DE3208292A1 - Kaskadensolarzelle mit leitfaehigen verbindungen - Google Patents

Description

Patentanwälte*- European Patent Attorneys

München J

Varian Associates, Inc.
Palo Alto, CaI., USA

Vl P551 D

Kaskadensolarzelle mit leitfähigen Verbindungen

Priorität: 13. März 1981 -USA- Serial No. 243 676

Die Erfindung betrifft ein Verbindungssystem für aufeinandergestapelte Solarzellen und bezieht sich insbesondere auf die gegenseitige Verbindung in einer epitaxial gewachsenen Kaskadensolarzelle mit leitfähigen Verbindungen im Innern.

Der Bedarf an leistungsfähigeren Sonnenzellen insbesondere zur Verwendung in Konzentratoren und in der Raumfahrt hat dazu geführt, Zellen mit unterschiedlichen Bandlücken aufeinanderzustapeln bzw. aneinanderzuschalten. In der sogenannten Kas^ kadensolarzelle wird eine Zelle mit breiter Bandlücke benutzt, die auf der Oberseite einer Zelle mit schmaler Bandlücke gewachsen oder angebracht ist. Die Kaskadensolarzelle gilt als außerordentlich vielversprechend zum Erhalt eines hohen Wirkungsgrades bei der Konversion, siehe z.B. S. M. Bedair "Material and Device Considerations for Cascade Solar Cell", IEEE Trans Electron Devices, ED-27, 1980, S. 822. Bei dieser Art von Stapelaufbau erfolgt der Zugang zu den Zellen normalerweise in Reihe, weil .die unterste Schicht (Basis) der obersten Zelle von Natur aus in inniger Berührung mit der obersten Schicht (Emitter) der unteren Stuktur steht. Das ist besonders der Fall bei aufeinandergeschichteten Zellen, die in epitaxialer Folge gewachsen sind, d.h. wenn die Zelle mit breiter Bandl.ücke und die Zelle mit schmaler Bandlücke ausreichend nahe beieinanderliegende Gitterkonstanten haben, so daß die Zelle mit der breiten Bandlücke auf der Zelle mit der schmalen Bandlücke epitaxial wachsen kann. Das allgemein angewandte Verbindungsverfahren bei derartigen Zellen sieht vor, Tunnelübergänge zwischen den Zellen herzustellen. Das hat jedoch den Nachteil, daß die Tunnelübergänge außerordentlich schwer herzustellen sind, besonders bei Halbleitern mit großer Bandlücke, wie sie für wirksame Kaskadenzellen nötig sind, und daß ein Reihen-Spannungsabfall auftritt, der üblicherweise einige Zehntel Volt ausmächt, was den Wirkungsgrad erheblich senkt. Gemäß einem anderen Verbindungssystem.wird so

vorgegangen, daß ein kurzschließender Übergang dadurch geschaffen wird, daß zwischen den Zellen ein Gitter nicht zusammenpassender Schichten vorgesehen wird, siehe L.W. James, US-PS *l· 017 332 "Solar Cells Employing Stacked Opposite Conductivity Layers". Bei dieser Art von Verbindungsanordnung ist es wegen des Vorhandenseins des interstitiellen Gitters nicht zusammenpassender Schichten schwer, obere Zellen mit breiter Bandlücke in ausreichender Qualität zu schaffen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kaskadensolarzelle zu schaffen, die zwischen den aufeinandergeschichteten Lagen eine leitfähige Verbindung aufweist. Ferner soll eine Kaskadensolarzelle geschaffen werden, die Kennlinien hat.

In der Kaskadensolarzelle gemäß der Erfindung werden in der oberen Zelle mit breiter Bandlücke Nuten geschaffen, damit Metallverbindungen zwischen der Basis der oberen Zelle mit breiter Bandlücke und dem Emitter der unteren Zelle mit schmaler Bandlücke· ohmschen Kontakt herstellen können.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. la einen Querschnitt durch eine bekannte Kankadensolarzelle mit einer Verbindung in Form eines Tunnelübergange S₁

Fig. Ib ein Ersatzschaltbild des Tunnel Überganges gemäß Fig. la1

Fig. Ic eine Strom-Spannung-Kurve für die Vorrichtung mit Tunnelübergang gemäß Fig. laf

Fig. 2a bis 2c eine Folge der hauptsächlichen Verfahrensschritte, die zu einer erfindungsgemäßeri' . Konstruktion führen, welche in Fig. 2c in fertigem Zustand gezeigt ist.

