DE102011115028A1 - Photovoltaic multiple solar cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Mehrfach-Solarzelle, umfassend zumindest eine obere und eine untere Teilzelle, wobei ausgehend von einer für den Lichteinfall ausgebildeten Vorderseite der Mehrfach-Solarzelle zunächst die obere Teilzelle angeordnet ist, welche als pin-Struktur ausgebildet ist, mit einer p-dotierten p-Schicht, einer n-dotierten n-Schicht und einer zwischen p- und n-Schicht angeordneten intrinsischen i-Schicht, wobei p-, i- und n-Schicht jeweils als amorphe Siliziumschichten, gegebenenfalls mit weiteren Stoffen, ausgebildet sind und wobei weiterhin unterhalb der oberen Teilzelle, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer oder mehrere Zwischenschichten, die untere Teilzelle angeordnet ist, welche in einem der oberen Teilzelle zugewandten Bereich einen p-dotieren Emitterbereich und in einem der oberen Teilzelle abgewandten Bereich einen n-dotierten Basisbereich aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Basisbereich der unteren Teilzelle in einer kristallinen Siliziumschicht ausgebildet ist.The invention relates to a photovoltaic multiple solar cell, comprising at least one upper and one lower subcell, wherein, starting from a front side of the multiple solar cell designed for incidence of light, first the upper subcell is arranged, which is formed as a pin structure, with a p-type solar cell. doped p-type layer, an n-doped n-type layer and an intrinsic i-layer arranged between p- and n-layer, wherein p-, i- and n-layer are each formed as amorphous silicon layers, optionally with further substances, and wherein further below the upper part of the cell, optionally with the interposition of one or more intermediate layers, the lower part cell is arranged, which has a p-type emitter region in an area facing the upper part cell and an n-doped base region in a region facing away from the upper part cell. The invention is characterized in that at least the base region of the lower part cell is formed in a crystalline silicon layer.
Description
Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Mehrfach-Solarzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Photovoltaische Mehrfach-Solarzellen zeichnen sich dadurch aus, dass übereinander liegend mehrere pn-Übergänge angeordnet sind, so dass gegenüber Solarzellen mit lediglich einem pn-Übergang typischerweise das Spektrum einfallender elektromagnetischer Strahlung besser ausgenutzt und somit ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann. Photovoltaische Mehrfach-Solarzellen sind aus Halbleitermaterialien aufgebaut und werden bei Anordnung von zwei pn-Übergängen als Tandem-Solarzellen und von drei pn-Übergängen als Tripel-Solarzellen bezeichnet.The invention relates to a photovoltaic multiple solar cell according to the preamble of
Insbesondere in der Dünnschicht-Technologie ist die Ausbildung von Halbleiter-Schichtsystemen, bei denen mehrere pn-Übergänge übereinander angeordnet sind, bekannt. Hierbei werden die einzelnen Schichten der Dünnschicht-Solarzelle typischerweise mittels chemischer Dampfabscheidung (Chemical Vapour Deposition: CVD) abgeschieden. Insbesondere findet das plasmaunterstützte PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) Anwendung.Particularly in thin-film technology, the formation of semiconductor layer systems in which a plurality of pn junctions are stacked is known. In this case, the individual layers of the thin-film solar cell are typically deposited by means of chemical vapor deposition (CVD). In particular, the plasma-enhanced PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) method is used.
Die Schichten können hierbei in unterschiedlichen Kristallisationsgraden, beispielsweise als amorphe oder mikrokristalline Schichten, abgeschieden werden. Hierbei ergibt sich jedoch typischerweise der Nachteil, dass Defekte mit Energieniveaus in der Bandlücke des pn-Übergangs die Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern stark beeinträchtigen, insbesondere verglichen mit auf Wafertechnologie basierenden Solarzellen. Aus diesem Grund wird bei Dünnschicht-Solarzellen der pn-Übergang typischerweise als pin-Übergang ausgebildet: auf eine p-dotierte Schicht (p-Schicht) folgt eine undotierte (intrinsische) Schicht (i-Schicht) auf die wiederum eine n-dotierte Schicht (n-Schicht) folgt. Damit wird eine funktionale Trennung zwischen Dotierschichten und der primär zur Absorption der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ausgebildeten i-Schicht erzielt, so dass eine Optimierung der einzelnen Schichten für den jeweiligen Zweck möglich ist. Bei einer pin-Struktur erstreckt sich der pn-Übergang somit über die intrinsische Schicht und entsprechend erfolgt eine Ladungsträgertrennung der in der intrinsischen Schicht mittels Absorption elektromagnetischer Strahlung erzeugten Ladungsträgerpaare durch das durch die p- und n-Schicht aufgebaute elektrische Feld.The layers can be deposited in different degrees of crystallization, for example as amorphous or microcrystalline layers. However, this typically has the disadvantage that defects with energy levels in the bandgap of the pn junction greatly affect the diffusion length of minority carriers, especially when compared to solar cell-based solar cells. For this reason, in the case of thin-film solar cells, the pn junction is typically formed as a pin junction: a p-doped layer (p-layer) is followed by an undoped (intrinsic) layer (i-layer), which in turn has an n-doped layer (n-layer) follows. This achieves a functional separation between doping layers and the i-layer formed primarily for absorbing the incident electromagnetic radiation, so that an optimization of the individual layers for the respective purpose is possible. In the case of a pin structure, the pn junction thus extends over the intrinsic layer, and correspondingly a charge carrier separation of the charge carrier pairs generated in the intrinsic layer by absorption of electromagnetic radiation takes place through the electric field established by the p and n layers.
