilig, d.h. aus mehreren übereinanderliegenden Teilschichten, aufzubauen. Hierdurch werden, jedenfalls in vorteilhaften Ausführungen dieses Mehrschicht-Konzepts, folgende Wirkungen erreicht: a) Reflexion von Licht in die der Sonne zugewandten Zelle mit einem besonders effektiven Reflektor mit niedrigem Brechungsindex;
b) Reflexion von Licht in die rückseitige Zelle mit einem besonders effektiven Reflektor mit niedrigem Brechungsindex;
c) Verbesserung der initialen elektrischen Eigenschaften der Stapelsolarzelle durch geringe Querleitfähigkeit;
d) Verbesserung des Degradationswertes und damit der stabilisierten elektrischen Kenndaten von Solarzellen und -modulen (insbesondere der Wirkungsgrad) durch Einführen einer Anpassungsschicht;
e) Verbesserung der Absorption in den dotierten Schichten durch eine erhöhte Bandlücke und damit Erhöhung der Stromerzeugung in der Solarzelle;
f) Selektive Reflexion von Licht in dem Wellenlängenbereich, der für die der Sonne zugewandten Zelle in Strom umgewandelt werde kann. Die Reflexion von Licht in dem Wellenlängenbereich, der für die der Sonne abgewandten Zelle relevant ist, ist entsprechend minimiert, um Verluste, bzw. geringere Stromausbeuten zu verhindern. Für eine a-Si/pc-Si-Tandemzelle bedeutet dies z. B. hohe Reflexion nur bis zu einer Wellenlänge von 700nm.
Durch das Zusammenwirken der genannten Faktoren lässt sich insgesamt ein höherer Gesamtwirkungsgrad durch Gewinn in den wesentlichen Solarzell- kennwerten (Strom, Spannung und Füllfaktor) erzielen, bei gleichzeitig geringen Produktionskosten.
Aus derzeitiger Sicht bevorzugt ist eine erfindungsgemäß aufgebaute Tandem-Zelle, speziell mit einer im Wesentlichen aus amorphem Silizium aufge- bauten ersten Solarzellenkomponente und einer im Wesentlichen aus mikrokristallinem Silizium aufgebauten zweiten Solarzellenkomponente. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch auch bei sogenannten Stapelzellen anderen Auf- baus einsetzbar, also beispielsweise zwischen zwei amorphen oder zwischen zwei mikrokristallinen Solarzellenkomponenten.
In einer Ausführung der Erfindung ist mindestens eine der Teilschichten der Zwischenreflektorschicht eine mikrokristalline Siliziumoxidschicht. In einer Ausgestaltung sind als Teilschichten mindestens eine p-dotierte und eine n-dotierte oder umdotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht vorgesehen.
In einer weiteren Ausführung ist mindestens eine der Teilschichten der Zwischenreflektorschicht eine mikrokristalline Siliziumschicht. In einer Ausge- staltung gehören hierzu mindestens eine p-dotierte und eine n-dotierte Siliziumschicht.
In einer ersten zweckmäßigen Kombination der vorgenannten Ausführungen ist zwischen einer p-dotierten und einer n-dotierten Siliziumoxidschicht als Teilschichten der Zwischenreflektorschicht eine n-dotierte oder undotierte mikrokristalline Siliziumschicht angeordnet.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Zwischenreflektorschicht und der ersten Solarzellenkomponente eine Anpas- sungsschicht vorgesehen ist, welche insbesondere aus n-dotiertem mikrokristallinem Silizium besteht.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die erste Solarzellenkomponente als in Gebrauchslage unterste Schicht, benachbart zur Zwischen- reflektorschicht oder der Anpassungsschicht, eine n-dotierte amorphe Siliziumschicht auf.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst die vorgeschlagene Dünnschicht-Solarzelle mehr als zwei Solarzellenkomponenten, wobei insbe- sondere zwischen zwei benachbarten, spezieller jeder ersten und jeweils darunterliegenden zweiten Solarzellenkomponente, eine aus mehreren über- einanderliegenden Teilschichten aufgebaute Zwischenreflektorschicht vorgesehen ist.