Direkter ohrascher Kontakt zwischen den Zellen einer epitaxial gewachsenen Kaskadensolarzelle wird mit Hilfe leitfähiger Verbindungen erzielt, die durch Nuten hindurch geschaffen werden, welche mit Unterbrechungen in die obere Zelle geätzt werden. Die Basis der oberen Zelle wird durch die leitfähigen Verbindungen unmittelbar mit dem Emitter der unteren Zelle verbunden. Die leitfähigen Verbindungen enden vorzugsweise an einer Leiste, die in der Basis der oberen Zelle ausgebildet ist. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine doppelschichtige Metallisierung benutzt, bei der die obere Lage optimalen Kontakt mit der Basis der oberen Zelle und die untere Lage optimalen Xontakt mit dem Emitter der unteren Zelle herstellt.

In der vorliegenden Beschreibung wird als Zelle mit breiter Bandlücke und Zelle mit schmaler Bandlücke die obere bzw. untere Zelle einer zweizeiligen, epitaxial gewachsenen •kaskadenartigen Anordnung bezeichnet. Die Werte für die Bandlücke sind relativ und werden nach apparativen Überlegungen und im Hinblick auf den Wirkungsgrad gewählt. Darüber hinaus wird als Formel für das ternäre Al Ga₁- As die Zusammensetzung AlGaAs

X JL λ

gewählt, wobei davon ausgegangen wird, daß die jeweils gültige Zusammensetzung, wie allgemein bekannt, abgeändert werden kann, um eine gewünschte Bandlücke zu erhalten. Bei Kaskadensolarzellen mit quaternären Schichten, wie InGaAsP kann die Proportionalität der einzelnen Bestandteile geändert werden, um die gewünschte Gitterkonstante und Bandlücke zu erzielen.

Das bekannte Verfahren zum Verbinden aufeinandergeschichteter epitaxial gewachsener Solarzellen besteht in der Schaffung eines sogenannten Tunnelübergangs. Ein typischer Tunnelübergang ist im Querschnitt in Fig. la zwischen einer Zelle 10 mit breiter Bandlücke und einer Zelle 11 mit schmaler Bandlücke gezeigt. Wenn z.B. beide Sonnenzellen von p-leitender auf nleitender Art sind, können die Emitter 12 bzw. 14 p-leitendes AlGaAs und p-leitendes OaAs und die Basen 13 bzw. 15 n-leiten-

des AlGaAs und η-leitendes GaAs sein. Die Zelle 10 hat typischerweise eine Bandlücke von ca. 1,7 eV und die Zelle 11 eine Bandlücke von ca. 1,1 eV. Die Zone 16 ist ein hochdotiertes n++-Material und die Zone 17 ein hochdotiertes p++-Material. Die aneinandergrenzenden, hochdotierten Zonen bilden einen Tunnelübergang zur Schaffung einer Reihenverbindung innerhalb der Zelle. Diese Verbindung ist nicht perfekt, wie das Ersatzschaltbild gemäß Pig. Ib zeigt, weil es den Spannungsabfall der invertierten Tunneldiode 22 in den von den Dioden 20 und 21 gebildeten Zellenschaltkreis einführt. Das hat zur Folge, daß dieser Spannungsabfall am Ausgang der Zelle verlorengeht, wodurch der Gesamtwirkungsgrad verringert wird. Außerdem sei noch darauf hingewiesen, daß Tunnelübergänge in Flächenbereichen, die für Solarzellen geeignet sind, nicht aufgezeigt worden sind. Es 1st lediglich .eine Epitaxie in Flüssigphase oder mittels Molekularstrahl aufgezeigt worden, während Epitaxie in der Dampfphase gegenwärtig als das einzige Wachsturnsverfahren mit einem ausreichend hohen Durchsatz für eine wirtschaftliche Herstellung von Sonnenzellen betrachtet wird. Wie Fig. Ic zeigt, hat ein Tunnelübergang einen charakteristischen negativen Widerstandsbereich, der der Vor.wärtsstrom-Spannung-Kennlinie a einen Knick gibt. Da der Tunnelübergang mit der' oberen und unteren Zelle in Reihe liegt, kann dieser Knick in der Strom-Spannung-Kennlinie .b der Kaskadenzelle auftreten. Eine solche Schleife bzw. ein derartiger Knick verursacht einen verringerten Füllfaktor und setzt den Wirkungsgrad herab..

