DE19524459A1 - Solarzelle, insbesondere Konzentrator-Solarzelle oder Eine-Sonne-Solarzelle auf Siliziumbasis mit deponierten amorphen Silizium, Silizium-Germanium und/oder anderen Siliziumlegierungs-Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle, insbesondere eine Konzentrator-Solarzelle sowie eine Eine-Sonne- Solarzelle auf Siliziumbasis mit deponierten amorphen Silizium, Silizium-Germanium und/oder anderen Silizi­ umlegierungs-Schichten gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Ver­ fahren zu ihrer Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Aus z. B. P. Verlinden et al., The Conference Record of the 22nd IEEE Photovoltaic Spec. Conf., 1991 IEEEE, New York, 739, bekannte Hochintensitäts-Konzentrator Solar­ zellen wurden mit Wirkungsgraden von 29% hergestellt. Diese Solarzellen sind komplex, erfordern schwierige Prozeßabläufe und sind daher teuer in der Herstellung. Zudem wird ein Hochtemperaturprozeß zur Herstellung ex­ akter Oxidschichten und Diffusionsprofile in den do­ tierten Bereichen gebraucht. Diese Hochtemperaturpro­ zesse erfordern extreme Reinigungsverfahren zur Verhin­ derung eines Eindiffundierens von Verunreinigungen an der Oberfläche oder der Umgebungsatmosphäre in das kri­ stalline Hochqualitätssubstrat, welches während des ge­ samten Solarzellenfabrikationsprozesses defektfrei bleiben muß.

Darüberhinaus erfordern die bisher bekannten Hochinten­ sitätskonzentratorzellen eine Vielzahl an photolitho­ grafischen hochauflösenden Prozeßschritten zur Defini­ tion der Kontaktregionen. Solche Lithografieschritte reduzieren einerseits die Lichtausbeute und erhöhen an­ dererseits die Kosten.

Als Stand der Technik bei Eine-Sonne-SZ mit deponierten Schichten sind Schichtsysteme zur Bildung einer Solar­ zellenfunktion bekannt, bei dem auf einem kristallinen Silizium-Substrat amorphes Silizium abgeschieden wird (K. Okuda et al., Jap. J. of Appl. Phys., 22, Nr. 9, 1983, S. 1605-1607). Die freie Oberfläche der amorphen Siliziumschicht ist dann dem einfallenden Licht zuge­ wandt.

Bei Auftreffen von einfallendem Licht auf dieses Schichtsystem werden im Bereich des kristallinen Sili­ ziums Ladungsträger erzeugt, die in Richtung der amor­ phen Siliziumschicht transportiert werden und auf diese Weise den Solarstrom bilden. Als Stand der Technik ist beispielsweise aus Prog. in Photov., Research and Applications, Vol. 1, S. 85-92, 1993 bekannt, als kri­ stallines Silizium n-dotiertes, kristallines Silizium einzusetzen. In diesem Falle wird der Solarstrom von Ladungsträgern des p-Typs limitiert. Vorteilhaft wäre dagegen die Verwendung von p-Typ kristallinem Silizium für eine Steigerung des Wirkungsgrades der Eine-Sonne- Solarzelle mit deponierten Schichten.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Solarzelle, insbesondere Konzentratorsolarzelle, zu schaffen bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle bereitzustellen, bei dem eine, gegenüber bekannten So­ larzellen erhöhte Effektivität der Lichtumsetzung in elektrische Energie erreicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Solarzelle mit der Gesamtheit der in Anspruch 1 enthaltenen Merkmale. Die Aufgabe wird ferner verfahrensmäßig gelöst durch ein Verfahren mit der Gesamtheit der in Anspruch 6 enthal­ tenen Merkmale. Weitere vorteilhafte oder zumindest zweckmäßige Ausführungsformen, bzw. Varianten, finden sich in den jeweils auf einer dieser beiden Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.

Es wurde erkannt, daß in solchen Fällen, wo der ausge­ bildete Solarzellenstrom von negativen Ladungsträgern, d. h. von Elektronen, limitiert wird, unerwartet das Problem einer Diffusionsbarriere im Bereich der Berüh­ rungsfläche zwischen dem kristallinen und amorphen Si­ lizium auftritt.

