DE2818261A1

DE2818261A1 - Halbleiter-solarzelle und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2818261A1
Application number: DE19782818261
Authority: DE
Inventors: G Sanjiv Kamath
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1977-05-02
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1978-11-09
Also published as: US4156310A; DE2818261C2; FR2390016B1; GB1603218A; FR2390016A1; US4107723A; JPS5416193A; JPS566153B2

Description

Anmelder; Stuttgart, 20. April 1978

Hughes Aircraft Company P 3523 R-ef Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41
7000 Stuttgart 1

Halbleiter-Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft zunächst eine Halbleiter-Solarzelle mit einem in Galliumarsenid gebildeten fotoelektrischen pn-übergang zur Energieerzeugung aus auf die Zelle fallendem Licht.

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Es wurden in den letzten Jahren erhebliche Anstrengungen zur Verbesserung des Wirkungsgrads und der Ausbeute von Halbleiter-Solarzellen und zur Verminderung ihrer Herstellungskosten unternommen. Im Vergleich mit Silicium ist Galliumarsenid lange anerkannt als ein Material mit einem für die Maximierung des Wirkungsgrads der Solarzelle günstigeren Bandabstand und auch als Material, das für die Arbeit bei höheren Temperaturen besser geeignet ist. Zusätzlich können wegen der kleinen optischen Absorptionstiefe in Halbleitern mit direkter Umwandlung wie Galliumarsenid kurze Minoritätsträger-Diffusionslängen geduldet werden, und dies führt zu einer besseren Widerstandsfähigkeit gegen Strahlungsschaden.

Eine bekannte Type von Galliumarsenid-Solarzellen, die als Ergebnis von ständigen Anstrengungen bei der Erforschung der Solarzellen entwickelt wurde, ist eine Galliumarsenid-Solarzelle, die ein Substrat aus n-Galliumarsenid aufweist, auf das eine Schicht aus p-Galliumaluminiumarsenid epitaxial aufgebracht ist. Ein solches Element ist beispielsweise in einem von J. DuBow verfaßten Artikel in Electronics, Band 4-9, Nr. 23, 11. November 1976, Seite 89_T gezeigt. Ein anderes derartiges Element wurde von H. J. Hovel u.a. beschrieben in einem Aufsatz mit dem Titel "Ga_x. Al As - PPN Heterojunction Solar Cells" in Journal of the Electrochemical Society, September 1973, Seiten 1246 bis 1252, und der Inhalt beider Aufsätze wird durch diese Bezugnahme zum Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht.

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Während der oben beschriebene Typ einer Galliumarsenid-Galliumaluminiumarsenid-Solarzelle sich als relativ wirkungsvolles Bauelement und als im allgemeinen in verschiedener Hinsicht zufriedenstellend erwiesen hat, erfordert es dennoch zu seiner Herstellung als Ausgangsmaterial ein Substrat aus relativ dickem massivem Galliumarsenid. Dieses Erfordernis ist teilweise verantwortlich für die hohen Herstellungskosten dieser Solarzellen als Ergebnis der hohen Kosten des Galliums. Es ist jedoch gut bekannt, daß größere Anstrengungen bei der Erforschung der Silicium- und Galliumarsenid-Solarzellen ständig unternommen werden, um die Herstellungskosten der Solarzellen durch Erreichen einer hohen Ausbeute und durch Herstellungsverfahren, die die Verarbeitung großer Mengen ermöglichen, zur wirtschaftlichen Herstellung dieser Solarzellen zu verringern.

Zusätzlich zu den obengenannten Anstrengungen zur Verringerung der Kosten der Solarzellen bestehen auch ständige Anstrengungen zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Energieumwandlung dieser Zellen. In dieser Hinsicht wurde bemerkt, daß das Fenstermaterial aus Galliumaluininiumarsenid der oben beschriebenen bekannten Galliumarsenid-Galliumaluminiumarsenid-Solarzelle hinsichtlich der Transmission des blauen Spektralbereichs des Sonnenlichts etwas beschränkt ist. Dies ist natürlich für den maximal erreichbaren Wirkungsgrad dieser Zellen und für die letztendlich erreichbare Kostenverminderung von Solarzellenanordnungen mit großen Abmessungen ein beschränkender Paktor.