Die Bezeichnung „mikrokristallin” bezeichnet Materialschichten, deren Kristallgrößen im Wesentlichen im Bereich von 1 nm bis 100 nm in einer amorphen Matrix vorliegen. Bei einer rein „amorphen” Schicht liegen hingegen keine Kristallite vor.The term "microcrystalline" refers to material layers whose crystal sizes are substantially in the range of 1 nm to 100 nm in an amorphous matrix. By contrast, in the case of a purely "amorphous" layer, there are no crystallites.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer Dünnschicht-Solarzelle ist die Stapelung mehrerer pin-Strukturen bekannt. So beschreibt beispielsweise
Eine Dünnschicht-Mehrfachsolarzelle in Ausbildung als Triple-Solarzelle ist beispielsweise in
Grundsätzlich besteht bei den aus Mehrschichtsystemen ausgebildeten photovoltaischen Mehrfach-Solarzellen die Herausforderung, Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Gitterkonstanten übereinander anzuordnen und möglichst Fehlstellen, die zu Wirkungsgrad vermindernden Effekten, insbesondere Rekombinationsverlusten führen, zu vermeiden.Basically, in the case of multi-layer photovoltaic photovoltaic cells, there is the challenge of stacking semiconductor layers with different lattice constants one over the other and, if possible, avoiding defects which lead to efficiency-reducing effects, in particular recombination losses.
Aus diesem Grund ist aus dem Stand der Technik eine Vielzahl unterschiedlicher Schichtstrukturen bekannt.For this reason, a large number of different layer structures are known from the prior art.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine photovoltaische Mehrfach-Solarzelle zu schaffen, welche einen alternativen, vorzugsweise kostengünstiger herstellbaren Aufbau insbesondere durch Verwendung kostengünstiger Materialien aufweist.Proceeding from this, the present invention has the object to provide a photovoltaic multiple solar cell, which has an alternative, preferably inexpensive producible structure in particular by using inexpensive materials.
Gelöst ist diese Aufgabe durch eine photovoltaische Mehrfach-Solarzelle gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Mehrfach-Solarzelle finden sich den in Ansprüchen 2 bis 15.This object is achieved by a photovoltaic multiple solar cell according to
Die erfindungsgemäße Mehrfach-Solarzelle ist eine photovoltaische Solarzelle, d. h. sie dient zur Umwandlung einfallender elektromagnetischer Strahlung in elektrische Energie und stellt eine Halbleiterstruktur dar.The multiple solar cell according to the invention is a photovoltaic solar cell, d. H. it is used to convert incident electromagnetic radiation into electrical energy and constitutes a semiconductor structure.
Die erfindungsgemäße Mehrfach-Solarzelle umfasst zumindest eine obere und eine untere Teilzelle, wobei ausgehend von einer für den Lichteinfall ausgebildeten Vorderseite der Mehrfach-Solarzelle zunächst die obere Teilzelle angeordnet ist, welche als pin-Struktur ausgebildet ist. Die pin-Struktur umfasst eine p-dotierte p-Schicht, eine n-dotierte n-Schicht und eine zwischen p- und n-Schicht angeordnete intrinsische i-Schicht, welche i-Schicht umfassend amorphes Silizium ausgebildet ist. The multiple solar cell according to the invention comprises at least one upper and one lower subcell, wherein, starting from a front side of the multiple solar cell designed for incidence of light, the upper subcell is initially arranged, which is designed as a pin structure. The pin structure comprises a p-doped p-layer, an n-doped n-layer and an intrinsic i-layer arranged between p and n-layer, which i-layer is formed comprising amorphous silicon.