Es wurde zudem erkannt, daß dieses Problem durch Zule­ gierung des amorphen Silizium mit Germanium reduziert bzw. vermieden wird. Der aufgrund des auftretenden Pro­ blems im Falle von Elektronen als negative Ladungsträ­ ger gestörte Ladungstransport von den kristallinen in den amorphen Bereich wird durch die vorgeschlagene Maß­ nahme beseitigt. Im Ergebnis wird in der erfindungsge­ mäßen Solarzelle ein Solarstrom erzeugt, der gegenüber der bisher bekannten, den Oberbegriff des Anspruchs bildenden Solarzelle eine erhebliche Steigerung der Ef­ fektivität bewirkt.

Im einzelnen werden folgende Komponenten beansprucht:

• - eine Konzentrator-Solarzelle mit deponierten, statt eindiffundierten, elektrisch und/oder optisch ak­ tiven Schichten;
• - eine amorphe SiGe-Richtungskopplungsschicht (direc­ tional coupling), die eine effiziente Extraktion von Elektronen aus kristallinem Silizium ermöglicht und gleichzeitig eine gute Oberflächenpassivierung be­ wirkt;
• - eine optische Verstärkungsvorrichtung für Hocheffi­ zienz-, Hochintensitäts-Solarzellen mit deponierten Schichten und Konzentratorlinsen oder -spiegeln;
• - ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Eine-Sonne-Solarzellen mit kristallinem p-Typ Silizium und amorphen SiGe-Richtungskopplungs­ schichten.

Die Erfindung beschreibt eine neue Konzentratorsolar­ zelle und einen Solareinstrahlungs-Konzentrator. Diese erfindungsgemäße Solarzelle weist auch kristallines Si­ lizium mit hoher Qualität und niedriger Defektdichte auf. Aber die Solarzellenherstellung erfolgt mit Hilfe von Deposition der die Solarzellenfunktion bildenden Schichten statt Eindiffusion dieser Schichten.

Der Vorteil von deponierten Schichten beinhaltet Nie­ dertemperaturprozesse, weniger strikte Reinheitsanfor­ derungen, großflächige Prozesse, hohen Durchsatz, exak­ te Schichtdickendeposition und optische Optimierung der Schichtdicken. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfah­ ren auf Depositionsbasis ermöglicht Solarzellenkonfigu­ rationen (als Typ und in der Anzahl der Schichten), die gegenüber bekannten Konzentratorzellen erheblich höhere Effektivitäten aufweisen. Zudem werden schwierige Li­ thografieprozesse bei der Herstellung vermieden.

Die erfindungsgemäße Solarzelle ermöglicht neue opti­ sche Konzentratoraufbauten, die die Lichtstreuungs- und Einfangeigenschaften der einzelnen Schichten vorteil­ hafter nutzen. Die Erfindung beinhaltet eine Konzentra­ torsolarzelle mit deponierten Schichten, optischer Ver­ stärkung und Konzentration des einfallenden Lichtes.

Die erste, - amorphe - Schicht, die auf den kristalli­ nen Wafer aus kristallinem Silizium deponiert wird, er­ füllt einerseits die Funktion, die Oberfläche zu passi­ vieren. Eine Oberflächenpassivierung wird erreicht, in­ dem die deponierten Schichten chemische Bindungen mit Oberflächenatomen eingehen, wobei diese Bindungen dann keine energetischen Zustände in der Energielücke erzeu­ gen. Diese Zustände in der Energielücke erhöhen den Verlustmechanismus der Rekombination der Photoladungs­ träger.

Eine zweite Funktion der ersten Schicht besteht darin, daß es den Ladungsträgern ermöglicht wird, ihre Kontak­ te zu erreichen. Das Elektron muß den Kristall durch die Oberfläche ohne Rekombination verlassen und zum n- Kontakt wandern. Entsprechend muß das Loch die Oberflä­ che ohne Rekombination passieren und zum p-Kontakt wan­ dern. Deponierte Schichten aus amorphem Silizium- Germanium(SiGe)-Legierungen sind geeignet diese Funkti­ on der Ladungsträgerkollektion für Elektronen aus zu­ üben.

Die Verwendung von amorphen SiGe(a-Si : Ge : H)- Passivierungs- und Kontakt-Puffer-Schichten liefert ei­ ne gute Oberflächenpassivierung und erlaubt gleichzei­ tig eine ungehinderte Extraktion von Elektronen aus dem Volumen des kristallinen Absorbermaterials. Die a-Si : Ge : H Legierungen werden mit weiteren Schichten zur Bildung der Solarzelle kombiniert. Zum Beispiel werden a-Si : Ge : H für Elektronenextraktion auf einer Seite des Wafers mit amorphem Silizium und/oder Silizium- Kohlenstoff auf der anderen Oberfläche für Löcherex­ traktion kombiniert.

