DE102007008217A1 - Kaskaden-Solarzelle mit auf amorphem Silizium basierender Solarzelle - Google Patents
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Abstract
Kaskaden-Solarzelle mit auf amorphem Silizium basierender Solarzelle, die eine auf amorphem Silizium basierende Solarzelle auf einer nicht auf Silizium basierenden Solarzelle aufweist, wobei die auf amorphem Silizium basierende Solarzelle als Antireflexionsfläche und zum Absorbieren von einfallendem Licht mit kurzer Wellenlänge gestaltet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Kaskaden-Solarzelle und insbesondere eine Kaskaden-Solarzelle mit einer oberen Solarzelle, die auf amorphem Silizium basiert.
- Die Stromabgabe einer photovoltaischen Vorrichtung wird durch Erhöhen der Gesamtzahl der Photonen verschiedener Energie und Wellenlänge maximiert, welche von dem Halbleitermaterial absorbiert werden. Das Spektrum des Sonnenlichts erstreckt sich ungefähr über den Bereich von etwa 300 nm Wellenlänge bis etwa 2200 nm Wellenlänge, was etwa 4,2 eV bis etwa 0,59 eV entspricht. Der Bereich des Sonnenlichtspektrums, welches von der photovoltaischen Vorrichtung absorbiert wird, wird von dem Wert der Energie der optischen Bandlücke des Halbleitermaterials festgelegt. Die Sonnenstrahlung (Sonnenlicht), die eine Energie aufweist, die niedriger als die Energie der optischen Bandlücke ist, wird von dem Halbleitermaterial nicht absorbiert und trägt daher nicht zur Erzeugung von Elektrizität, Strom, Spannung und Energie der photovoltaischen Vorrichtung bei.
- Über die Jahre wurden zahlreiche Solarzellen entwickelt, welche unterschiedlich erfolgreich waren. Solarzellen mit einer einzigen Sperrschicht sind nützlich, können aber oft nicht die Energie und den Umwandlungswirkungsgrad der Solarzellen mit mehreren Übergängen erreichen. Leider wurden Solarzellen mit mehreren Übergängen und Solarzellen mit einer einzigen Sperrschicht aus verschiedenen Materialien konstruiert, welche nur einen Teil des Sonnenlichtspektrums aufnehmen und in Elektrizität umwandeln können. Solarzellen mit mehreren Übergängen wurden aus amorphem Silizium und seinen Verbindungen, wie z. B. hydrogeniertem amorphen Siliziumkohlenstoff und hydrogeniertem amorphen Silizium-Germanium mit intrinsischen i-Schichten mit breiter und schmaler optischer Bandlücke, hergestellt. Solarzellen aus amorphem Silizium weisen eine relativ hohe offene Klemmenspannung und einen niedrigen Strom auf und nehmen Wellenlängen des Sonnenlichts von 400 bis 900 nm des Sonnenlichtspektrums auf und wandeln sie in elektrische Energie um.
- Jedoch wird die auf amorphem hydrogenierten Silizium (a-Si:H) basierende Solarzellentechnologie gegenwärtig nur für großflächige, kostengünstige photovoltaische Anwendungen favorisiert. Bei der Entwicklung von hoch effizienten Solarzellen besteht dagegen immer noch eines der Themen und eine der zu lösenden Aufgaben darin, wie das amorphe Silizium in einer photovoltaischen Vorrichtung einzusetzen ist.
- Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Kaskaden-Solarzelle zu schaffen, die eine amorphe Siliziumsolarzelle auf einer nicht auf Silizium basierenden Solarzelle aufweist. Die Schicht/Schichten aus amorphem Silizium kann/können einfallendes Licht mit der Wellenlänge von 200 bis 600 nm absorbieren.
- Eines der Ziele der Erfindung besteht darin, eine Kaskaden-Solarzelle zu schaffen, die eine Schichtstruktur aus einer auf amorphem Silizium basierenden Solarzelle auf der Einfallsfläche einer nicht auf Silizium basierenden Solarzelle aufweist. Die geschichtete amorphe Silizium-Solarzelle kann infolge ihrer geringen Abhängigkeit von der Änderung des Einfallswinkels als Antireflexionsschicht aufgebaut sein.
- Folglich ist eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Kaskaden-Solarzellenstruktur geschaffen, die eine untere Solarzelle aufweist, die nicht auf Silizium basiert, und eine obere geschichtete auf amorphem Silizium basierende Solarzelle auf der nicht auf Silizium basierenden unteren Solarzelle aufweist.