Die obere Teilzelle ist somit in der Grundstruktur gemäß einer an sich bekannten pin-Teilzelle ausgebildet, welche insbesondere die zwischengelagerte i-Schicht als Absorber für die elektromagnetische Strahlung aufweist.The upper part cell is thus formed in the basic structure according to a pin subcell known per se, which in particular has the interposed i-layer as an absorber for the electromagnetic radiation.
Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Mehrfach-Solarzelle unterhalb der oberen Teilzelle, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer oder mehrerer Zwischenschichten, die untere Teilzelle angeordnet. Die untere Teilzelle weist in einem der oberen Teilzelle zugewandten Bereich einen p-dotierten Emitterbereich und in einem der oberen Teilzelle abgewandten Bereich einen n-dotierten Basisbereich auf.Furthermore, in the case of the multiple solar cell according to the invention below the upper part cell, optionally with the interposition of one or more intermediate layers, the lower part cell is arranged. The lower part cell has a p-doped emitter region in an area facing the upper part cell and an n-doped base region in a region facing away from the upper part cell.
Im Grundaufbau ist die erfindungsgemäße Mehrfach-Solarzelle somit zumindest als Tandem-Solarzelle mit zwei pn-Übergängen ausgebildet, wobei ausgehend von der für den Lichteinfall ausgebildeten Vorderseite die Dotierungsabfolge pn-pn erfolgt, jeweils gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer oder mehrerer Zwischenschichten. Hierbei und im Folgenden wird mit der Bezeichnung pn-Übergang auch ein pin-Übergang umfasst, sofern nicht explizit anders angegeben.In the basic structure, the multiple solar cell according to the invention is thus formed at least as a tandem solar cell with two pn junctions, starting from the front side formed for the incidence of light, the doping sequence pn-pn takes place, each optionally with the interposition of one or more intermediate layers. Here and below, the term pn junction also includes a pin junction, unless explicitly stated otherwise.
Wesentlich ist, dass zumindest der Basisbereich der unteren Teilzelle in einer kristallinen Siliziumschicht ausgebildet ist.It is essential that at least the base region of the lower part cell is formed in a crystalline silicon layer.
Die erfindungsgemäße Mehrfach-Solarzelle unterscheidet sich von vorbekannten Mehrfach-Solarzellen somit dadurch, dass eine Kombination einer unteren Teilzelle, bei welcher zumindest der Basisbereich in einer kristallinen Siliziumschicht ausgebildet ist, mit einer oberen, als pin-Struktur ausgebildeten Teilzelle erfolgt.The multiple solar cell according to the invention thus differs from previously known multiple solar cells in that a combination of a lower part cell, in which at least the base region is formed in a crystalline silicon layer, with an upper, designed as a pin structure subcell.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass die Anordnung einer pin-Struktur, welche im wesentlichen aus amorphen Siliziumschichten ausgebildet ist, hinsichtlich der Bandlückenanpassung vorteilhaft auf einer unteren Solarzelle, deren Basisbereich als kristalline Siliziumschicht ausgebildet ist, erfolgen kann. Es ist somit die Ausbildung einer derartigen Mehrfach-Solarzelle erstmals mit verbesserter Gitteranpassung möglich und die erfindungsgemäße Solarzellenstruktur eröffnet insbesondere die Möglichkeit, kristalline Siliziummaterialien mit schlechterer Materialqualität und dadurch geringerer Lebensdauer der Minoriätsladungsträger zu verwenden und dennoch aufgrund der Ausbildung als Mehrfach-Solarzelle einen erhöhten Wirkungsgrad zu erzielen.The invention is based on the Applicant's finding that the arrangement of a pin structure, which is essentially formed of amorphous silicon layers, can advantageously take place with respect to the band gap adaptation on a lower solar cell whose base region is formed as a crystalline silicon layer. Thus, the formation of such a multiple solar cell is possible for the first time with improved lattice matching, and the solar cell structure according to the invention in particular opens up the possibility of using crystalline silicon materials with poorer material quality and thus shorter service life of the miniature charge carrier and yet due to the design as a multiple solar cell an increased efficiency achieve.
Typischerweise werden kristalline Siliziumsschichten für die Ausbildung von Solarzellen mit lediglich einem pn-Übergang verwendet. Insbesondere ist die Verwendung von monokristallinem Silizium, Czochralsky-Silizium oder multikristallinem Silizium bekannt. Bei demgegenüber kostengünstigeren Materialien, wie beispielsweise UMG-Silizium (upgrated metallurgical-grade silicon) liegen typischerweise demgegenüber niedrige Lebensdauern der Minoritätsladungsträger vor, so dass ein erheblich geringerer Wirkungsgrad der Solarzelle erzielt wird.Typically, crystalline silicon layers are used to form solar cells with only one pn junction. In particular, the use of monocrystalline silicon, Czochralsky silicon or multicrystalline silicon is known. By contrast, in the case of less expensive materials, such as UMG silicon (upgrated metallurgical-grade silicon), by contrast, there are typically low lifetimes of the minority carriers, so that a significantly lower efficiency of the solar cell is achieved.