Durch geeignete Wahl der relativen Widerstände der Kon­ taktschichten, der amorphen Schichten und des kri­ stallinen Siliziums ist es möglich die Schichten so auszulegen, daß das höchste elektrische Feld der Solar­ zelle in die amorphen Schichten nahe dem amorph/kristallinem Übergang positioniert wird.

Hohe Dichten photogenerierter Ladungsträger in dem kri­ stallinem Silizium hoher Qualität und niedriger Defekt­ dichte sind erwünscht, weil das stärkste elektrische Feld sich über der Schicht mit dem höchsten Widerstand ausbildet. Im vorliegenden Fall ist es wünschenswert, daß unter Betriebsbedingungen die amorphen Schichten die Schichten mit dem höchsten Widerstand in der Solar­ zelle bilden.

Das starke elektrische Feld unterstützt den Ladungsträ­ gerfluß zum richtigen Kontakt und verhindert den Diffu­ sionsfluß der Ladungsträger aus dem kristallinen Be­ reich zum jeweiligen falschen Kontakt. Die amorphen Schichten liefern eine gute Passivierung des amor­ phen/kristallinen Übergangsbereichs, wo Defekte jeder Art als Rekombinationszentren wirken und die Sammlung der Ladungsträger auf diese Weise reduziert wird. Die kombinierten Vorteile guter Oberflächenpassivierung, ungehinderten Ladungsträgertransports, reduzierter Rückdiffusion wird als Richtungskopplung (directional coupling) bezeichnet.

Um die Dichte der photogenerierten Ladungsträger im kristallinem Silizium zu erhöhen, werden die Wafer ge­ dünnt und verschiedene Schichten angepaßt um den Licht­ einfang (Lichtfallen, engl. Light Trapping) zu erhöhen.

Lichtfallen sind bereits bekannt zur Erhöhung des Wir­ kungsgrades verschiedener Solarzellenkonfigurationen, wie beispielsweise die rein-amorphe Si-Solarzelle. Lichtfallen sind in der Regel wirkungslos für kri­ stalline Solarzellen, weil die Waferdicken groß genug sind um das gesamte einfallende Licht beim einmaligen Durchgang durch das Material zu absorbieren. Daher wäre der Vorteil von Lichtfallen bei Standard-kristallinen Solarzellen gering. Außerdem ist bei der bekannten Punktkontaktzelle aufgrund der Metallkontaktanordnung praktisch keine Möglichkeit, Lichtfallen zu realisie­ ren.

Die hier beschriebene Konzentratorsolarzelle mit depo­ nierten Schichten kann dagegen Lichtfallen vorteilhaft für eine Wirkungsgraderhöhung nutzen. Durch Dünnung des Wafers (z. B. chemisches Ätzen bei niedrigen Temperatu­ ren) und durch geeignete Lichtfallen kann die Photo- Ladungsträgerdichte gegenüber dicken Wafern erhöht wer­ den. Diese Erhöhung der Photo-Ladungsträgerdichte ist wichtig für die Verschiebung des elektrischen Feldes in die amorphen Schichten hinein.

In der Solarzelle können Lichtfallen durch minimale Dickenanpassung der Schichten, die bereits für elektri­ sche Funktionen vorhanden sind, leicht realisiert wer­ den. Lichtfallen ermöglichen es, daß der Wafer einen hohen Anteil des Lichtes absorbiert, weil das einfal­ lende Licht gestreut wird in einer Weise die den opti­ schen Weg im Kristall verlängert. Dies kann kombiniert werden mit Rückkontakt-Spiegeln (ebenfalls Streuung) um auf diese Weise sicherzustellen, daß Licht, welches beim ersten Durchgang durch die Zelle nicht absorbiert wurde, reflektiert wird und eine weitere Möglichkeit hat, absorbiert zu werden. Hierzu werden neue Kontakt­ aufbauten eingesetzt mit deponierten Schichten aus tex­ turiertem, transparentem, leitfähigem Oxid (TCO) und diffuse Rückreflektoren.

Bisher von anderen hergestellte (Eine-Sonne-) Solarzel­ len mit kristallinem Silizium und deponierten amorphen Silizium Schichten haben eine niedrigere Materialquali­ tät als die oben beschriebenen Konzentratorzellen. Ohne die Erkenntnis, das a-Si : Ge : H Material für eine effek­ tive Extraktion von Ladungsträgern sorgen kann, war es bisher nicht möglich die oben beschriebene Konzentra­ torzelle zu verwirklichen. Darüber hinaus ermöglichen effektive a-Si : Ge : H Richtungskoppelungsschichten auch eine Verbesserung der bekannten (Eine Sonne) Solarzel­ le.

