DE3015706A1 - Solarzelle mit schottky-sperrschicht - Google Patents
Solarzelle mit schottky-sperrschichtInfo
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Description
Die Erfindung "betrifft eine Solarzelle mit Schottky-Sperrschicht,
in der ein aus Halbleitermaterial, vorzugsweise aus hydriertem, amorphem Silizium, insbesondere mit Zonen
unterschiedlicher Leitfähigkeit, bestehender Körper mit einer ersten Hauptfläche an einem elektrisch leitenden
Substrat ohmisch kontaktiert ist und mit seiner der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden Hauptfläche an eine mit ihm
eine Schottky-Sperrschicht bildende Schicht angrenzt. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Vergrößern
der Leerlaujgpannung einer solchen Schottky-Sperrschicht-Solarzelle
mit einem Halbleiterkörper, insbesondere aus hydriertem, amorphem Silizium, bei dem ein elektrisch
leitendes Substrat mit dem Halbleiterkörper ohmisch kontaktiert und auf letzteren eine Platin-Schicht aufgebracht
wird ο
Mit Hilfe photovoltaischer Bauelemente, z.B. Schottky-Sperrschicht-Solarzellen,
kann Sonnenstrahlung in brauchbare elektrische Energie umgewandelt werden. Die Energieumwandlung erfolgt durch den bei Solarzellen bekannten
photovoltaischen Effekt. Eine Solarzelle besteht beispielsweise aus einem leitenden Substrat einer ohmisch darauf
kontaktierten Schicht aus Halbleitermaterial und einer mit der Halbleiterschicht einen Sperrkontakt bildenden
Schottky-Sperrschicht. Wenn Sonnenstrahlung auf eine solche Solarzelle fällt, wird sie in der Halbleiterschicht
absorbiert und erzeugt Elektronen und Löcher. Die Elektronen und Löcher werden durch ein in derßolarzelle zwisehen
der Schottky-Sperrschicht und dem aktiven Körper aus Halbleitermaterial eingebautes elektrisches Feld
getrennt. Die in der Schottky-Sperrschicht erzeugten Elektronen fließen in Richtung auf den N-leitenden Halbleiterkörper
und werden dort gesammelt. Das Trennen von Elektronen und Löchern ergibt einen elektrischen Strom,,
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Ein Grundtyp einer solchen Solarzelle wird in der US-PS 40 64 521 beschrieben. Danach wird der Schottky-Übergang
zwischen einer Metallschicht hoher Austrittsarbeit, z.B. Platin, und einer eigenleitenden Schicht
aus hydriertem, amorphem Silizium gebildet. Die Größe der durch die Solarzelle zu erzeugenden Leerlaufspannung
hängt unter anderem von der Höhe des Potentialwalls zwischen dem Halbleiterkörper und dem Schottky-Sperrschichtmetall
ab„ Bei bisherigen Schottky-Sperrschicht-Solarzellen
auf der Basis von hydriertem, amorphem Silizium ist ferner ein aufwendiger Elektronenstrahl-Verdampfer
zum Niederschlagen der (SchottkyMetallschicht erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle mit vergrößerter Leerlaufspannung zu schaffen, wobei insbesondere
die Höhe des Potentialwalls an der Sperrschicht
vergrößert werden soll. Außerdem wird angestrebt, den Aufwand zum Aufbringen, insbesondere Aufdampfen der Sperrschicht,
insbesondere Metallschicht, herabzusetzen. Für die Solarzelle eingangs genannter Art besteht die erfindungsgemäße
Lösung darin, daß die Schottky-Sperrschicht aus Tellur besteht. Bei dem Verfahren zum Vergrößern der
Leerlaufspannung einer Schottky-Sperrschicht-Solarzelle
mit einem Halbleiterkörper und mit an dessen die Schottky-Sperrschicht enthaltenden Seite vorgesehener Platinschicht
wird erfindungsgemäß zwischen die Platinschicht und den
Halbleiterkörper eine Tellurschicht eingefügt.