-
1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die eine Kaskaden-Solarzellenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. -
2 ist ein schematisches Absorptionsschaubild, das das Absorptionsspektrum von amorphem Silizium gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. - Es ist vorteilhaft, verschiedene Begriffe zu definieren, bevor die Erfindung beschrieben wird. Die folgenden Definitionen werden für die ganze Anmeldung verwendet.
- Mit Bezug auf
1 weist eine Kaskaden-Solarzellenstruktur eine geschichtete obere Solarzelle auf einer unteren Solarzelle auf. In einer Ausführungsform kann die untere Solarzelle aus verschiedenen Arten sein. Zum Beispiel weist ein Einzel-p-n-Übergangstyp eine Schicht101 aus aktivem Material, das eine einzige optische Bandlücke aufweist, auf dem Substrat102 der unteren Solarzelle auf. Alternativ weist ein p-n- oder p-i-n-Übergangstyp einige Schichten aus aktivem Material101 , die viele optische Bandlücken aufweisen, auf dem Substrat102 der unteren Solarzelle auf. Es ist zu verstehen, dass es andere Schichten zwischen der Schicht/den Schichten des aktiven Materials101 und dem Substrat102 der unteren Solarzelle, wie z. B., aber nicht beschränkt darauf, Pufferschichten gibt. - Das Substrat
102 der unteren Solarzelle kann in einer Ausführungsform ein GaAs-Substrat sein. Es ist zu verstehen, dass der Begriff "GaAs" eine Halbleiterverbindung bezeichnet, welche als Substrat verwendet werden kann. Dem Namen nach besteht das prototypische binäre III-V-Halbleitermaterial aus gleichen Anteilen der zwei Elemente Gallium und Arsen, die verwendet werden, um das Halbmaterial zu bilden. Es ist zu würdigen, dass einige Abweichungen gestattet sein können, um Anforderungen der Bauelemente zu erfüllen, oder ungewollte Verunreinigungen, wie z. B. Aluminium, gestattet sein können, welche weiterhin bei der Anwendung etablierter GaAs-Herstellungsvorgänge auftreten. Um vorwegnehmend Verunreinigungen oder andere relativ unwesentliche Modifikationen zuzulassen, ist vorgeschrieben, dass sowohl Gallium als auch Arsen vorhanden sind und zusammen einen Betrag von mindestens 95% der gesamten Verbindung des Substrats ausmachen. Ferner ist zu würdigen, dass der Begriff "Substrat" irgendein Material unterhalb der aktiven Schicht, zum Beispiel Spiegelschichten, Wellenleitschichten, Ummantelungsschichten oder irgendeine andere Schicht, welche mehr als doppelt so dick wie die aktive Schicht ist, bezeichnen kann. - Als Nächstes wird in einem Ausführungsbeispiel die Schicht
101 aus aktivem Material als lichtabsorbierendes Material verwendet. Für technische Konfigurationen kann die Schicht101 aus aktivem Material als massives Material oder als Dünnfilme auf dem Substrat102 der unteren Solarzelle ausgebildet sein. Die Schicht101 aus aktivem Material kann aus einem oder mehreren Elementen oder Verbindungen, etc. hergestellt sein. Zum Beispiel kann die Schicht101 aus aktivem Material aus Verbindungsmaterial hergestellt sein. Das Verbindungsmaterial kann binäres III-V- oder II-VI-Halbleitermaterial, wie z. B. AlAs, AlGaAs, GaAs, InP, InGaAs, Cu2S/(Zn,Cd)S, CuInSe2/(Zn,Cd)S und CdTe/n-CdS, etc. sein. Optional kann die Schicht101 aus aktivem Material auf einem einzelnen Material, wie z. B. Germanium (Ge), basieren. - Alternativ kann die Schicht
101 aus aktivem Material aus CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid) in mehrfach geschichteten Dünnschichtverbindungen hergestellt sein. Der Begriff "CIGS" betrifft eine Dünnschichtverbindung, welche Chalkopyrit-Halbleiter, wie z. B. Dünnschichten aus Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2), Kupfer-Gallium-Diselenid (CuGaSe2) und Cu(InxGa1-x)Se2 aufweist. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Schicht101 aus aktivem Material aus lichtabsorbierenden Farbstoffen, wie z. B. aus einem auf organischen Metallverbindungen mit Ruthenium basierenden lichtsensiblen Farbstoff in einer mesoporösen Schicht aus Titandioxid-Nanoteilchen, etc., hergestellt sein. Alternativ kann die Schicht101 aus aktivem Material aus organischem/Polymer-Material, zum Beispiel aus organischen Halbleitern, wie z. B. Polymeren und Verbindungen aus kleinen Molekülen wie Polyphenylenvinylen, Kupferphtalocyanin und Karbonfullerenen, hergestellt sein. Folglich kann die untere Solarzelle irgendeine geeignete nicht auf Silizium basierende Solarzelle in den Ausführungsformen der Erfindung, wie z. B. eine auf Germanium basierende Solarzelle, eine binäre III-V-Halbleitersolarzelle, eine binäre II-VI-Halbleitersolarzelle, eine Farbstoffsolarzelle (DSC), eine organische Solarzelle oder eine CIGS-Solarzelle, sein. - Für die geschichtete obere Solarzelle gemäß dem Geist der Erfindung sind eine oder mehrere Schichten