Die erfindungsgemäße Mehrfach-Solarzelle ermöglicht somit insbesondere die Verwendung solcher kostengünstiger kristalliner Siliziummaterialien, da durch die Ausbildung als Mehrfach-Solarzelle mit Anordnung einer oberen Teilzelle, welche als pin-Struktur ausgebildet ist, eine Wirkungsgraderhöhung erzielt wird.The multiple solar cell according to the invention thus makes it possible, in particular, to use such cost-effective crystalline silicon materials, since an increase in efficiency is achieved by the design as a multiple solar cell with an arrangement of an upper part cell, which is designed as a pin structure.
Im Gegensatz zu vorbekannten Silizium-Wafer-Solarzellen weist die erfindungsgemäße Mehrfach-Solarzelle somit erstmalig die aus amorphen Siliziumschichten ausgebildete obere Teilzelle auf. Im Gegensatz zu vorbekannten Mehrfach-Solarzellen wird bei der erfindungsgemäßen Solarzelle erstmalig auf den typischen Aufbau ausgehend beispielsweise von einem lichtdurchlässigen Substrat verzichtet.In contrast to previously known silicon wafer solar cells, the multiple solar cell according to the invention thus for the first time has the upper part cell formed of amorphous silicon layers. In contrast to previously known multiple solar cells, in the case of the solar cell according to the invention, for the first time, the typical structure is dispensed with, for example, by a light-transmissive substrate.
Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle dient vielmehr die untere Teilzelle mit ihrer kristallinen Siliziumschicht als Substrat, auf der die obere Teilzelle ausgebildet ist.In the case of the solar cell according to the invention, on the contrary, the lower part cell with its crystalline silicon layer serves as the substrate on which the upper part cell is formed.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Emitterbereich der unteren Teilzelle durch Einbringen von Dotierstoffen ebenfalls in der kristallinen Siliziumschicht ausgebildet ist. Ebenso ist es möglich, dass der Emitterbereich der unteren Teilzelle als eigene Schicht ausgebildet ist, welche auf der der oberen Teilzelle zugewandten Seite des Basisbereichs angeordnet ist, insbesondere kann der Emitterbereich ebenfalls als amorphe Siliziumsschicht ausgebildet sein.It is within the scope of the invention that the emitter region of the lower subcell is also formed in the crystalline silicon layer by introducing dopants. It is also possible that the emitter region of the lower part cell is formed as a separate layer, which on the upper Partial cell facing side of the base region is arranged, in particular, the emitter region may also be formed as an amorphous silicon layer.
Die vorgenannten und folgenden Formulierungen der Ausbildung einer Schicht als amorphe Siliziumschicht bzw. als eine kristalline Siliziumschicht schließen mit ein, dass gegebenenfalls die Schichten weitere Stoffe, wie beispielsweise Dotierstoffe oder einlegierte Stoffe aufweisen.The abovementioned and following formulations of the formation of a layer as an amorphous silicon layer or as a crystalline silicon layer include, where appropriate, the layers having further substances, such as, for example, dopants or alloys.
Wie zuvor beschrieben, ist bei der erfindungsgemäßen Mehrfach-Solarzelle der Grundaufbau einer Wafer-Solarzelle kombiniert mit dem Aufbau von Dünnschicht-Mehrfach-Solarzellen, wobei die kristalline Siliziumsschicht der unteren Teilzelle als Trägersubstrat dient.As described above, in the multiple solar cell of the present invention, the basic structure of a wafer solar cell is combined with the structure of thin film multiple solar cells, with the crystalline silicon layer serving as a supporting substrate of the lower divided cell.
Vorzugsweise ist daher die kristalline Siliziumschicht des Basisbereichs der unteren Teilzelle mit einer Dicke im Bereich 50 μm bis 300 μm, bevorzugt im Bereich 75 μm bis 250 μm ausgebildet.Preferably, therefore, the crystalline silicon layer of the base region of the lower part of the cell is formed with a thickness in the range 50 microns to 300 microns, preferably in the range 75 microns to 250 microns.