Eine erfindungsgemäß verbesserte Solarzelle enthält
daher eine den Körper aus Halbleitermaterial unmittelbar kontaktierende Schicht aus Tellur, die eine Schottky-Sperrschicht
mit dem Halbleiterkörper bildet. Durch
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die kombinierte Wirkung von relativ kleiner Breite des verbotenen Bandes bei Tellur und erhöhtem Potentialwall
zwischen dem Halbleiterkörper und dem Tellur im Verhältnis zum Fall bei Platin werden der Reihenwiderstand der
Zelle und deren Leerlaufspannung erhöht. Ein weiterer
Vorteil der Tellurschicht besteht darin, daß sie einfach durch Verdampfen von Tellur bei Temperaturen in der Größenordnung
von 500 bis 60O0C in einem praktisch evakuierten Raum auszuführen ist. Eine aufwendige Kathodenzerstäubung
oder Elektronenstrahl-Verdampfung ist also in diesem Zusammenhang nicht erforderlich.
Anhand der schematischen Darstellung eines Schnitts durch eine Solarzelle werden weitere Einzelheiten der Erfindung
erläutert.
In der Zeichnung wird eine insgesamt mit 10 bezeichnete Schottky-Sperrschicht-Solarzelle im Schnitt dargestellte
Obwohl die Solarzelle unter Verwendung von Halbleitermaterialien, wie einkristallinem Silizium, polykristallinem
Silizium, Galliumarsenid, Kadmiumselenid, Kadmiumsulfid und ähnlichem, die eine Schottky-Sperrschicht mit Tellur
bilden, hergestellt werden kann, wird die Erfindung anhand der Figur für eine Solarzelle mit hydriertem, amorphem
Silizium als Halbleitermaterial beschrieben. Auf die Solarzelle 10 auftreffende Sonnenstrahlung 100 ist der Bezugspunkt
für die Einfall-Fläche jeder Schicht oder Zone der Solarzelle.
Zu der Solarzelle 10 gehört ein Substrat 12 aus elektrisch gut leitendem Material, welches einen ohmischen Kontakt
mit dem Körper 14 aus hydriertem, amorphem Silizium bildet.
Beispiele geeigneter Substratmaterialien sind Aluminium, Chrom, rostfreier Stahl, Niob, Tantal, Eisen, Molybdän,
Titan, Indiumzinnoxid auf Glas mit Indiumzinnoxid als leitendes Material und ähnliches.
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Der Körper 14 aus hydriertem, amorphem Silizium besitzt Zonen 14a und 14b unterschiedlicher Leitfähigkeit.
Hergestellt wird der Körper 14 beispielsweise durch Glimmentladung gemäß US-PS 40 64 521 und 41 42 195 sowie
US-PS 41 96 438.
Die an das Substrat angrenzende und darauf aufgebrachte Zone 14a ist N -leitend dotiert. Das Bauelement kann auch
ohne die Zone 14a hergestellt werden, diese N+-Zon.e 14a
stellt jedoch einen ohmischen Kontakt zum leitenden Substrat 12 sicher. Die Zone 14a kann eine Dicke von bis zu etwa 1000
Wanometern (mn) besitzen, wenn das Substrat 12 eine rauhe
Oberfläche hat, vorzugsweise soll die Dicke aber in der Größenordnung von etwa 10 bis 50 nm liegen. Die Zone 14b
besteht aus eigenleitendem, hydriertem, amorphem Silizium und grenzt an die Zone 14a an. Durch Glimmentladung in einem
dotierstofffreien System hergestelltes eigenleitendes,
hydriertes, amorphes Silizium ist tatsächlich schwach N-leitend. Die Zone 14b besitzt eine Dicke von etwa 200
bis etwa 1000 nm, vorzugsweise etwa 400 nm. Die Dicke der Zone 14b soll so eingestellt werden, daß sie in etwa
gleich der Stärke der während der Beleuchtung bei Null-Vorspannung durch die Solarzelle erzeugten Raumladungszone
zuzüglich der Löcher-Diffusionslänge im Bauelement wird.