In einer weiteren, technologisch vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die jeweiligen Absorberschichten der ersten und/ oder der zweiten Solarzellenkomponente und die Teilschichten der Zwischenreflektorschicht prozess-einheitlich mittels eines zusammenhängenden Abscheidungsverfah- ren, insbesondere durch PECVD, gebildet sind.
In einer speziellen Ausführung des vorgeschlagenen Aufbaus sind in
Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente, in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Silizumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet. In einer weiteren Ausführung sind in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet. In einer noch weiteren Ausführung sind in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente, in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht ange- ordnet.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht sowie eine erste n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht und eine zweite n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind, wobei sich die Dotierungen der ersten und zweiten n-dotierten mikrokristallinen Siliziumoxidschicht voneinander unterscheiden.
In einer noch weiteren Ausführung sind in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den Schichtaufbau einer bekannten
Dünnschicht-Solarzelle vom Tandem-Typ mit Zwischenreflektor,
Fig. 2 schematisch den Schichtaufbau einer weiteren Dünnschicht-Solarzelle vom Tandem-Typ,
Fig. 3 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle,
Fig.4 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle, Fig. 5 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle, Fig. 6 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle,
Fig. 7 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle,
Fig. 8 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle,
Fig. 9 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle,
Fig. 10 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle und Fig. 11 schematisch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarzelle.
Da die Figuren aufgrund der in ihnen enthaltenen Benennung der einzelnen Schichten weitgehend selbsterklärend sind und angesichts dieser Benennun- gen auch auf Bezugsziffern verzichtet werden konnte, beschränken sich die nachfolgenden Erläuterungen im wesentlichen auf Hinweise zu bestimmten Modifikationen bzw. Unterschieden. Im Übrigen wird darauf hingewiesen, dass die Darstellungen rein schematisch und nicht maßstäblich sind und sich in der Praxis zwischen verschiedenen Schichten„fließende" Übergänge hin- sichtlich der Schichtzusammensetzung und -struktur ergeben können, also nicht im jedem Falle exakt definierte Schicht-Interfaces vorliegen.
In Fig. 2 ist ein typischer Zellstapel einer Tandemzelle aus amorpher (a-Si) und mikrokristalliner (pc-Si) Solarzellenkomponente gezeigt. Auf dem in Gebrauchslage der Sonne zugewandten Frontglas („Glas") befindet sich eine transparent leitfähige Schicht, (in diesem Beispiel ZnO, hergestellt mittels LPCVD. Danach folgt eine a-Si-Zelle mit p-dotierter a-SiC-, a-SiC-Buffer, i-a- Si-, n-dotierter a-Si- und n-dotierter pc-Si-Schicht. Danach folgt die mikrokristalline Solarzelle mit p-dotierter pc-Si, i-pc-Si- und n-dotierter Oxidschicht. Letztere kann auch aus n-a-Sie oder n-pc-Si bestehen. Auf der Rückseite folgt eine transparent leitfähige Schicht (hier ZnO hergestellt mittels LPCVD) als Rückkontakt. Dahinter wird ein Reflektor aufgebracht (hochreflek- tive weiße Farbe, weiße Folie, metallische Reflektoren o. ä.), der hier nicht gezeigt ist.
Gemäß Fig. 3 ist eine Dünnschichtsilizium-Tandemzelle, wie vorstehend, mit einer Zwischenreflektorschicht, bestehend aus drei verschiedenen Schichten, versehen. Sie besteht aus einer n-pc-SiOx-, einer n-pc-Si- und einer p-pc- SiOx-Schicht. Die Oxidschichten beinhalten dabei explizit eine kristalline Phase, wobei man zwischen Silizium- und oxidreichen Teilbereichen unterscheiden kann. Durch den niedrigen Brechungsindex der n-pc-SiOx-Schicht ist es möglich, diese sehr dünn zu gestalten und gleichzeitig eine Reflexionswirkung zu erzielen. Die n-pc-Si-Schicht trägt wesentlich zur Verbesserung der Langzeitstabilität der Zelle bei. Da letztere jedoch über eine relativ hohe Querleitfähigkeit verfügt, wird sie durch je eine n- und eine p-SiOx-Schicht, mit niedri- ger Querleitfähigkeit, von den intrinsischen Zellmaterialien (i-a-Si und i-pc- Si) abgeschirmt. Dadurch werden elektrische Verluste in beiden Komponenten verringert.