Bisher bekannte (Eine-Sonne)-Solarzellen haben zwar Wirkungsgrade von 21% erreicht, dieser Wert liegt un­ terhalb maximal möglicher Wirkungsgraden. Das in diesen Solarzellen verwendete, kristalline Material ist n-Typ Material. Dabei haben die Löcher eine kürzere Diffusi­ onslänge als die Elektronen. Die Elektronen sind die, den Wirkungsgrad limitierenden Ladungsträger in p-Typ Material, entsprechend die Löcher in n-Typ Material.

Da die Diffusionslänge der Elektronen in p-Typ Material größer ist als die der Löcher in n-Typ Material, wird in p-Typ Material ein größerer Wirkungsgrad erreicht. Anders als im oben beschriebenen Hochqualitätsmaterial, ist in Eine-Sonne-Solarzellen n- oder p-Typ Material einzusetzen, damit das elektrische Feld in die Kontakt­ region verschoben wird; in Ein-Sonnen-Solarzellen reicht die lichterzeugte Ladungsträgerdichte dazu nicht aus. Als Konsequenz der Dotierung gehen mehr Ladungs­ träger durch Rekombination verloren. Hier ist deshalb das p-Typ Material dem n-Typ Material wegen der größe­ ren Diffusionslängen der Minoritätsladungsträger über­ legen.

Bei bekannten Solarzellen wird der Einsatz von p-Typ Material beeinträchtigt durch die Formation von Barrie­ ren am amorphen Silizium/kristallinem Silizium Über­ gang aufgrund von Leitungsbandfehlanpassung zwischen der amorphen und der kristallinen Phase (Fig. 1). Die­ se Fehlanpassung wird durch den Einsatz von a-Si : Ge : H Richtungskopplern in der erfindungsgemäßen Solarzelle abgebaut (Fig. 2). Die durch amorphes Silizium oder Silizium-Kohlenstoff erzeugte Barriere hat damit den möglichen Einsatz des vorteilhaften p-Typ Siliziums verhindert. Mit den a-Si : Ge : H Richtungskopplern wird es jedoch möglich, neben Konzentrator-Solarzellen mit in­ trinsischem Hochqualitätssilizium auch Eine-Sonne- Solarzellen mit dem vorteilhaften p-Typ Material herzu­ stellen.

Die bisher benutzten Kombinationen von Schichten für deponierte Kontakte und Emitter auf p-Typ Material zeigten elektrische Probleme. Diese Probleme konnten der Formation einer Barriere zwischen amorphen und kri­ stallinen Bereichen zugeordnet werden. Die Barrieren verhindern den ungestörten Fluß von Elektronen aus dem kristallinen Material zu den Kontakten. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Solarzellenfunktionsschichten er­ laubt die Vermeidung, zumindest die Reduzierung solcher Barrieren unter gleichzeitiger Beibehaltung der guten Oberflächenpassivierung. Die Barrierenreduktion oder -eliminierung wird erzielt mit Hilfe von amorphem Mate­ rial mit kleiner Energielücke. Da die Energielückenver­ schiebung bei der Legierung von Germanium zu amorphem Silizium einer Erniedrigung der Leitungsbandenergie (relativ zum Vakuumniveau) zuzuordnen ist, wird die Barriere verkleinert, wenn man in diesem Falle die amorphe Siliziumschicht durch eine a-Si : Ge : H-Schicht ersetzt.

Die amorphen Schichten unterstützen den Ladungsträger­ transport in die richtige Richtung und bilden daher ei­ ne Art Richtungskoppler. Die Schichten ermöglichen ei­ nen ungehinderten Fluß der Ladungsträger zu den ent­ sprechenden richtigen Kontakten, während sie den umge­ kehrten Fluß oder sogar eine Rückdiffusion verhindern.

Diese Aufgabe wird erfüllt, wenn in den amorphen Regio­ nen einen starkes elektrisches Feld anliegt. Die Rich­ tung des Feldes muß so sein, daß die Ladungsträger in die richtige Richtung abfließen (Fig. 2 und 3).

Verschiedene Ausführungsformen einer solchen Richtungs­ kopplerkonfiguration sind vorstellbar, wie z. B.:

• - amorphe SiGe-n-Schichten;
• - amorphe SiGe-i-Schichten/amorphe SiGe-n-Schichten;
• - amorphe SiGe-i-Schichten/mikrokristalline n- Schichten.