Zur Ausbildung des Emitterbereichs der unteren Teilzelle in der kristallinen Siliziumschicht ist es vorteilhaft, dass die untere Teilzelle aus einer kristallinen Siliziumschicht ausgebildet ist, welche an der der oberen Teilzelle zugewandten Seite den p-dotierten Emitterbereich, vorzugsweise einen mit p-Dotierstoff diffundierten Emitterbereich und im wesentlichen darunterliegend den n-dotierten Basisbereich aufweist.To form the emitter region of the lower subcell in the crystalline silicon layer, it is advantageous for the lower subcell to be formed from a crystalline silicon layer which has the p-doped emitter region on the side facing the upper subcell, preferably an emitter region diffused with p-dopant, and essentially underlying the n-doped base region.
Zur alternativen Ausbildung der erfindungsgemäßen Solarzelle, bei welcher der Emitterbereich der unteren Teilzelle als Schicht ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, dass der Basisbereich der unteren Teilzelle in einer kristallinen Siliziumsschicht ausgebildet ist und dass auf der der oberen Teilzelle zugewandten Seite der kristallinen Siliziumsschicht eine amorphe Siliziumsschicht angeordnet ist, in welcher amorphen Siliziumsschicht der Emitterbereich ausgebildet ist, so dass zwischen Basis und Emitterschicht ein Hetero-pn-Übergang ausgebildet ist.For the alternative embodiment of the solar cell according to the invention, in which the emitter region of the lower subcell is formed as a layer, it is advantageous that the base region of the lower subcell is formed in a crystalline silicon layer and that on the upper part cell facing side of the crystalline silicon layer, an amorphous silicon layer is arranged, in which amorphous silicon layer, the emitter region is formed, so that between the base and emitter layer, a hetero-pn junction is formed.
Hierbei ist es vorteilhaft, dass die amorphe Siliziumsschicht der unteren Teilzelle, in welcher der Emitterbereich ausgebildet ist, eine Dicke im Bereich 5 nm bis 20 nm aufweist. Die amorphe Siliziumschicht kann auch in einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform als Schichtstapel bestehend aus einer intrinsischen Schicht (Dicke vorzugsweise im Bereich 2nm–10nm) a-Si und einer Schicht a-Si(p) (Dicke vorzugsweise im Bereich 5 nm–20 nm) abgeschieden werden.In this case, it is advantageous for the amorphous silicon layer of the lower subcell in which the emitter region is formed to have a thickness in the range from 5 nm to 20 nm. The amorphous silicon layer may also be deposited in a further preferred embodiment as a layer stack consisting of an intrinsic layer (thickness preferably in the range 2nm-10nm) a-Si and a layer a-Si (p) (thickness preferably in the range 5nm-20nm) become.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass weitere an sich bekannte Schichten und Strukturen zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei der erfindungsgemäßen Solarzelle ausgebildet bzw. angeordnet sind. Dies betrifft insbesondere Schichten und Strukturen zur Erhöhung der Lichteinkopplung, wie Antireflexschichten oder Schichtsysteme mit Antireflexwirkung und/oder optische Strukturen, wie beispielsweise Pyramidenstrukturen.It is within the scope of the invention that further known layers and structures are formed or arranged to increase the efficiency in the solar cell according to the invention. This applies in particular to layers and structures for increasing the light coupling, such as antireflection layers or layer systems with antireflection effect and / or optical structures, such as pyramidal structures.
Ebenso ist es vorteilhaft, dass auf der der oberen Teilzelle abgewandten Seite der Basis der unteren Teilzelle eine n-dotierte BSF-Schicht angeordnet ist, welche BSF-Schicht als amorphe Siliziumschicht aus gebildet ist. Die BSF-Schicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich 5 nm bis 50 nm auf. Die Dotierung der BSF-Schicht liegt vorzugsweise im Bereich 1019 Atome/cm3–1021 Atome/cm3. Ebenso kann diese BSF Schicht auch durch thermische Diffusion von Phosphor-Atomen realisiert werden; Mit dem Diffundieren kann die Waferqualität signifikant durch Getterung verbessert werden.It is likewise advantageous that an n-doped BSF layer is arranged on the side of the base of the lower part cell facing away from the upper part cell, which BSF layer is formed as an amorphous silicon layer. The BSF layer preferably has a thickness in the
Es ist bekannt, dass durch Anordnung eines so genannten Back Surface Fields die effektive Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Rückseite für Minoritätsladungsträger verringert und damit der Wirkungsgrad erhöht werden kann. Hierzu weist das BSF bei gleichem Dotiertyp eine höhere Dotierung gegenüber der Basis auf.It is known that by arranging a so-called back surface field, the effective surface recombination velocity at the backside for minority charge carriers can be reduced and thus the efficiency can be increased. For this purpose, the BSF has a higher doping with respect to the base for the same doping type.
