DE3032158A1

DE3032158A1 - Solarzelle

Info

Publication number: DE3032158A1
Application number: DE19803032158
Authority: DE
Inventors: Allen William Northampton Mabbitt; Ricardo Simon Northants Sussmann
Original assignee: Plessey Overseas Ltd
Current assignee: Plessey Overseas Ltd
Priority date: 1979-08-30
Filing date: 1980-08-26
Publication date: 1981-04-02
Also published as: FR2464565A1; JPS5664476A

Description

Patentanwälte Dipl. Ing. Hans-Jürgen Müller Dr. rer. cat. Thomas Berendt

Dr.-Ing. Hans Leyh Lucile-Grahn-Straße 38 D 8 München 80

-3-

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

PLESSEY OVERSEAS LIMITED

Vicarage Lane

Ilford, Essex (Großbritannien)

Solarzelle

1300U/10A3

A 14 424 _u Plessey Overseas Limited

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Solarzellen, insbesondere neue Strukturen für Solarzellen auf der Basis von HeteroÜbergängen zwischen amorphen Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken, wie amorphem Silicium und amorphen Legierungen von Silicium und Kohlenstoff.

Es ist bekannt, daß Verbesserungen des Photoeffektes durch Verwendung von HeteroStrukturen erreichbar sind. Ein solches Beispiel ist eine Einrichtung, bei der die vordere Schicht (Fensterschicht) aus einem Material mit einem breiteren Bandabstand besteht und das damit mehr transparent gegenüber Strahlung mit kürzerer Wellenlänge ist. Ein weiterer Vorteil dieser Einrichtung ist die Reduzierung des Sättigungs-Rückstromes und damit eine Verbesserung der Spannung im offenen Stromkreis. Weitere Verbesserungen können erreicht werden mittels eines HeteroÜbergangs (heterojunction) am hinteren Übergang, wodurch ein Gegenfeld (back field) erzeugt wird, wodurch das Auffangen von Trägern gesteigert wird. Bei einer weiteren Einrichtung ist die Bandlücke von einer oder mehr Schichten abgestuft, um dadurch die Fehlanpassung an der Übergangsgrenzfläche zu reduzieren und einen Potentialgradienten über Teile der Zelle zu schaffen, wodurch das Auffangen der Träger verbessert wird.

Photozellen auf der Basis von amorphem Silicium sind bekannt. Typische Zellen haben entweder eine Schottky-Sperrschicht oder p-i-n-Strukturen, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt. In beiden Fällen haben die Zellen jedoch den Nachteil einer kurzen Diffusionslänge, welche das Auffangen der Träger oder

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das Ansammeln von Trägern auf Bereiche mit einem elektrischen Feld begrenzt. Eine weitere Einschränkung ist der Verlust an Strahlung durch Absorption an der obersten p- oder η-Schicht in p-i-n-Zellen oder in der Metallschicht bei Zellen mit Schottky-Sperrschicht. Um diese Verluste herabzudrücken, müssen die vorderen Fensterschichten in diesen Einrichtungen sehr dünn gehalten werden, was jedoch einen hohen Querwiderstand zur Folge hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile, mindestens zum Teil zu beseitigen und auf der Basis von HeteroÜbergängen eine Zelle aus amorphem Silicium und amorphen Legierungen aus Silicium und Kohlenstoff zu schaffen.

Amorphes Siliciumcarbid (Si C₁ ), worin χ zwischen O und 1

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liegt, bildet eine kontinuierliche Reihe von festen Lösungen mit einer Bandlücke, die zunimmt wenn χ abnimmt und zwar auf ein Maximum von etwa 2,6 eV für χ von etwa 0,38. Dieses Material ist damit mehr transparent gegenüber sichtbarem Licht und benachbarter UV-Strahlung als reines amorphes Silicium, und es ist daher gut geeignet als Fenstermaterial, wenn es geeignet dotiert ist, und es schafft eine HeteroÜbergangs struktur - Si C₁ „ -Si.

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Gemäß der Erfindung ist nun eine Solarzelle aus amorphem Silicium vorgesehen mit einer ersten p-Schicht, einer eigenleitenden amorphen Siliciumschicht und einer η-Schicht, in der die p- oder η-Schichten aus amorphem Siliciumcarbid bestehen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Solarzelle aus amorphem Silicium mit einer oberen Schicht aus amorphem Si C₁ mit p-Leitfähigkeit, einer Zwischenschicht aus undotiertem a-Si (ia-Si) und einer unteren Schicht aus amorphem Si (n-a-Si) mit η-Leitfähigkeit auf einem geeigneten Substrat.

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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der

Fig. 1 eine konventionelle Zelle mit Schottky-Sperschicht zeigt.