Ein Problem das von der vorliegenden Erfindung gelöst wird, ist an Hand der Fig. 2 und 3 dargestellt.

Die Entfernung von Bandlückenbarrieren durch sorgfältig angepaßte, amorphe Legierungen ermöglicht eine neue Konzentrator-Solarzelle. Die Anwendung unter hoher In­ tensität erfordert eine gut passivierte Siliziumober­ fläche. Hier führt die Passivierung mit amorphen Mate­ rialien zu den niedrigst möglichen Oberflächen- Rekombinationsgeschwindigkeiten (als Maß für die Güte der Passivierung). Weiterhin müssen Elektronen und Lö­ cher ungehindert aus dem kristallinen Silizium zu den Kontakten transportiert werden. Die amorphen SiGe- Legierungen liefern diese Richtungskopplung für den Transport der Elektronen am Elektronenkontakt, zusammen mit guter Oberflächenpassivierung.

Eine gute Richtungskopplung wird erreicht indem das elektrische Feld aufgrund hoher Ladungsträgerdichte aus der kristallinen Region herausgeschoben wird. Ein star­ kes elektrisches Feld entsteht über den amorphen Kon­ takten. Auf diese Weise werden Rückdiffusion und La­ dungstransport in die falsche Richtung merklich redu­ ziert bzw. vermieden.

Die Hochintensitätssolarzelle erfordert vorzugsweise Hochqualitäts-Si mit hohem elektrischem Widerstand. Die Verwendung hochohmigen kristallinen Materials in Kombi­ nation mit amorphen SiGe-Elektronenkopplungsschichten ermöglicht eine neue Klasse von Konzentratorzellen (d. h. solche Zellen, die unter hoher Intensität arbei­ ten, was z. B. durch Linsen oder Spiegel erreicht wird, typisch 100fache Konzentration). Die durch die hohe Lichtintensität erzeugte hohe Ladungsträgerdichte sorgt auf diese Weise für die Verschiebung des elektrischen Feldes in die amorphen Regionen und bewirkt damit eine effektive Ladungsträgerextraktion (Richtungskopplung). Die schlechten Diffusionseigenschaften in dem amorphen Material werden vollständig durch das starke, elektri­ sche Feld vermieden.

Lichtfallen und Antireflexionsschichten sind essenti­ ell für die Wirkungsweise oben beschriebener Solarzel­ len. Die Solarzellen brauchen vorteilhafterweise leit­ fähige Oxidschichten (TCO) zur optimalen Stromsammlung. Die amorphen und mikrokristallinen Kontaktschichten al­ leine können nicht den Stromtransport zu den Metallkon­ taktstreifen, wie sie in konventionellen Diffusions­ solarzellen benutzt werden, leisten. Die Anwendung von TCO-Schichten erfordert zwar zusätzliche Prozeßschritte und außerdem wird in den TCO Schichten ein Teil des Lichtes absorbiert; gleichzeitig erlauben solche Schichten die optische Optimierung einer solchen Solar­ zelle.

TCO und andere Schichten, die für Solarzellen mit depo­ nierten Schichten eingesetzt werden, können durch sorg­ fältige Optimierung der Schichtdicken Reflexionsverlu­ ste minimieren. Standard kristalline Zellen benutzen hierzu Oxidschichten wie z. B. TiO als Antireflexions­ schichten. In der beschriebenen Solarzelle wird die TCO Schichtdicke optimiert um Antireflexionseigenschaften zu optimieren. Ebenfalls die verschiedenen amorphen und mikrokristallinen Schichten werden für eine weitere Op­ timierung der Antireflexionseigenschaften genutzt.

Die Schichtdicken werden auch hinsichtlich Absorptions­ verlusten optimiert, da fast alles Licht, das nicht in dem kristallinen Teil absorbiert wird für den Ladungs­ trägersammlungsprozeß verloren ist. D.h. Lichtabsorpti­ on im kristallinen Silizium wird maximiert, während Ab­ sorption im TCO und den amorphen und mikrokristallinen Schichten minimiert wird. Da die amorphen und mikrokri­ stallinen Schichten sehr dünn sind (weniger als 100 Å in einigen Fällen), ist eine Deposition auf flacher statt auf strukturierter Oberfläche erwünscht. Struktu­ rierte Oberflächen vergrößern außerdem die Oberfläche und die Randschichtflächen und da die elektrischen Ver­ luste proportional zu der Oberfläche und den Rand­ schichtflächen sind, ist eine Strukturierung auch aus diesem Grund nicht wünschenswert. Daher wird von einer Strukturierung der Oberfläche - anders als bei den Standardsolarzellen - kein positiver Effekt für den Wirkungsgrad der hier beschriebenen Zellen erwartet.