Die Kaskadenzelle gemäß der Erfindung mit leitfähigen Verbindungen wird in einem Verfahren hergestellt, welches von einer voll ausgeformten Kaskadensolarzelle (jedoch ohne die Verbindung) gemäß Fig. 2a ausgeht und bei dem durch die obere Zelle 30 zum Bloßlegen des Emitters 37 der unteren Zelle 31 hindurchgeätzt wird. Die beiden Zellen·30 und 31 werden dann, wie Fig. 2c zeigt, miteinander verbunden. Die obere Zelle 30 besteht aus einer GaAs-Abdeckschicht 32, einer AlGaAs-Fensterschicht 33» einem p-leitenden AlGaAs-Emitter 3^ und einer n-leitenden

AlGaAs-Basis 36. Die untere Zelle 31 besteht aus einer nleitenden AlGaAs-Ä'tzschutzechicht 35, einem p-leitenden GaAs-Emitter 37 und einer n-leitenden OaAs-Basis 38. Eine . bevorzugte Ätzschutzsohicht 35 hat eine größere Bandlücke als die obere oder die untere Zelle und ändert ihre Leitfähigkeit von n+ an der Oberseite zu p+ an der Unterseite, um als Trägerbegrenzung zu dienen. Verbindungen 43 oder 45, 44 können aus Metall, leitfähigem Polysilizium,.einem leitfähigen Polymerisat oder einem beliebigen leitfähigen Stoff bestehen, vorausgesetzt daß dieser mit dem Halbleitermaterial der Zellen verträglich ist. Am Boden der Basis 38 ist eine Rückseitenmetallisierung 40 vorgesehen. Wie aus Fig.. Ib unter Berücksichtigung der gestriohelten Linien zu entnehmen ist, stellt das Ersatzschaltbild der Kaskadensolarzelle gemäß der Erfindung eine ohmsche Verbindung zwischen den Dioden 20 und 21 her.

Zur Schaffung einer Folge von Fensteröffnungen W werden übliche photolithographische Techniken angewandt. Die Fenster werden durch Verwendung eines Ätzmittels geschaffen, welches durch den AlGaAs-Emitter 34 mindestens bis zur Oberseite der Basis 36 hindurchätzt, wie Fig. 2b zeigt, wobei jedoch beim bevorzugten Ausführungsbeispiel etwa auf halber Höhe der Basis 36 eine Leiste 47 geschaffen wird. Dann wird gemäß Fig. 2b eine schmalere Öffnung W, photolithographisch bestimmt und durch die AlGaAs-Fensterschicht 35 bis zum Emitter 37 der unteren Zelle 3I hindurchgeätzt. Dann kann zum Verbinden der Baeiß 36 der oberen Zelle 30 mit dem Emitter 37 der unteren Zelle 31 ein einziger Kontakt 43 vorgesehen werden. Typischerweise beträgt der von den Fenstern eingenommene Oberflächenbereich 10$ oder weniger von der Gesamtfläche der oberen Zelle. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verläuft der Kontakt 43 an der Seitenwand 48 der das Fenster W-, bestimmenden Nut herauf bis auf die Leiste 47, um einen positiven Kontakt herzustellen. Die Leiste 47 ermöglicht die Schaffung

eines zuverlässigen ohmschen Kontaktes mit der Basis 36 in einer Weise wie sie von P.G. Borden in der am 24.8.1979 eingereichten US Patentanmeldung 69 462 mit dem Titel "Monolithic Series Connected Solar Gell" beschrieben wurde. Danach werden Metallkontakte 46 an der Oberseite angebracht, deren Qualität durch das Vorhandensein der GaAs-Abdeckschicht 32 verbessert ist.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden doppellagige leitfähige Kontakte für die Schaffung der Verbindungen benutzt. Diese Lösung ist besonders gut geeignet, wenn Metalle · verwendet werden, da bestimmte Metalle optimale ohmsche Kontakte mit bestimmten Halbleitern bilden. So kann z.B. Metall

44 so gewählt werden, daß es einen ohmschen Kontakt mit geringem Widerstand angesichts der Leitfähigkeit des Emitters 37 mit dem Material desselben herstellt, während das Metall

45 so gewählt werden kann, daß es einen ohmschen Kontakt von niedrigem Widerstand bei der Leitfähigkeit der Basis 36 mit dem Material derselben herstellt.

Nachfolgend wird eine bestimmte Verfahrensfolge bei der Herstellung einer Kaskadensolarzelle mit Metallverbindung gemäß der Erfindung beschrieben.