Die verwendeten Schichten haben in einer zweckmäßigen Ausführung fol - gende Grundeigenschaften: n-SiOx n-pc-Si p-SiOx
Dicke [nm] 10-100 5-50 5-100
Brechungsindex n 1,55-2,2 3,5-4,5 1,9-2,8 (bei Wellenlänge
500nm)
Leitfähigkeit [S/cm] 10"6 - 10"1 10"6 -1 10"6 - 10 _1
Dotierstoffanteil in 0,1-3 0,1-3 0,1-3 der Schicht [%]
Sauerstoffanteil [%] 20-75 0-10 0-50
Siliziumanteil [%] 25-80 >70% >40%
Ramankristallinität 20-90% 50-90% 20-90%
[%]
Gasflussverhältnis 1-30 1-30 1-30 SiH4: Dotiergas
Die Herstellung der Schichten erfolgt in einer plasmagestützten Abscheidung aus der Gasphase im Vakuum (PECVD). Der Plasmareaktor wird mit einer Anregungsfrequenz der elektrischen Spannung von 40MHz betrieben. Prozessdrücke liegen zwischen 1 und 10 mbar. Der Plattenabstand im Plasma- reaktor beträgt etwa 10 - 30mm. Bei höheren Depositionsdrücken ist ein Abstand von auf 10 - 20mm sinnvoll. Die Leistungsdichte beträgt bei den beschriebenen Schichten zwischen 0,03 und 0,2 W/cm2.
Insgesamt lässt sich die Schicht auch in anderen Depositionssystemen und bei anderen Anregungsfrequenzen herstellen. Daneben sind insbesondere auch alternative Anregungsformen wie ICP-, ECR-, Mikrowellen- oder Hohlkathoden-Plasma oder Hot-Wire-Verfahren möglich. Die Prozessparameter können dadurch variieren. Beim in Fig.4 gezeigten Aufbau ist die n-pc-Si-Anpassungsschicht im Vergleich zu Fig. 3 entfernt. Dadurch steigt das Reflexionsvermögen des IR. Beim in Fig. 5 gezeigten Aufbau ist die p-Oxid-Schicht im Vergleich zu Fig. 3 durch eine p-pc-Si-Schicht ersetzt. Dadurch kann der Füllfaktor der Solarzelle sinken. Außerdem verringert sich die Reflexion zurück in die Topzelle, als auch die Rückreflexion aus Richtung der Bottomzelle (nicht umgesetztes Licht, das die Zelle zum zweiten Mal durchquert). Zudem erhöht sich die Absorption in der p-Schicht durch die geringere Bandlücke des p-pc-Si.
Beim in Fig. 6 gezeigten Aufbau ist die n-pc-Si-Anpassungsschicht im Vergleich zu Fig. 5 entfernt. Beim in Fig. 7 gezeigten Aufbau ist im Vergleich zu Fig. 3 zwischen n-pc-Si- und p-SiOx-Schicht eine weitere n-SiOx-Schicht mit n-pc-Si-Anpassungs- schicht eingefügt, wobei die eingefügten Schichten nicht die gleichen Eigenschaften haben müssen wir die übrigen. Durch das Einfügen steigt das Reflexionsvermögen des IR. Zudem lässt sich durch geschickte Wahl von Dicken und Brechungsindizes der IR-Schichten die Abhängigkeit der Reflekti- viät von der Wellenlänge bewusst verändern, um die Reflexion in bestimmten Wellenlängenbereich zu betonen. Zu diesem Zweck lassen sich auch weitere Schichten in den IR einfügen. Beim in Fig.8 gezeigten Aufbau ist im Vergleich zu Fig. 3 die n-SiOx-Schicht in zwei Teilschichten unterteilt, wobei sich diese in ihren Eigenschaften unterscheiden. Dadurch lässt sich z.B. ein IR herstellen, der an der sonnenzugewandten Grenzfläche einen sehr niedrigen Brechungsindex besitzt.
Darauf folgt dann beispielsweise eine zweite Schicht mit höherem Brechungs- index und höherer Leitfähigkeit.