106 aus amorphem Silizium, die dotiert oder nicht dotiert oder aus einer Kombination davon bestehen, auf der oberen Solarzelle. Eine elektrisch leitfähige Zwischenstruktur105 kann zwischen die Schicht/Schichten106 aus amorphem Silizium eingebracht sein. In dem Ausführungsbeispiel kann/können die Schicht/Schichten106 aus amorphem Silizium aus einem Einzel-p-n-Übergangstyp oder einem p-i-n-Übergangstyp bestehen. Somit kann/können die Schicht/Schichten106 aus amorphem Silizium einen n-dotierten Bereich, einen p-dotierten Bereich und dazwischen einen undotierten Bereich aufweisen. Es ist zu verstehen, dass der Begriff "amorphes Silizium" amorphes Silizium und auf amorphem Silizium basierendes Material umfasst, z. B. kann das amorphe Silizium106 , aber nicht beschränkt darauf, a-Si:H, a-SiC:H, a-SiGe:H oder a-SiGeC:H sein. - Zwischen der Schicht/den Schichten
106 aus amorphem Silizium und der Schicht/den Schichten101 aus aktivem Material kann eine elektrisch leitfähige Zwischenstruktur105 angeordnet sein. In einem Ausführungsbeispiel kann die elektrisch leitfähige Zwischenstruktur105 ein Halbleitertunnelübergang wie z. B. ein GaAs-Tunnelübergang sein. Alternativ kann die elektrisch leitfähige Zwischenstruktur105 , wie z. B. ein lichtdurchlässiges elektrisch leitfähiges Oxid, ITO oder Zinkoxid etc. aufweisen. Alternativ kann die leitfähige Zwischenstruktur105 ein Film oder ein sehr dünnes Metallmaterial, wie z. B. Gold, sein. Ferner sind die zwei Außenseiten der oberen geschichteten Solarzelle und der unteren Solarzelle elektrisch leitfähige Schichten103 und104 für den Kontakt, wie z. B. elektrisch leitfähige lichtdurchlässige Schichten (ITO, ZnO) oder Metallschichten. - Folglich wird zuerst das Sonnenlicht
100 mit einer kurzen Wellenlänge, wie z. B. einem UV-Wellenlängenbereich von 200 bis 600 nm, wenn es auf die Kaskaden-Solarzellenstruktur fällt, von der geschichteten oberen Solarzelle absorbiert. Und dann wird das Sonnenlicht100 mit sichtbaren Wellenlängen von der nicht auf Silizium basierenden Solarzelle absorbiert. Zusätzlich zu der Absorption des Sonnenlichts mit kurzer Wellenlänge kann die obere geschichtete Solarzelle, die auf amorphem Silizium basiert, als Antireflexionsschicht für die untere Solarzelle konfiguriert sein. - In einem Ausführungsbeispiel kann ein Verfahren der Plasma-verbesserten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD = plasma enhanced chemical vapor deposition) für die Bildung von amorphem Silizium
106 mit oder ohne Dotierung verwendet werden. Es ist vorteilhaft, dass die Schicht106 aus amorphem Silizium einfallendes Licht mit kurzer Wellenlänge, bevorzugt etwa 350 nm bis 450 nm absorbieren kann, wie in2 gezeigt ist. Ferner ist die Lichtabsorption von amorphem Silizium106 kaum von dem Faktor des Einfallswinkels abhängig und sie dient daher als Antireflexionsschicht. Somit kann die Schicht106 aus amorphem Silizium vor die untere Solarzelle gesetzt werden, um einfallendes Licht mit kurzen Wellenlängen zu absorbieren, das von der unteren Solarzelle kaum absorbiert wird. In dem Ausführungsbeispiel ist/sind die Bandlücke(n) der Schicht/Schichten106 aus amorphem Silizium auf der unteren Solarzelle bevorzugt im Bereich von 2,7 eV bis 4 eV. - Obwohl die Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugte Ausführungsform erläutert wurde, ist zu verstehen, dass andere Modifikationen und Änderungen ohne Abweichen von dem Geist und dem Bereich der Erfindung, wie sie nachstehend beansprucht wird, vorgenommen werden können.