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Der Erfindung liegt die allgemeine Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Galliumarsenid-Solarzelle und ein Herstellungsverfahren für diese zu schaffen, wobei nicht nur die zur Herstellung von Solarzellen benötigte Menge von Gallium stark reduziert wird, sondern gleichzeitig die Transmission des blauen Spektralbereichs des Sonnenlichts bei der Sonnenzelle im Vergleich zu den oben beschriebenen bekannten Galliumarsenid-Galliumaluminiumarsenid-Zellen verbessert ist.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs geschilderten Halbleiter-Solarzelle dadurch gelöst, daß eine dünne Schicht von n-Galliumarsenid auf einer Substratschicht vom p-Typ aufgebracht ist, die aus der Stoffgruppe bestehend aus Aluminiumphasphidantimonid, Aluminiumarsenid, Aluminiumindiumphosphid, Bornitrid und Aluminiumnitrid ausgewählt ist, wobei das Substrat für ein benachbartes Gebiet der Galliumarsenidschicht eine p-Dotierung ergibt, wodurch der pn-übergang gebildet ist, und als lichtdurchlässige Fensterschicht mit großem Bandabstand für die Zelle dient.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Substratmaterial vom p-Typ vorgesehen, das aus der Gruppe ternärer III-V-Halbleiterverbindungen bestehend aus Aluminitmiphosphidantimonid und Aluminiumindiumphosphid, ausgewählt ist, vorgesehen. Dieses Substrat wird dann

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einem Epitaxial-AbIagerungsverfahren unterworfen, bei dem eine dünne einheitliche Schicht vom η-Typ von Galliumarsenid zu einer vorbestimmten Dicke anwächst, typischerweise in der Größenordnung von ungefähr 1/um. Während dieses Schritts des epitaxialen Wachstums diffundiert eine Verunreinigung (zum Beispiel Aluminium) vom p-Typ im Substrat in einen Teil der dünnen Epitaxialschicht vom η-Typ, um die Leitfähigkeit dieses Abschnitts in eine p-Leitfähigkeit zu verwandeln und somit den erforderlichen fotoelektrischen pn-übergang für die Zelle zu bilden. Schließlich werden Techniken zur Abscheidung einer Metallisierung und zur Abscheidung eines reflexions vermindernden Überzugfilms verwendet, um die erforderliche Kontaktmetallisierung an der Vorderseite und Rückseite zur Ableitung der Energie aus dem Bauelement zu schaffen und um auch die notwendige reflexions vermindernde Beschichtung auf dessen Fensterschicht vom p-Typ zu schaffen.

Die Fensterschicht für dieses Bauelement ist das Substrat vom p-Typ anstatt der Epitaxieschicht bei den bekannten Bauelementen.

Man erkennt somit leicht, daß das Erfordernis für das teure Element Gallium wesentlich reduziert worden ist auf diejenige Menge, die zur Bildung einer dünnen Epitaxialschicht aus Galliumarsenid, typischerweise mit einer Dicke von 1 bis 5 Mikrometer, benötigt wird, anstatt eines viel dickeren Substrats aus Galliumarsenid, typischerweise mit einer Dicke von 200 Mikrometer oder mehr.

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Gleichzeitig verbessert die Verwendung des oben beschriebenen Substrat-Fenstermaterial vom p-Typ, das eine höhere Energie der verbotenen Zone als Galliumaluminiumarsenid aufweist, wesentlich den Wirkungsgrad der Energieumwandlund der Solarzelle durch Verbesserung der Transmission des blauen Spektralbereichs des Sonnenlichts zu dem pn-Übergang des Bauelements. Es wird somit der Wirkungsgrad der Solarzelle gesteigert und gleichzeitig werden die Herstellungskosten vermindert.

Die Erfindung schafft somit eine neue und verbesserte Galliumarsenid-Solarzelle und ein Herstellungsverfahren für diese.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Galliumarsenid-Solarzelle einen verbesserten Wirkungsgrad der Energieumwandlung im Vergleich zu bekannten Galliumarsenid-Solarzellen hat.

Von Vorteil ist auch, daß die erfindungsgemäße Solarzelle in Massen hergestellt werden kann unter geringeren Herstellungskosten als die bekannten Solarzellen, die ein Substrat aus Galliumarsenid als Ausgangsmaterial für das Verfahren haben.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, daß die Galliumarsenid-Solarzelle eine gute Kristallgitteranpassung zwischen den verschiedenen Schichten, die die Zelle bilden, zeigt.