Fig. 2 zeigt eine konventionelle p-i-n-Sperrschichtzelle.

Fig. 3 zeigt eine erste Solarzelle mit HeteroStruktur nach der Erfindung.

Fig. 4 bis 7 zeigen weitere Solarzellen-Strukturen nach der Erfindung.

Die Zelle nach Fig. 3 kann wie folgt hergestellt werden:

Ein geeignetes Glas oder ein Kunststoff können verwendet werden mit einem leitenden Überzug, der beispielsweise durch Vakuumniederschlag, Aufsprühen, oder chemischen Dampfniederschlag auf einem Metallsubstrat aufgebracht wird.

Eine η-dotierte amorphe Siliciumschicht wird durch Glühentladung bei einer Temperatur zwischen 250 - 400⁰C niedergeschlagen. Ein bevorzugtes Dotierungsmittel ist Phosphor. Alternativ kann Arsen oder Stickstoff verwendet werden. Die Dicke der Schicht beträgt vorzugsweise weniger als 0,1 Mikron. Diese Schicht sollte zweckmäßigerweise dotiert sein, um eine

—3 —1 — 1 Leitfähigkeit von wenigstens 10 0hm cm zu erreichen.

Die zweite Schicht ist eine nicht-dotierte amorphe Siliciumschicht, die ebenfalls durch Glühentladung bei einer Temperatur zwischen 250 - 400⁰C niedergeschlagen wird. Die Dicke liegt vorzugsweise zwischen 1/2 und 1 Mikron.

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Die obere Schicht ist eine Schicht aus p-dotiertem amorphem Siliciumcarbid. Diese wird durch Glühentladung niedergeschlagen unter Verwendung einer Mischung aus Silan, einem Kohlenwasserstoff wie Äthylen und Diboran (Β,Η,) in einer Plasmaentladung bei Temperaturen zwischen 25O°C und 40O⁰C. Andere geeignete Dotierungsmittel, die zu einem Material mit p-Leitfähigkeit führen, können ebenfalls benutzt werden. Hierdurch wird eine Schicht erzeugt, die leitfähig ist und doch mehr transparent als mit Bor dotiertes Silicium, und weil es eine größere Bandlücke hat, entsteht eine Heterostruktur, wodurch die Spannung im offenen Stromkreis erhöht wird (open circuit voltage).

Die Gasmischung wird vorzugsweise so gewählt, daß die fertige Anordnung eine Bandlücke hat, die so nahe wie möglich bei der optimalen Lücke des Siliciumcarbid-Legierungssystems liegt, jedoch mit einer leistungsfähigen Dotierung verträglich ist. Ein bevorzugter Bereich der Zusammensetzung ist ein solcher, in welchem χ zwischen 0,8 und 0,95 liegt und einem Schichtdickenbereich von zwischen 100 S und 1000 8.

Eine alternative Methode zur Erzeugung der obersten Schicht ist die Verwendung eines Gasgemisches aus Silan und einem Kohlenwasserstoff zusammen mit Bortrifluorid (BF₃). Hierdurch wird der Dotierungswirkungsgrad durch die Hinzunahme von Fluor gesteigert.

Eine dritte Möglichkeit besteht darin, eine Schicht aus undotiertem Siliciumcarbid anwachsen zu lassen durch Glühentladung und Ionenimplantation von Bor in die Schicht ge&lgt von einer thermischen Glühung oder einer Laserglühung. Alternativ kann Kohlenstofftetrafluorid (CF.) benutzt werden anstelle von SiH₂, um Fluor in das System einzuführen.

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Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der die Siliciumcarbid-Schicht auf einer transparenten leitenden Schicht T, beispielsweise aus Indiumzinnoxid niedergeschlagen ist, die ihrerseits auf einem Substrat aus Glas oder Kunststoff niedergeschlagen ist. Die eigenleitenden (i - cA - si) und η-leitenden (n+) Schichten aus amorphem Silicium werden wie oben beschrieben auf der Siliciumcarbid-Schicht niedergeschlagen bzw. aufgebracht,und eine Metallelektroden-Schicht M wird auf der Schicht mit η-Leitfähigkeit aufgebracht. Die Einrichtung spricht auf Licht an, das durch das transparente Substrat einfällt.

Diese Anordnung erlaubt es, daß die Siliciumcarbid-Schicht mit p-Leitfähigkeit bei einer höheren Temperatur gezüchtet werden kann,und die fertige Anordnung ist gegen die Umgebung abgedichtet. Der Überzug aus Indiumzinnoxid kann verwendet werden, um einen reflektierenden Überzug zu schaffen. Ein geeignetes Material für den Kunststoff-Film ist Kapton.