Claims (25)
- Kaskaden-Solarzellenstruktur, aufweisend eine untere Solarzelle (
101 ,102 ) und eine obere Solarzelle (106 ) auf der unteren Solarzelle, wobei die obere Solarzelle eine auf amorphem Silizium basierende Solarzelle ist und Sonnenlicht (100 ) auf die auf amorphem Silizium basierende Solarzelle fällt. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine elektrisch leitfähige Zwischenstruktur (
105 ), die zwischen der unteren Solarzelle (101 ,102 ) und der oberen Solarzelle (106 ) angeordnet ist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 2, wobei die elektrisch leitfähige Zwischenstruktur (
105 ) aus lichtdurchlässigem elektrisch leitfähigem Oxid hergestellt ist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 2, wobei die elektrisch leitfähige Zwischenstruktur (
105 ) eine Struktur eines Tunnelübergangs ist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 2, wobei die elektrisch leitfähige Zwischenstruktur (
105 ) ein Film aus Metallmaterial ist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die auf amorphem Silizium basierende Solarzelle (
106 ) einen p-n-Übergang aufweist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die auf amorphem Silizium basierende Solarzelle (
106 ) einen p-i-n-Übergang aufweist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die auf amorphem Silizium basierende Solarzelle (
106 ) n-dotierte und p-dotierte amorphe Siliziumschichten (106 ) aufweist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die auf amorphem Silizium basierende Solarzelle (
106 ) eine undotierte amorphe Siliziumschicht (106 ) aufweist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die auf amorphem Silizium basierende Solarzelle (
106 ) aus a-Si:H-, a-SiC:H-, a-SiGe:H- oder a-SiGeC:H-Material hergestellt ist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die untere Solarzelle (
101 ,102 ) lichtabsorbierendes Material (101 ) aus einem auf Germanium basierenden Material aufweist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die untere Solarzelle lichtabsorbierendes Material aus einem binären III-V-Halbleitermaterial aufweist.
- Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die untere Solarzelle lichtabsorbierendes Material aus einem binären II-VI Halbleitermaterial aufweist.
- Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die untere Solarzelle lichtabsorbierendes Material aus einer organischen Verbindung aufweist.
- Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die untere Solarzelle lichtabsorbierendes Material aus einem Farbstoff aus einer organometallischen Rutheniumverbindung aufweist.
- Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, wobei die untere Solarzelle lichtabsorbierendes Material aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid aufweist.
- Kaskaden-Solarzellenstruktur, aufweisend eine nicht auf Silizium basierende Solarzelle und eine auf amorphem Silizium basierende Solarzelle auf der nicht auf Silizium basierenden Solarzelle, wobei die auf amorphem Silizium basierende Solarzelle Sonnenlicht mit einer Wellenlänge von 200 bis 600 nm absorbiert.
- Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 17, ferner aufweisend ein lichtdurchlässiges elektrisch leitfähiges Oxid (
105 ), das zwischen der nicht auf Silizium basierenden Solarzelle und der auf amorphem Silizium basierenden Solarzelle angeordnet ist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 17, ferner aufweisend eine Struktur (
105 ) eines Tunnelübergangs, die zwischen der nicht auf Silizium basierenden Solarzelle und der auf amorphem Silizium basierenden Solarzelle angeordnet ist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 17, ferner aufweisend eine Schicht (
105 ) aus Metallmaterial, die zwischen der nicht auf Silizium basierenden Solarzelle (101 ,102 ) und der auf amorphem Silizium basierenden Solarzelle (106 ) angeordnet ist. - Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 17, wobei die nicht auf Silizium basierende Solarzelle eine auf Germanium basierende Solarzelle aufweist.
- Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 17, wobei die nicht auf Silizium basierende Solarzelle eine binäre III-V- oder II-VI-Halbleitersolarzelle aufweist.
- Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 17, wobei die nicht auf Silizium basierende Solarzelle eine organische Solarzelle aufweist.
- Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 17, wobei die nicht auf Silizium basierende Solarzelle eine Farbstoff-Solarzelle aufweist.
- Kaskaden-Solarzellenstruktur nach Anspruch 17, wobei die nicht auf Silizium basierende Solarzelle eine Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Solarzelle aufweist.
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