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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, daß die verbesserte Solarzelle ein Fenstermaterial mit einem weiten Bandabstand hat, der eine gute Transmission des blauen Spektralbereichs des Sonnenlichts zu dem pn-übergang des Bauelements gestattet.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß ein absolutes Minimum des teuren Elements Gallium bei der Herstellung dieser Solarzellen benötigt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein.

Fig. 1, 2 und 3 zeigen schematisch eine bevorzugte Verfahrensabfolge zur Durchführung der Erfindung; und

Fig. 4 ist eine isometrische Ansicht des fertigen Aufbaus der Solarzelle nach Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein Ausgangsmaterial für ein Substrat 10 vom p-Typ gezeigt, das vorzugsweise entweder aus AIuminiumphosphidantimonid oder Aluminiumindiumphosphid besteht und das mit einer Verunreinigung vom p-Typ

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wie Be oder Ge geeignet dotiert ist. Das Substrat 10 wird typischerweise eine Dicke von der Größenordnung von 200 bis 250 Mikrometer aufweisen und hat einen großen Bandabstand, größer als 2 eV, um eine gute Lichttransmission zum pn-übergang der Solarzelle zu schaffen. Zusätzlich ist die Zusammensetzung des Substrats 10 vom p-Typ so eingestellt, daß eine gute Kristallgitteranpassung für die dünne Epitaxialschicht 12 aus n-Galliumarsenid vorhanden ist, das auf der oberen Fläche des Substrats abgeschieden wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

Vorzugsweise wird das Verfahren zur Epitaxialabscheidung, das zur Bildung der dünnen Schicht 12 vom η-Typ verwendet wird, unter Verwendung der im US-Patent 4- 026 735 beschriebenen Techniken durchgeführt, die von einem vertikal verschiebbaren Graphitstab und dem Wachstum in einer gesättigten Lösung Gebrauch machen. Die Epitaxialschicht aus Galliumarsenid wird typischerweise eine Dicke von 1 bis 5 Mikrometer haben und wird einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von ungefähr 10~jflcm haben. Während des Verfahrensschritts des epitaxialen Wachstums zur Bildung der Schicht 12 wird eine Verunreinigung vom p-Typ wie Germanium oder Beryllium vom Substrat 10 in einen Abschnitt 13 der Epitaxialschicht diffundiert, um in ihr den pn-übergang 14 zu bilden, wie in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Verglichen mit dem relativ seltenen und teuren Element Gallium, das für übliche Ausgangsmaterialien für ein GaAs-Substrat benötigt wird, ist Aluminium ein weithin

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verfügbares und billiges Element. Daher verringert die Verwendung von Aluminium als ein wesentliches Element der Halbleiterverbindung für das Substrat (anstatt von Gallium) die Herstellungskosten für die Solarzellen im Vergleich mit den Kosten für bekannte Verfahren stark, die G-alliumarsenid-Substrate als Ausgangsmaterial für das Verfahren verwenden.

Die Struktur in Fig. 2 wird dann zu einer üblichen Station zur Abscheidung von Ohmschen Kontakten gebracht, in der eine Kontaktschicht 16 vom η-Typ, zum Beispiel eine Gold-Germanium-Nickel-Legierung auf die exponierte Oberfläche der Epitaxialschicht 12 aufgedampft wird. Fingerähnliche Elektroden 18 einer Metallisierung vom P-Typ» zum Beispiel eine Gold-Zink-Gold-Legierung, werden dann abgeschieden, wobei bekannte und geeignete Techniken der Widerstandsmaskierung verwendet werden, um nur ausgewählte Flächen der exponierten Oberfläche der Fensterschicht 10 vom p-Typ zu überziehen. Eine geeignete Antireflex-Beschichtung 20, beispielsweise Tantaloxid, Τ&ο^5 wird zwischen den Elektrodengliedern abgeschieden, wie in Fig. 3 gezeigt ist, und hat üblicherweise einen Brechungsindex von ungefähr 2,1. Endlich wird die Struktur von Fig. 3 in geeignetem Quarzglas (nicht dargestellt) eingekapselt und dieses Deckglas wird vorzugsweise eine Beschichtung von Magnesiumfluorid, MgFp, auf seiner Oberfläche aufweisen, um die Lichtreflexion an der Außenseite des Bauelements zu minimieren.