Vorzugsweise ist die p-Schicht der oberen Teilzelle mit einer Dicke im Bereich 5 nm bis 20 nm aufgeführt.Preferably, the p-layer of the upper part cell is listed with a thickness in the
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die p-Schicht der oberen Teilzelle als Schichtsystem mindestens zweier Schichten ausgebildet ist, mit einer ersten Schicht umfassend mit einer ersten aus mikrokristallinem Silizium und einer zweiten aus amorphem Silizium ausgebildeten Schicht. Dies führt zu einer weiteren Wirkungsgraderhöhung der Solarzelle.Furthermore, it is advantageous that the p-layer of the upper part cell is formed as a layer system of at least two layers, comprising a first layer comprising a first layer of microcrystalline silicon and a second layer of amorphous silicon. This leads to a further increase in the efficiency of the solar cell.
Eine Wirkungsgraderhöhung lässt sich dadurch erzielen, dass in einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzelle die i-Schicht der oberen Teilzelle als mit Germanium legierte amorphe Siliziumsschicht ausgebildet ist, vorzugsweise mit einem Legierungsgrad im Bereich 10% bis 40%.An increase in efficiency can be achieved in that, in an advantageous embodiment of the solar cell according to the invention, the i-layer of the upper part cell is formed as a germanium-alloyed amorphous silicon layer, preferably with an alloying degree in the range 10% to 40%.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die i-Schicht der oberen Teilzelle eine Dicke im Bereich 50 nm bis 400 nm aufweist. Furthermore, it is advantageous that the i-layer of the upper part cell has a thickness in the range 50 nm to 400 nm.
Die n-Schicht der oberen Teilzelle weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich 5 nm bis 30 nm auf.The n-layer of the upper part cell preferably has a thickness in the
Eine weitere Wirkungsgraderhöhung wird in einer vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzelle dadurch erzielt, dass mindestens eine der amorphen Siliziumsschichten, vorzugsweise mehrere der amorphen Siliziumschichten, weiter bevorzugt, alle amorphe Siliziumschichten als hydrogenisierte Schichten ausgebildet sind.A further increase in efficiency is achieved in a preferred embodiment of the solar cell according to the invention in that at least one of the amorphous silicon layers, preferably more of the amorphous silicon layers, more preferably, all amorphous silicon layers are formed as hydrogenated layers.
Die Bezeichnung „hydrogenisiert” bezeichnet hierbei Materialschichten, bei denen prozessbedingt ein hoher Anteil Wasserstoff (5–20 Atomprozent) im Material vorhanden ist. Dies wird typischerweise durch „:H” bei der Materialbezeichnung verdeutlicht.The term "hydrogenated" refers to material layers in which a high proportion of hydrogen (5-20 atomic percent) is present in the material due to the process. This is typically illustrated by ": H" in the material designation.
Eine weitere Wirkungsgradsteigerung wird durch Ausbildung eines dritten pn-Übergangs bei der erfindungsgemäßen Solarzelle erzielt. In einer solchen so genannten Tripple-Solarzelle erfolgt eine weitere Steigerung des Gesamtwirkungsgrades verglichen mit einer Mehrfach-Solarzelle mit zwei Teilzellen, da eine zusätzliche Lichtausbeute gewährleistet ist.A further increase in efficiency is achieved by forming a third pn junction in the solar cell according to the invention. In such a so-called tripple solar cell, a further increase in the overall efficiency compared to a multiple solar cell with two sub-cells, since an additional light output is ensured.
Vorzugsweise ist daher auf der der oberen Teilzelle abgewandten Seite der unteren Teilzelle eine dritte Teilzelle angeordnet, welche dritte Teilzelle als pin-Struktur ausgebildet ist, mit einer p-dotierten p-Schicht, einer n-dotierten n-Schicht und einer zwischen p- und n-Schicht angeordneten intrinsischen i-Schicht, so dass ein pin-Übergang ausgebildet ist.Therefore, a third subcell is preferably arranged on the side of the lower subcell remote from the upper subcell, which third subcell is designed as a pin structure, with a p-doped p-layer, an n-doped n-layer and one between p and n-layer arranged intrinsic i-layer, so that a pin junction is formed.
p-, i- und n-Schicht der dritten Teilzelle sind vorzugsweise als amorphe Schichten, insbesondere amorphe Silizium-, Sillizium-Germanium- und reinen amorphen Germanium-Schichten ausgebildet.p-, i- and n-layer of the third subcell are preferably formed as amorphous layers, in particular amorphous silicon, silicon-germanium and pure amorphous germanium layers.
Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades wird in Teilabwandlung hiervon erzielt, indem die i-Schicht der dritten Teilzelle aus mikrokristallinem Germanium ausgebildet ist.A further increase in efficiency is achieved in a partial modification thereof by forming the i-layer of the third subcell of microcrystalline germanium.
Weiterhin ist eine Wirkungsgraderhöhung dadurch möglich, dass an der der oberen Teilzelle abgewandten Seite der unteren Teilzelle, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung weiterer Zwischenschichten, eine Rückreflektorschicht angeordnet ist, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich 30 nm bis 200 nm.Furthermore, an increase in efficiency is possible in that a back reflector layer, preferably with a thickness in the range from 30 nm to 200 nm, is arranged on the side of the lower part cell facing away from the upper part cell, optionally with the interposition of further intermediate layers.
Eine solche Rückreflektorschicht ist an sich bekannt und erfüllt die Funktion, dass elektromagnetische Strahlung, typischerweise im längerwellingen Lichtbereich, welche nicht in der Solarzellenstruktur absorbiert wurde, mittels des Rückreflektors reflektiert und somit die Solarzellenstruktur nochmals durchläuft, um die Lichtausbeute zu erhöhen.Such a back reflector layer is known per se and fulfills the function that electromagnetic radiation, typically in the longer wavelength light range, which was not absorbed in the solar cell structure, reflected by the back reflector and thus passes through the solar cell structure again to increase the light output.
Weitere vorteilhafte Merkmale und vorzugsweise Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Figuren und den Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigt:Further advantageous features and preferably embodiments are described below with reference to the figures and the embodiments. Showing:
Die Darstellungen der Solarzellenstrukturen in den Figuren sind jeweils schematische Darstellungen, welche einen Teilausschnitt des jeweiligen Ausführungsbeispiels darstellen. Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Solarzelle in an sich bekannter Weise ausgebildet. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die erfindungsgemäße Solarzelle an sich bekannte Schichten und/oder Strukturen zur Erhöhung der Lichteinkopplung an der Vorderseite, der Lichtreflektion an der Rückseite und/oder zur Verringerung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der Minoritätsladungsträger zusätzliche Dotierbereiche und/oder Zwischenschichten aufweist.The representations of the solar cell structures in the figures are in each case schematic representations, which represent a partial section of the respective exemplary embodiment. Advantageously, the solar cell according to the invention is formed in a manner known per se. In particular, it is within the scope of the invention that the solar cell according to the invention known per se layers and / or structures to increase the light input to the front, the light reflection at the back and / or to reduce the Surface recombination speed of the minority carrier has additional doping regions and / or intermediate layers.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.Like reference numerals in the figures indicate the same or equivalent elements.
p-, n- und i-Schicht sind jeweils als amorphe Siliziumschichten ausgebildet, wobei die i-Schicht zusätzlich eine Germaniumlegierung aufweist.p-, n- and i-layer are each formed as amorphous silicon layers, wherein the i-layer additionally comprises a germanium alloy.
Weiterhin ist unterhalb der oberen Teilzelle
In einem der oberen Teilzelle
Auf der unten liegenden Rückseite des Siliziumwafers
Auf der Vorderseite ist oberhalb der p-Schicht
Das in
Im Unterschied zu dem Aufbau gemäß
Die Rückkontaktsschicht ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel als mittels Siebdruck ausgebildete Aluminiumsschicht
Wie eingangs erwähnt, weist die erfindungsgemäße Mehrfach-Solarzelle insbesondere das Potential auf, ausgehend von Siliziumwafern mit vergleichsweise niedrigen Lebensdauern, wie beispielsweise UMG-Silizium eine Wirkungsgraderhöhung aufgrund der Anordnung der oberen Teilzelle zu erzielen.As mentioned above, the multiple solar cell according to the invention in particular has the potential, starting from silicon wafers with comparatively low lifetimes, such as UMG silicon to achieve an increase in efficiency due to the arrangement of the upper part cell.
Hierzu wurden Simulationen durchgeführt, welche in den
In den
Gegenüber einer Silizium Dünnschichttandemsolarzelle bestehend aus einer amorphen Topzelle und einer mikrokristallinen Bottomzelle hat diese neue Struktur den Vorteil, dass die Bottomzelle einen deutlich erhöhten Strom aufweist, da die Schichtdicke groß genug ist für die komplette Absorption des Sonnenlichts und die Materialqualität gegenüber mikrokristallinem Silizium besser ist. Hier kann der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden gegenüber der herkömmlichen Tandemtechnologie.Compared to a silicon thin film tandem solar cell consisting of an amorphous top cell and a microcrystalline bottom cell, this new structure has the advantage that the bottom cell clearly shows has increased current, since the layer thickness is large enough for the complete absorption of sunlight and the material quality is better compared to microcrystalline silicon. Here, the efficiency can be significantly increased compared to conventional tandem technology.