Es wird erwartet, daß die hier beschriebene nahezu in­ trinsische kristalline Solarzelle mit niedriger Defekt­ dichte nur bei hoher Lichtintensität (<20 AM1.5) arbei­ tet, da nur eine hohe Ladungsträgerdichte das elektri­ sche Feld aus dem kristallinen Bereich verdrängen kann. Die Verwendung von Solarzellen bei hoher Intensität er­ fordert die Entwicklung von Linsen - oder Spiegelsyste­ men die mit den beschriebenen Solarzellen und den Be­ leuchtungsanforderungen kompatibel sind. Fig. 4 zeigt eine einfache intrinsische Solarzelle mit einem Linsen­ system. Das Design ist auf minimale Reflexionsverluste optimiert.

Falls dünnere, kristalline Wafer (<50 µm) genutzt wer­ den, können Lichtfallen den lichterzeugten Strom und damit den Wirkungsgrad effektiv erhöhen. Da der Wir­ kungsgrad der intrinsischen Solarzelle sehr hoch ist, und die Materialkosten nur ein Teil der Systemkosten (mit Linsen und Konzentratoren) sind, kann etwas Auf­ wand getrieben werden, den Wafer zu dünnen. Dünnung kann mechanisch oder chemisch erfolgen. Für den gedünn­ ten Wafer bestehen eine Reihe von Möglichkeiten für op­ tische Verstärkung. Fig. 4 zeigt eine Hochintensitäts­ zelle bei der die Silizium-Germanium Richtungskopp­ lungsschicht (für Elektronen) auf der Rückseite ange­ bracht ist, um die Blauabsorption der einfallenden Strahlung zu verhindern. Die Vorderseite ist in diesem Fall die Richtungskopplungsschicht für die Löcher und besteht aus Silizium-Kohlenstoff mit einer größeren Energielücke wodurch Absorptionsverluste der Blauantei­ le minimiert werden.

Die Schichtdicken von Vorder- und Rückseitenschicht werden hinsichtlich der Absorption im kristallinen Teil optimiert. Durch Wahl eines Materials mit relativ klei­ ner Energielücke und hoher Porösität kann man den Bre­ chungsindex des Silizium-Germanium reduzieren und damit eine bessere Lichtfallenwirkung erzielen. Außerdem kann durch den Einsatz von hochreflektiven und lichtstreuen­ den Schichten (einige oder alle können gleichzeitig Kontaktschichten sein) der Lichtfalleneffekt in den dünnen kristallinen Wafern verstärkt werden.

Im Fall der intrinsischen, kristallinen Hochintensi­ täts-Solarzelle wird die Konzentratorlinse hinsichtlich Einfallswinkeln und resultierender optischer Verstär­ kung optimiert. Für die hier vorgeschlagene Konzentra­ torzelle bestehen daher durch die Wahl der einzelnen Schichten, deren Dicken und deren optischen Eigenschaf­ ten eine Reihe von Möglichkeiten Reflexionsverluste zu reduzieren und optische Verstärkung (Lichtfallen) zu maximieren.

Die Entwicklung effektiver Elektronen-Richtungskoppler­ schichten auf amorpher Silizium-Germanium Basis ermög­ licht auch eine Verbesserung von Eine-Sonne Solarzellen mit kristallinem p-Typ Material. p-Typ Material hat ei­ ne größere Photoladungsträger-Diffusionslänge und daher ein größeres Wirkungsgradpotential als n-Typ Material.

Da Eine-Sonne Solarzellen weniger empfindlich auf De­ fekte reagiert kann in diesem Fall auch billigeres po­ lykristallines Siliziummaterial an Stelle von kri­ stallinem Hochqualitätsmaterial verwendet werden. Der Aufbau von Eine-Sonne Solarzellen ist in den Fig. 2 und 3 skizziert.

Die p-Typ kristalline (oder polykristalline) Eine-Sonne Zelle erfordert eine Silizium-Germanium Richtungskopp­ lungsschicht am Elektronenkontakt und gegebenenfalls eine entsprechende Richtungskopplungsschicht für Löcher am Löcherkontakt (ähnlich wie bei der Konzentratorzel­ le) z. B. amorpher Silizium-Kohlenstoff. Alternativ kann der Löcherkontakt auch ein Standard Diffusions-Al­ kontakt sein, weil nur wenige Minoritätsladungsträger genügend lange Lebensdauer haben, um zum Rückkontakt zu diffundieren. Für diese Solarzellen können auch struk­ turierte TCO Schichten von Vorteil sein, da hier Lichtstreuung zu einer stärkeren Absorption nahe der Elektronen-Richtungskopplungsschicht führt, wo die La­ dungsträgersammlung am effektivsten in dieser Solarzel­ le ist.