Auf den Körper 14 wird eine Schottky-Sperrschicht 16 aus Tellur aufgebrachte Die Tellurschicht wird bis zu einer
Dicke von etwa 5 nm bis etwa 25 nm, vorzugsweise bis zu einer Dicke von weniger als etwa 10 nm aufgedampft. Tellur
ist ein.Halbleitermaterial mit einer geringen Breite des verbotenen Bandes von etwa 0,32 eV bei Zimmertemperatur.
Aus diesem Grunde wirkt Tellur wie ein Metall und bildet keinen Hetero-Übergang mit dem amorphen Silizium-Körper
14. Durch die geringe Breite des verbotenen Bandes von
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Tellur wird es möglich, einen Film mit geringerem Reihenwiderstand
als bei echtem Halbleitermaterial, wie z.B. Kadmiumtellurid, welches einen Bandabstand von etwa 1,4 eV
hat, oder Silizium und Galliumarsenid mit Bandabständen von 1,1 eV bzw. 1,5 eV, herzustellen. Tatsächlich ergibt
sich, ohne daß hierfür bisher eine genaue Begründung bekannt ist, daß die eine mit der Austrittsarbeit von Platin
vergleichbare Austrittsarbeit aufweisende Tellurschicht 16 einen besseren Kontakt zum Körper 14 liefert und den Potentialwall
erhöht, wodurch sich eine Vergrößerung der Leerlaufspannung der Solarzelle 10 ergibt.
Vorzugsweise wird auf die Tellurschicht 16 eine transparente
Metallschicht oder eine andere transparente Leiterschicht nach bekannten Verfahren, z.B. durch Aufdampfen oder durch
Elektronenstrahl-Zerstäubung, aufgebracht. Für die Leiterschicht 18 kommen beispielsweise Platin, Gold, Aluminium,
Indium, PtSiO„-Metallkeramik, Indiumzinnoxid und ähnliche Materialien in Frage, die einen ohmschen Kontakt mit der
Tellurschicht bilden und einen kleinen Flächenwiderstand besitzen sowie nicht störend mit Tellur reagieren. Die
Schicht 18 ist im Ausführungsbeispiel etwa 2 bis 20 nm dick. Bei hydriertem, amorphem Silizium wird durch die Kombination
der Schichten 18 und 16 die Leerlaufspannung gegenüber dem
Fall herkömmlicher Platin-Schottky-Sperrschicht-Solarzellen vergrößert.
Gemäß Ausführungsbeispiel wird die Schicht 16 oder, falls in der Solarzelle 10 vorhanden, die Schicht 18 mit einer
aus einem elektrisch gut leitenden Material bestehenden Gitterelektrode 20 ohmisch kontaktiert. Die Gitterelektrode
20 nimmt dabei nur einen kleinen Teil der Oberfläche der Solarzelle 10 ein, z.B. etwa 5 bis 10%, weil
auf die Gitterelektrode 20 auffallende Sonnenstrahlung
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100 von dem Körper 14 wegreflektiert werden könnte. Der
Zweck der Gitterelektrode 20 "besteht darin, den entweder in der Schicht 16 oder in der Schicht 18 anfallenden Strom
gleichmäßig zu sammeln. Durch die Gitterelektrode 20 wird ein niedriger Serienwiderstand der Solarzelle 10 sichergestellt.
Mit abnehmender Größe bzw. Fläche der Solarzelle besteht ein geringerer Bedarf für die Gitterelektrode. Bei einer
kleinen Solarzelle genügt eine transparente, leitende Oxidschicht 22 zum Abziehen des bei Betrieb der Solarzelle
10 erzeugten Stromsβ Die Oxidschicht 22 kann dabei
auch zugleich als Antireflexionsschicht, d.h. doppelt wirken und soll einen Flächenwiderstand von weniger als
etwa 10 Ohm/Quadrat besitzen. Im Ausführungsbeispiel wirkt die transparente leitende Oxidschicht 22 als Antireflexionsschicht
und als Ergänzung zur Gitterelektrode 20. Das transparente, leitende Oxid kann aus Zinnoxid, Indiumzinnoxid,
Kadmiumstannat und ähnlichem Material bestehen. Die vorbeschriebene Solarzelle kann unter anderem nach
JöLgendem Verfahren hergestellt werden:
Der hydrierte, amorphe Siliziumkörper wird durch Glimmentladung, d.h. durch elektrische Entladung durch ein Gas
relativ niedrigen Drucks von z.B. etwa 7 mbar oder weniger, hergestellt. Als Energiequelle für die Entladung kommen
Hochfrequenz, Wechselstrom, Gleichstrom-Kathodenentladung oder Gleichstrom-Nahentladung in Frage. Unter Gleichstrom-Nahentladung
wird eine Gleichstrom-Entladung verstanden, bei der das Substrat nahe bzw. in der Nachbarschaft der
Kathoden-Schirmelektrode angeordnet wird. Die N+-Zone wird durch Hinzufügen eines passenden N-Dotierstoffs,
Z0B. Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Zäsium, Natrium oder ähnliche, zu der Silizium und Wasserstoff enthaltenden
Atmosphäre beim Niederschlagen gebildet.