Im Vergleich zur herkömmlichen Wafersolarzelle ist die vorgeschlagene Struktur von Vorteil, wenn Wafer mit geringer Lebensdauer genutzt werden wie multikristkristalline Wafer und Wafer aus UMG-Silizium. Mit diesen Materialien sind bei Verwendung in herkömmlichen Solarzellen geringe Kurzschlussströme zu erwarten. Die Verwendung dieser Art von Wafern in der vorgeschlagenen Struktur hat den Vorteil, dass zwar der Kurzschlussstrom erniedright wird, aber durch die höhere Spannung durch die Reihenschaltung der beiden Teilzellen die offene Klemmspannung erhöht wird, was im Resultat zu einer erhöhten Effizienz führen kann.Compared to the conventional wafer solar cell, the proposed structure is advantageous when using low lifetime wafers such as multicrystal-crystalline wafers and UMG silicon wafers. With these materials, low short-circuit currents are to be expected when used in conventional solar cells. The use of this type of wafers in the proposed structure has the advantage that, although the short-circuit current is lowered, but the higher voltage through the series connection of the two sub-cells, the open clamping voltage is increased, which can result in increased efficiency as a result.
In der in
In nachfolgender Tabelle sind die wesentlichen Daten eines als Triple Solarzelle ausgebildeten weiteren Ausführungsbeispiels angegeben. Weiterhin sind in Klammern jeweils weitere bevorzugte Materialien, bzw. Wertebereiche angegeben. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die erfindungsgemäße Mehrfach-Solarzelle aus Kombinationen der angegebenen Materialien/Wertebereiche auszugestalten. Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, eine Solarzelle als Tandem-Solarzelle mit den Daten der Tabelle unter Weglassung der unteren Teilzelle auszubilden, d. h. die Daten der „mittleren Teilzelle” der Tabelle finden in diesem Fall für die untere Teilzelle der Tandem-Solarzelle Anwendung.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2017895 A2 [0005] EP 2017895 A2 [0005]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- J. Yang, A. Banerjee, S. Guha, „Triple-junction amorphous silicon alloy solar cell with 14.6% initial and 13.0% stable conversion efficiencies” Appl. Phys. Lett. 70 (22), 2 June 1997 [0006] J. Yang, A. Banerjee, S.Guha, "Triple junction amorphous silicon alloy solar cell with 14.6% initial and 13.0% stable conversion efficiencies" Appl. Phys. Lett. 70 (22), 2 June 1997 [0006]
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4253882A (en) * | 1980-02-15 | 1981-03-03 | University Of Delaware | Multiple gap photovoltaic device |
| US4496788A (en) * | 1982-12-29 | 1985-01-29 | Osaka Transformer Co., Ltd. | Photovoltaic device |
| JPS61218176A (en) * | 1985-03-25 | 1986-09-27 | Toshiba Corp | Photovoltaic device |
| DE10237515A1 (en) * | 2001-08-24 | 2003-05-28 | Sharp Kk | Stack-shaped photoelectric converter |
| EP2017895A2 (en) | 2007-07-18 | 2009-01-21 | SCHOTT Solar GmbH | Silicon multi-solar cell and method for its manufacture |
| US20090120493A1 (en) * | 2007-11-09 | 2009-05-14 | Ashok Sinha | Low-cost multi-junction solar cells and methods for their production |
Family Cites Families (1)
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4253882A (en) * | 1980-02-15 | 1981-03-03 | University Of Delaware | Multiple gap photovoltaic device |
| US4496788A (en) * | 1982-12-29 | 1985-01-29 | Osaka Transformer Co., Ltd. | Photovoltaic device |
| JPS61218176A (en) * | 1985-03-25 | 1986-09-27 | Toshiba Corp | Photovoltaic device |
| DE10237515A1 (en) * | 2001-08-24 | 2003-05-28 | Sharp Kk | Stack-shaped photoelectric converter |
| EP2017895A2 (en) | 2007-07-18 | 2009-01-21 | SCHOTT Solar GmbH | Silicon multi-solar cell and method for its manufacture |
| US20090120493A1 (en) * | 2007-11-09 | 2009-05-14 | Ashok Sinha | Low-cost multi-junction solar cells and methods for their production |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| J. Yang, A. Banerjee, S. Guha, "Triple-junction amorphous silicon alloy solar cell with 14.6% initial and 13.0% stable conversion efficiencies" Appl. Phys. Lett. 70 (22), 2 June 1997 |
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