Beim in Fig. 9 gezeigten Aufbau folgt im Vergleich zu Fig. 3 auf die n-pc-Si- Anpassungsschicht eine p-pc-Si-Schicht vor der p-SiOx-Schicht. Da sich die p-pc-Si-Schicht höher dotieren lässt, wird der Tunnelübergang zwischen den beiden Zellen verbessert. Dadurch steigt der Füllfaktor der Zellkennlinie, daneben reduziert sich jedoch der erzeugte Strom, da die Absorption in den Dotierschichten steigt. Beim in Fig. 10 gezeigten Aufbau wird im Vergleich zu Fig. 3 auf die n-pc-Si- Schicht vor dem IR verzichtet.
Beim in Fig. 11 gezeigten Aufbau wird im Vergleich zu Fig. 3 auf die n-a-Si- und die n-pc-Si-Schicht vor dem IR verzichtet.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung.

Claims

Ansprüche
1. Dünnschicht-Solarzelle (1), mit einer auf einem transparenten Vorderseiten-Substrat (3) angeordneten ersten Solarzellenkomponente (7), insbesondere auf Basis von amorphem Silizium, und einer hierauf angeordneten und somit in Gebrauchslage unter der ersten Solarzellenkomponente liegenden zweiten Solarzellenkomponente (11), insbesondere auf Basis von mikrokristallinem Silizium, sowie einer zwischen der ersten und zweiten Solarzellenkomponente angeordneten Zwischen- reflektorschicht (9), welche aus mehreren übereinander liegenden Teilschichten aufgebaut ist.
2. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Teilschichten der Zwischenreflektorschicht (9) eine mikrokristalline Siliziumoxidschicht ist.
3. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 2, wobei die Teilschichten mindestens eine p-dotierte und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht umfassen.
4. Dünnschicht-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei mindestens eine der Teilschichten der Zwischenreflektorschicht (9) eine mikrokristalline Siliziumschicht ist.
5. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 4, wobei die Teilschichten eine p-dotierte und eine n-dotierte Siliziumschicht umfassen.
6. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 3 und 4, wobei zwischen einer p-dotierten und einer n-dotierten Siliziumoxidschicht als Teilschichten der Zwischenreflektorschicht (9) eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht angeordnet ist.
Dünnschicht-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Zwischenreflektorschicht (9) und der ersten Solarzellenkomponente (7) eine Anpassungsschicht vorgesehen ist, welche insbesondere aus n-dotiertem mikrokristallinem Silizium besteht.
8. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 2 und 5, wobei in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente (11), in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Silizumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind.
9. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 2 und 4, wobei in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente (11), in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind.
10. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 2 und 4, wobei in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente (11), in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Sili- ziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind.
11. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 2, wobei in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente (11), in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht sowie eine erste n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht und eine zweite n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind, wobei sich die Dotierungen der ersten und zweiten n-dotierten mikrokristallinen Siliziumoxidschicht voneinan- der unterscheiden.
12. Dünnschicht-Solarzelle nach Anspruch 3 und 5, wobei in Gebrauchslage über der zweiten Solarzellenkomponente (11), in dieser Reihenfolge, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht, eine p-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht, eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumschicht und eine n-dotierte mikrokristalline Siliziumoxidschicht angeordnet sind.
Dünnschicht-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Solarzellenkomponente (7) als in Gebrauchslage unterste Schicht, benachbart zur Zwischenreflektorschicht (9) oder der Anpassungsschicht, eine n-dotierte amorphe Siliziumschicht aufweist.
Dünnschicht-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Absorberschichten der ersten und/oder der zweiten Solarzellenkomponente (7; 11) und die Teilschichten der Zwischenreflektorschicht (9) prozess-einheitlich mittels eines zusammenhängenden Abscheidungsverfahren, insbesondere durch PECVD, gebildet sind.
Dünnschicht-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wel che mehr als eine erste und/oder zweite Solarzellenkomponente aufweist, wobei mindestens zwischen einigen benachbarten Solarzellen- Komponenten, insbesondere zwischen jeder ersten und jeweils darunterliegenden zweiten Solarzellenkomponente, eine aus mehreren übereinanderliegenden Teilschichten aufgebaute Zwischenreflektorschicht vorgesehen ist.
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