Die vorgeschlagene Solarzelle erfordert die Deposition von amorphen Schichten auf atomar sauberen Siliziumo­ berflächen. Es ist bekannt, daß auf solchen Oberflächen eine starke Tendenz zu epitaktischem Wachstum besteht. Die epitaktische Schichten haben die gleiche Bandstruk­ tur wie der kristalline Siliziumwafer. Solche Schichten können nicht die Funktion der beschriebenen Richtungs­ kopplung erfüllen sondern funktionieren wie konventio­ nelle Solarzellen mit eindiffundierten Kontakten. Ande­ rerseits führen deponierte epitaktische Schichten zu einer hohen Randschicht-Defektdichte verglichen mit ei­ ner amorphen-kristallinen Randschicht. Diese Zustände führen zu erhöhten Rekombinationsverlusten und damit reduziertem Wirkungsgrad.

Um amorphes Wachstum zu gewährleisten werden gezielt Verunreinigungen genutzt, die die amorphe Phase stabi­ lisieren. Das Germanium in der beschriebenen Silizium- Germanium Schicht erfüllt bereits diese Funktion einer stabilisierenden Verunreinigung. Andere Verunreinigun­ gen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Chlor, Fluor und Bor gewährleisten ebenfalls eine Stabilisie­ rung der amorphen Phase. In einigen Fällen müssen spe­ zielle Schichten für den alleinigen Zweck einer Stabi­ lisierung der amorphen Phase deponiert werden.

Die hier beschriebenen Solarzellen haben eine Reihe wirtschaftlicher Vorteile gegenüber kristallinen Stan­ darsolarzellen die mit konventioneller Technologie her­ gestellt werden. Die Prozeßschritte können in kontinu­ ierlicher Weise anstelle des Stoßbetriebs bei herkömm­ licher Diffusionstechnik erfolgen. Die Vermeidung von Hochtemperaturschritten reduziert mögliche unerwünschte Korngrenzen-Diffusion. Die Technologie für die Deposi­ tion von Schichten in den hier beschriebenen Solarzel­ len sind wohlbekannte, weitentwickelte Technologien für großflächige Beschichtung mit hohem Durchsatz und nied­ rigen Kosten.

Die hier beschriebene Hochintensitätszelle ist bedeu­ tend einfacher und kostengünstiger herzustellen als an­ dere Zellen für Hochintensitätsanwendungen. Die Vortei­ le beruhen auf der Verwendung von deponierten amorphen und mikrokristallinen Schichten an Stelle von Hochtem­ peratur-Diffusionsprozessen. Typischerweise müssen die diffundierten Schichten konventioneller Stand-der- Technik Hochintensitätszellen striktere Toleranzen ein­ halten als Eine Sonne Zellen. Weiterhin müssen konven­ tionelle Stand-der-Technik Hochintensitätszellen teure und komplizierte Lithografietechniken einsetzen um kleine Kontaktflächen zu definieren und Rekombination zu vermeiden. Die hier beschriebene Hochintensitätszel­ len dagegen brauchen keine durch Photolithografie defi­ nierten Kontakte weil die kompletten Oberflächen gleichzeitig Kontakt- und Passivierungsschichten durch den Einsatz von Richtungskopplungsschichten sind.

Alle Techniken und Materialien die zur Realisierung der beschriebenen Solarzellenaufbauten gebraucht werden sind bekannt, relativ einfach für die Produktion einzu­ setzen und haben Kapazität für großflächige Anwendung und hohen Durchsatz.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 p-dotierte kristalline Eine-Sonne-Solarzelle mit konventionell deponiertem amorphen Silizium Kontaktschicht und eine Barriere an der amor­ phen/kristallinen Grenzfläche, welche den Fluß von Elektronen zu ihrem Kontakt verhindert;

Fig. 2 erfindungsgemäße kristalline Eine-Sonne- Solarzelle mit einer n-dotierten amorphen Sili­ zium-Germanium Richtungskopplungs- und Kontakt­ schicht;

Fig. 3 erfindungsgemäße Hochintensitäts-Solarzelle mit einer amorphen Siliziumcarbid Richtungskopp­ lungsschicht, einer p-dotierten Kontaktschicht aus mikrokristallinem Silizium, einer amorphen Silizium-Germanium Richtungskopplungsschicht und einem n-dotierten mikrokristallinen Rück­ kontakt. Desweiteren sind auch die erwünschten elektrischen Feldprofile bei Beleuchtung mit hoher Intensität (das Feld verschiebt sich zu den Richtungskopplungsschichten) und die uner­ wünschte Feldverteilung bei geringer Intensität (oder bei Dunkelheit) gezeigt;

Fig. 4 erfindungsgemäße Hochintensitäts-Solarzelle mit deponierten Schichten, verbunden mit einem Kon­ zentratorsystem.