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Nach dem Niederschlagen des hydrierten, amorphen Siliziumkörpers kann das Bauelement gegebenenfalls in Formiergas
(80% Stickstoff und 20% Wasserstoff) oder in einer Atmosphäre von 90% Stickstoff und 10% Wasserstoff für mehrere Minuten
bis zu einer Stunde und bei etwa 150 bis 4000C wärmebehandelt
werden. Mit zunehmender Temperatur sollten kürzere Behandlungszeiten angewendet werden, um ein Entgasen des
Körpers 14 bezüglich seines Wasserstoffgehalts auszuschließen.
Durch die Wärmebehandlung werden vermutlich Fehler beseitigt, die beim Niederschlagen der verschiedenen Schichten
bzw. Filme entstehen können0
Wenn auch zuvor auf die Herstellung von hydriertem, amorphem Silizium als Halbleitermaterial Bezug genommen wurde, so
kann der Halbleiterkörper selbstverständlich auch aus anderen N-leitenden Halbleitern und/oder mit Hilfe anderer
Verfahren, z.B. durch Epitaxie, durch Czochralsky-Kristallziehen, durch reaktives Abscheiden aus der Gasphase usw.
hergestellt werden» Der Fachmann weiß, daß und wie die Schichtdicken im Halbleiterkörper in Abhängigkeit von dem
Herstellungsverfahren und/oder dem verwendeten Material variieren können.
Die Tellurschicht wird auf den Körper dadurch aufgebracht, daß Tellur in einem beständigen Schiffchen, z.B. in einem
Schiffchen aus mit Tonerde beschichtetem Molybdän, auf eine Temperatur von etwa 500 bis 600 C bei einem Druck
von etwa 0,1 bis 0,01 Mikrobar (etwa 10 bis 10"^ Torr),
erhitzt wird. Das Substrat mit dem Halbleiterkörper kann während des Aufdampfens auf Umgebungstemperatur oder auf
einer erhöhten Temperatur gehalten werden0
Die Gitterelektrode und die anderen Schichten werden nach üblichen Methoden, z.B. durch Aufdampfen hergestellt.