Eine Variante der obigen Anordnung kann erhalten werden durch Kristallisieren der Siliciumcarbid-Schicht mit p-Leitfähigkeit unter Verwendung einer thermischen Glühung oder einer Laserglühung. In dieser Ausfuhrungsform kann die polykristalline Siliciumcarbid-Schicht im Bereich x^1 liegen oder sie kann aus reinem Polysilicium bestehen.

Fig. 6 zeigt eine weitere Solarzelle mit ähnlichem Aufbau wie die Anordnung nach Fig. 3.

Die η-leitende amorphe Siliciumschicht wird durch eine η-leitende amorphe Siliciumcarbid-Schicht oben auf der Metallschicht M ersetzt. Außer einem Feld (back field) in einigem Umfang entsteht hierdurch ein transparentes Fenster, welches es erlaubt, daß Licht von der hinteren Metallschicht M reflektiert wird.

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Eine alternative Version von Fig. 6 ist eine solche, bei der der übergang zwischen der η-leitenden Siliciumcarbid-Schicht und der eigenleitenden Silicium-Schicht zusairatiensetzungsmaßig abgestuft wird, so daß ein weniger abrupter Übergang entsteht und dadurch das Feld ausgedehnt wird.

Ferner ist es möglich, eine weitere modifizierte Form herzustellen durch Abstufen des p-leitenden Siliciumcarbids zu eigenleitendem amorphem Silicium, um einen gleichmäßigeren übergang zu schaffen. Entsprechende Änderungen können auch bei den anderen beschriebenen Zellen vorgenommen werden.

Fig. 7 zeigt noch eine Form einer Solarzelle. Die Bodenschicht über der Metallisierungsschicht ist entweder p-leitendes amorphes Silicium oder p-leitendes amorphes Siliciumcarbid, gefolgt von einer eigenleitenden Silicium-Schicht, auf welche eine η-leitende amorphe Siliciumcarbid-Schicht folgt oder ein abgestufter übergang zu einer η-leitenden amorphen Siliciumcarbid-Schicht.

Die Zugabe des Carbids zu der obersten Schicht ermöglicht eine größere Durchdringung und ein zusätzliches Gegenfeld (back field) , das die Stromsammlung unterstützt.

Eine weitere Ausnutzung dieses Konzeptes umfaßt SLC./SiC, ,/SiC₁ /Glas/Metall oder Kunststoff-Substrate für sichtbare Lichtemission, die sich z.B. für ebene Darstellungen oder Bildschirme eignen.

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Claims

- A 14 424 -

Plessey Overseas Limited

Patentansprüche

Solarzelle aus amorphem Silicium, gekennzeichnet durch eine erste p-leitende Schicht, eine eigenleitende amorphe Siliciumschicht und eine n-leitende Schicht, ferner dadurch, daß die p- oder n-leitenden Schichten aus amorphem Siliciumcarbid oder polykristallinem Silicium bestehen.

Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die obere Schicht aus p-leitendem amorphem Siliciumcarbid, die Zwischenschicht aus eigenleitendem amorphem Silicium und die untere Schicht aus n-leitendem amorphem Silicium besteht, die auf einem Substrat aus metallisiertem Glas oder Kunststoff niedergeschlagen sind.

Solarzelle, gekennzeichnet durch ein Substrat aus Glas oder Kunststoff, auf dem eine Solarzellen-Struktur angeordnet ist, die eine transparente Metallschicht, eine erste Schicht aus p-leitendem amorphem Siliciumcarbid, eine Zwischenschicht aus eigenleitendem amorphem Silicium, eine dritte Schicht aus η-leitendem amorphem Silicium und eine Metallsicht umfaßt.

Solarzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat aus Glas oder Kunststoff mit einer metallisierten Schicht, die das Substrat trennt gegenüber einer ersten Schicht aus η-leitendem amorphem Silciumcarbid, einer zweiten Schicht aus eigenleitendem amorphem Silicium und einer dritten Schicht aus p-leitendem amorphem Siliciumcarbid.

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5. Solarzelle nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch ein Substrat aus Glas oder Kunststoff mit einer metallisierten Schicht, die das Substrat trennt gegenüber einer ersten Schicht aus p-leitendem amorphem Silicium oder p-leitendem amorphem Siliciumcarbid, einer Zwischenschicht aus eigenleitendem amorphem Silicium und einer dritten Schicht aus n-leitendem amorphem Siliciumcarbid.

6. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungsübergang zwischen zwei dieser Schichten allmählich erfolgt und eine abgestufte Wirkung ergibt.

7. Solarzelle aus amorphem Silicium, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Schichten, in welchen wenigstens eine der Schichten aus amorphem Siliciumcarbid aufgebaut ist, um der Zelle eine bessere Lxchtexndringung oder -durchdringung zu erteilen.

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