Die Solarzelle gemäß Fig. 4 enthält alternativ oder kumulativ folgende, numerierte Elemente:

• 1) eine Konzentratorlinse oder einen Spiegel, z. B. ei­ ne Fresnellinse,
• 2) ein Metall-Gitter, um den Strom vom TCO einzusam­ meln,
• 3) eine transparente, leitende, rauhe Oxidschicht (TCO),
• 4) eine Löcher-Kontaktschicht, z. B. hergestellt aus p­ dotiertem mikrokristallinem Silizium oder p- dotiertem amorphem Silizium (Schichtdicke z. B. 200 Å),
• 5) einen Löcher-Richtungskopplungsschicht, z. B. depo­ niertes undotiertes amorphes Silizium oder amorphes Siliziumcarbid (Schichtdicke z. B. 50 Å),
• 6) eine Absorberschicht aus kristallinem Silizium, z. B. eine gedünnte kristalline Silizium Schicht mit geringer Defektdichte und hoher Qualität (Schichtdicke z. B. 50 µm),
• 7) eine Elektronen-Richtungskopplungsschicht bestehend aus deponiertem amorphen Silizium-Germanium (Schichtdicke z. B. 50 Å),
• 8) eine Elektronen-Kontaktschicht, z. B. prepariert aus deponiertem n-dotierten mikrokristallinem Silizium (Schichtdicke z. B. 200 Å),
• 9) eine deponierte elektrische Kontaktschicht (TCO), die zugleich Licht reflektiert (Schichtdicke z. B. 1 µm),
• 10) ein deponierter Metallkontakt, z. B. ein Metall- Gitter oder eine reflektierende Metallbeschichtung,
• 11) ein deponierte diffusen Wei_reflektor (Schichtdicke z. B. 1 µm), verwendet mit beispielsweise 10 Metall­ steifen,
• 12) Wärmesenke (z. B. wassergekühlt).

Nicht gezeigt in der Fig. 4: Es kann zwischen Schicht 5 und 6 eine Nukleationsschicht angebracht werden. Au­ ßerdem kann zwischen Schicht 6 und 7 alternativ eine Nukleationsschicht angebracht werden. Eine Antirefle­ xionsbeschichtung kann auf der Oberfläche auf die Me­ tallgitter deponiert werden.

Claims (7)

1. Solarzelle mit zur Erzeugung von Ladungsträgern vorgesehener kristallinen Siliziumschicht (c-Si) und wenigstens einer an einer Seite dieser Schicht benachbarter amorphen Siliziumhaltigen Schicht, gekennzeichnet durch Mittel zur Minderung oder Vermeidung der Potentialbarriere im Bereich der Grenzfläche der amorphen Siliziumschicht.

2. Solarzelle mit zur Erzeugung von Ladungsträgern vorgesehener kristallinen Siliziumschicht (c-Si) und wenigstens einer an einer Seite dieser Schicht benachbarter amorphen Siliziumhaltigen Schicht, gekennzeichnet durch Mittel zur Verringerung der Energielücke im Bereich der Grenzfläche der amorphen Siliziumschicht.

3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel das amorphe Silizium eine die Energielücke mindernde Zulegierung, insbesondere mit Germanium (a-Si:Ge:H), aufweist.

4. Solarzelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Siliziumschicht zur Stabilisierung des amorphen Zustandes eine Dotierung, insbesondere mit C, B, Cl, F, N oder O, aufweist.

5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Lichtfalle aus mehreren deponierten Schichten.

6. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit zur Erzeugung von Ladungsträgern vorgesehener kristallinen Siliziumschicht (c-Si) und wenigstens einer an einer Seite dieser Schicht benachbarter amorphen Siliziumhaltigen Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Schicht mit Germanium zulegiert wird.

7. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl an Schichten zur Bildung einer Lichtfalle direkt oder indirekt mit dem kristallinen Silizium deponiert werden.