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Anhand des im folgenden beschriebenen Beispiels wird die
Erfindung noch näher erläutert:
Ein Substrat aus rostfreiem Stahl mit darauf befindlicher N+-Zone aus hydriertem, amorphem Silizium mit einer Dicke
von etwa 640 nm und einer an die N -Zone angrenzenden Zone aus eigenleitendem, hydriertem, amorphem Silizium
mit einer Dicke von etwa 440 nm, wobei der Wasserstoffgehalt der eigenleitenden Zone etwa 30 Atom-% betrug,
wurde in ein Aufdampfgerät gesetzt. Der Druck in dem Gerät
wurde auf etwa 0,13 Mikrobar reduziert und ein mit Tonerde beschichtetes, Tellur enthaltendes Molybdän-Schiffchen
wurde auf etwa 300 bis 3250C erhitzt. Das
Substrat mit der hydrierten, amorphen Siliziumschicht befand sich gleichzeitig auf Zimmertemperatur, d.h„ auf etwa
2O0C. Ein Teil der hydrierten, amorphen Siliziumschicht
wurde abgedeckt, um ein Bedampfen mit Tellur an dieser Stelle auszuschließen. Auf den unbedeckten Teil der
hydrierten, amorphen Siliziumschicht wurden 6 Tellurflecke mit einer Dicke von etwa 10 nm in etwa 10 bis 15 Sekunden
aufgedampft. Anschließend wurde Platin durch Elektronenstrahl-Zerstäubung auf die Tellurflecke gedampft und
gleichzeitig sechs weitere Platinflecke durch Elektronenstrahl-Zerstäuben auf andere, vorher abgedeckte Teile der
Siliziumschicht aufgebracht. Für die Elektronenstrahl-Zerstäubung wurde ein Elektronenstrahl-Verdampfer vom
Typ "Denton Model DEG-801" verwendet. Die Dicke des aufgebrachten
Platins betrug etwa 5 bis 10 nm. Anschließend wurden die zwölf Flecke beleuchtet, und es wurde die
Leerlaufspannung jedes der Flecken gemessen. Die durchschnittliche Leerlaufspannung der sechs Tellur-Platin-Solarzellen
betrug etwa 670 -13 Millivolt, während diejenige der Solarzellen mit reiner Platin-Sperrschicht
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etwa "bei 613-4 Millivolt lag. Die Kurzschlußströme der
zwölf Solarzellen betrugen etwa 3 mA/cm . Durch die Vergrößerung der Kurzschlußspannung bei den Tellur-Kontakten
im Verhältnis zu den früheren Platin-Kontakten wird der Wirkungsgrad der Solarzelle um etwa 9,3% erhöht.
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Claims (1)
- Dn.-lng. Reimap König ■ Dipl.-lng. Klaus Bergen Cscilienallee 76 Λ Düsseldorf 3O Telefon 452QOS Patentanwälte"3ΊΠ570623. April I98O 33 394 BRCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N0Y0 10020 (V0St.A0)"Solarzelle mit Schottky-Sperrschicht" Patentansprüche;/10 Solarzelle mit Schottky-Sperrschicht, in der ein aus Halbleitermaterial, vorzugsweise aus hydriertem, amorphem Silizium, insbesondere mit Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit, bestehender Körper mit einer ersten Hauptfläche an einem elektrisch leitenden Substrat ohmisch kontaktiert ist und mit seiner der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden Hauptfläche an eine mit ihm eine Schottky-Sperrschicht bildende Schicht angrenzt, dadurch gekennzeichnet , daß die Schottky-Sperrschicht aus Tellur (16) besteht»Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Tellurschicht (16) eine Dicke von etwa 5 bis 25 Nanometern hatoο Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der vorzugsweise aus hydriertem, amorphem Silizium bestehende Halbleiterkörper (14) zwei Zonen (14a, 14b) unterschiedlicher Leitfähigkeit aufweist.030045/084?-Z-4. Solarzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 Ms 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiterkörper (14) eine N+-leitende Zone (i4a) und eine eigenleitende Zone (I4b), vorzugsweise aus hydriertem, amorphem Silizium, aufweist und daß die N+-leitende Zone (i4a) das Substrat (12) und die eigenleitende Zone (14b) die Tellurschicht (16) kontaktieren.5. Solarzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Tellurschicht (16) von einer transparenten Metall- oder sonstigen Leiterschicht (18) kontaktiert ist.6. Solarzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die transparente Metalloder Leiterschicht (18) aus Platin, Aluminium, Indium, Gold, PtSiOp und/oder Indiumzinnoxid besteht.7. Verfahren zum Vergrößern der Leerlaufspannung einer Schottky-Sperrschicht-Solarzelle mit einem Halbleiterkörper, insbesondere aus hydriertem, amorphem Silizium, bei dem ein elektrisch leitendes Substrat mit dem Halbleiterkörper ohmisch kontaktiert und auf letzteren eine Platin-Schicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen die Platinschicht (18) und den Halbleiterkörper (14) eine Tellurschicht (16) eingefügt wird.8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Tellurschicht (16) durch Erhitzen von Tellur auf etwa 500 bis 6000C bei einem Druck von etwa 1,4 χ 10 bis 1,3 x 10"^ mbar auf den Halbleiterkörper (14) aufgedampft wird.Ö3Ö045/084?
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