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Die Struktur von Fig. 3 kann, wie in Fig. 4 gezeigt ist, auf einem geeigneten metallischen leitenden Tragteil 22, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, angeklebt werden, und bei der praktischen Verwirklichung werden viele dieser Solarzellenstrukturen in Serie und parallel auf einem viel größeren Tragteil (nicht dargestellt) bei der Herstellung von großen Solarzellenanordnungen, die für die Gewinnung von relativ großen Beträgen elektrischer Energie arbeiten, befestigt.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung können verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden, ohne aus dem Schutzbereich zu geraten. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen ternären III-V-Substrat-Fenstermaterialien AIuminiumphosphidantimonid und Aluminiumindiumphosphid beschränkt, und sie kann auch hergestellt werden unter Verwendung von anderen Aluminium enthaltenden ternären oder binären III-V-Verbindungen, wie zum Beispiel AIuminiumarsenid oder Aluminiumphosphid. Es kann auch eine Epitaxie aus der Dampfphase (VPE) verwendet werden anstatt der Epitaxie aus der flüssigen Phase, um die dünne Schicht 12 aus GaAs, die oben beschrieben wurde, zu bilden.

Die folgenden Werte für das Verfahren und die Materialien sind für ein einziges Verfahren und eine einzige Ausführungsform eines Bauelements der vorliegenden Erfindung anwendbar, bilden jedoch keine Beschränkung der Erfindung.

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TC

Beispiel

Ein Substrat aus einem mit Beryllium dotierten Aluminiumphosphidantimonid der Zusammensetzung AIPq 05^0 75 ^w^^r^· am Anfang gereinigt und poliert, wobei übliche Techniken für die Verarbeitung von Halbleiterplättchen verwendet werden, und wird dann in einer gesättigten Lösung von Galliumarsenid in Gallium untergetaucht, wobei die oben angegebenen Techniken des US-Patents 4 026 735 der Epitaxialablagerung unter Verwendung eines vertikal verschiebbaren Stabs verwendet werden. Die Konzentration der Be-Dotierung in dem AlP_n _Of-Sb_n „,--Substrat ist vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 10 Atomen pro cm⁵, und die Lösung von GaAs in Ga wird zu Beginn entweder mit Te oder mit Sn auf eine Konzentration von ungefähr 10 ' Atomen pro cm* oder größer dotiert. Während dieses Epitaxie-Wachstumsprozesses mit flüssiger Phase (LPE) wächst eine 5 Mikrometer dünne Epitaxialschicht aus N-GaAs mit einem spezifischen Widerstand von 10~<0cm auf dem AIPq 2R^Sbo nc-Svhstrat vom p-Typ, wobei das Substrat einen Bandabstand von größer als 2,3 eV hat. Durch Verminderung der ursprünglichen Lösungswachsturnstemperatur von ungefähr 750 °C oder mehr mit einer Rate von ungefähr 0,2 ⁰G pro Minute für ungefähr 5 Minuten kann man eine dünne Schicht von n-GaAs von ungefähr 5 Mikrometer Dicke auf dem Be-dotierten Aluminiumphosphidantimonid-Substrat wachsen lassen, und die Te- oder Sn-Dotierung von η-Typ der Lösung von GaAs in Ga liefert einen pn-übergang in der dünnen GaAs-Epitaxialschicht bei einer Tief© von zwischen 0,2 und 0,5 Mikrometer von

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der Substrat-Epitaxialschicht-Grenzflache. Nach der Bildung der grundlegenden pn-Übergangsstruktur, die oben beschrieben wurde, werden die Kontakt- und Überzugsschichten 16, 18 und 20 von Fig. 3 und 14 an ihren Außen flächen angeordnet, wobei übliche Metallisierungstechniken verwendet werden.

Als Alternative zum oben beschriebenen Substrat aus Aluminiumphosphidantimonid im obigen Beispiel kann als Ausgangsmterial für das Substrat ein Substrat aus AIuminiumindiumphosphid mit der Zusammensetzung AIq ^In« ^q und mit einem Bandabstand von mehr als 2 eV verwendet werden. Zusätzlich können anstelle jeder der obengenannten Aluminium enthaltenden ternären Verbindungen Ausgangssubstratmaterialien aus anderen binären Verbindungen wie zum Beispiel Aluminiumnitrid oder Bornitrid gesetzt werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Das heißt, entweder das Al oder das B in den zuletzt genannten binären Verbindungen würde die erforderliche p-Leitfähigkeit des Substrats für die nachfolgende Umwandlung in die η-Leitfähigkeit durch di® Sn- oder Te-Dotierung der Lösung von GaAs in Ga ergeben» Weiterhin kann die Verwendung von B und N zusätzlich zu Al in dem Äusgangssubstratmaterial zu einer- höheren Energie der verbotenen Zone des Substrats führen, als die d@r oben beschriebenen ternären Verbindungen» Es sollte jedoch eine gute Anpassung des Kristallgitters zwischen der alternativen binären Verbindung für das Substrat-Fensteriaaterial und der darauf

abgeschiedene GaAs-Epitaxialschicht aufrecht erhalten werden für eine maximale Leistung der Solarzelle. So macht der weltumfassende Überfluß an B und N die oben beschriebenen Substrat-Fenstermaterialien aus binären Verbindungen wirtschaftlich attraktiv für die Fabrikation von Solarzellen bei niedrigen Kosten aus den gleichen Gründen, wie der Überfluß an Al die Aluminium enthaltenden tertiären Verbindungen für diese Herstellung attraktiv macht.

Es wurde eine Halbleiter-Solarzelle und ein Fabrikationsverfahren für diese beschrieben, wobei eine dünne Schicht aus n-Galliumarsenid auf eine größere Substratschicht vom p-Typ abgeschieden wird, die aus der Gruppe von ternären III-V-Verbindungen bestehend aus Aluminiumphosphidantimonid, AlPSb, und Aluminiumindiumphosphid, AlInP ausgewählt ist. Verunreinigungen vom p-Typ werden von der Substratschicht in einen Teil der dünnen Schicht aus n-Galliumarsenid diffundiert, um in dieser ein Gebiet vom p-Typ zu bilden, was einen pn-übergang in der dünnen Galliumarsenid-Schicht bestimmt. So wird die Menge an Galliumarsenid, die benötigt wird, um diese fotoelektrische pn-Übergangsschicht in der Zelle zu bilden, minimiert, und das Substrat vom p-Typ dient als Fensterschicht mit hohem Bandabstand für die Zelle. Ein derart hoher Bandabstand dieses Fenstermaterials ist besonders gut geeignet für eine wirkungsvolle Übertragung des blauen Spektralanteils des Sonnenlichts zu dem pn-übergang, und so wird der Wirkungsgrad der Energieumwandlung in der Solarzelle erhöht.

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Mo

L e e r s e i ί e

Claims

Patentansprüche

1. Halbleiter-Solarzelle mit einem in Galliumarsenid gebildeten fotoelektrischen pn-übergang zur Energieerzeugung aus auf die Zelle fallendem Licht, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Schicht (12) von n-Galliumarsenid auf einer Substratschicht (10) vom p-Typ angeordnet ist, die aus der Stoffgruppe bestehend AIuminiumphosphid, Aluminiumphosphidantimonid, Aluminiumarsenid, Aluminiumindiumphosphid, Bornitrid,und Aluminiumnitrid ausgewählt ist, wobei das Substrat (10) für ein benachbartes Gebiet der Galliumarsenidschicht (12) eine p-Dotierung ergibt, wodurch der pn-übergang (1²I-) gebildet ist, und als lichtdurchlässige Fensterschicht mit großem Bandabstand für die Zelle dient.

2. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche des Substrats (10) einer gesättigten Lösung von Galliumarsenid in Gallium für eine vorbestimmte Zeit bei einer vorbestimmten Temperatur der Lösung ausgesetzt wird, um die Galliumarsenidschicht (12) auf dem Substrat (10) zu bilden und eine Verunreinigung vom p-Typ aus dem Substrat in das benachbarte Gebiet (13) der Galliumarsenidschicht (12) zur Bildung des fotoelektrischen pn-Übergangs (1A-) diffundieren zu lassen.

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ORIGINAL INSPEGTED

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zur Steuerung der Dicke der Galliumarsenidschicht mit einer kontrollierten Geschwindigkeit verringert wird.

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