A. Ätzen einer breiten Nut W durch den Emitter bis zur Basis der oberen Zelle:

1. Ätzgeschwindigkeit in AlGaAs eichen;

2. GaAs-Abdeckschicht mit einem für GaAs spezifischen Ätzmittel bis herab zur AlGaAs-Schicht ätzen, siehe z.B. G.A. Antypas et al. "Glass-Sealed GaAs-AlGaAs Transmission Photocathode", App. Phys. Lett., Band 26, 1975, S.371;

3. 90 % AlGaAs unter HP (Flußsäure) ätzen;

4. AlGaAs mit geeichtem Ätzmittel ätzen (dasselbe Ätz-

mittel wie im Verfahrensschritt 2 benutzen^ bis in die Basis der oberen Zelle ätzen). Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein für das Dotiermittel spezifische Ätzmittel verwendet, z.B. 10:1:1 HgO:H₂0₂:H₂SO^), welches im Dunkeln pleitendes Material aber nicht η-leitendes Material ätzt und an der η-leitenden Schicht endet. Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht anodisches Ätzen vor, wodurch eine exakte Geschwindigkeit und. Steuerung ermöglicht wird.

B. Schmale Nut W, innerhalb der breiten Nut W ätzen:

1. Bis zur verdeckten AlGaAs-Fensterschicht der unteren Zelle unter Verwendung desselben Ätzmittels wie im Verfahrensschritt A2 und A4 ätzeni

2. unter HP durch die AlGaAs-Schicht ätzen. Bei diesem Schritt wird auch das SiO₂ weggeätzt, um den oberen Kontakt freizulegen.

C. Metallverbindungen für p~ auf η-leitenden Solarzellen gemäß dem Beispiel schaffen:

1. P-leitendes Kontaktmetall über definierter Photoresist-Schicht aufdampfen, um die Nut zu füllen und Kontakt mit dem Emitter der unteren Zelle herzustellen;

2. bei doppellagiger Metallisierung wird erneut maskiert und η-leitendes Metall aufgedampft, um einen Kontakt mit der Basis der oberen Zelle herzustellen.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Verbindungssystem gemäß der Erfindung an einer Kaskadenzelle angewandt, die drei aufeinandergeschichtete Zellen enthält. Die obere Zelle hat eine breite Bandlücke im Größenordnungsbereich von

1,8 eV, die mittlere Zelle eine geringere Bandlücke im Größenordnungstiere ich von 1,2 eV und die untere Zelle eine kleine Bandlycke im Größenordnungsbereich von 0,7 eV. Typischerweise wachsen die Zellen epitaxial der Reihe nach. Es ist bekannt, daß Tunnelübergänge zwischen Zellen mit geringerer Bandlücke leichter herzustellen sind. Polglich kann die untere Zelle mit der Zwischenzelle durch einen herkömmlichen Tunnelübergang oder auf andere Weise verbunden werden. Die obere Zelle wird mit der Zwischenzelle nach dem erfindungsgemäßen System gemäß Fig. 2a bis 2c verbunden. Die Weiterverarbeitung ist bei dieser dreifachen Kaskadenzelle im wesentlichen ebenso wie oben beschrieben, außer daß das Ausgangsmaterial gemäß Fig. 2a die Zelle mit geringer Bandlücke am Boden, der epitaxial gewachsenen Folge enthält.

Die Kaskadensolarzelle gemäß der Erfindung mit leitfähigen Verbindungen kann aus einer Reihe von Materialkombinationen geschaffen werden. Entscheidend ist, daß die Zellen epitaxial aufeinandergewachsen sein müssen und daß in der oberen Zelle mit Unterbrechungen Nuten ausbildbar sein müssen. Systeme, für die selektive Ätzmittel zur Verfügung stehen, d.h. Ätzmittel, die ohne weiteres durch die obere Zelle hindurchätzen aber beim Auftreffen auf die untere Zelle aufhören, erfüllen das genannte Kriterium. Ein Fall ist die oben schon beschriebene AlGaAs/ GaAs-Anordnung. Zu den weiteren Anordnungen, die derartige Ätzeigenschaf ten haben, gehören InGaAsP/lnP und GaAlAsSb/GaAs.

At

Leerseite

Claims (1)

1. Ansprüche

   1. Kaskadensolarzelle mit einer Zelle mit. breiter Randlücke, die auf einer Zelle mit schmaler Bandlücke epitaxial gewachsen und mit derselben elektrisch in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Zellen mittels einer leitfähigen Verbindung elektrisch miteinander verbunden sind, die zwischen der Basis der oberen Zelle und dem Emitter der unteren Zelle durch in der oberen Zelle geschaffene Nuten hergestellt ist.

   2. Kaskadensolarzelle nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet , daß die leitfähige Verbindung eine Metallverbindung aufweist.

   3. Kaskadensolarzelle nach Anspruch 2,

   dadurch gekennzeichnet , daß die Nuten einen breiteren Bereich an der Oberseite und einen schmaleren Bereich an der Unterseite aufweisen, so daß in der Basis der Zelle mit breiter Bandlücke eine Leiste geformt ist, und daß sich die Metallverbindung in den schmalen Bereich in Kontakt mit dem Emitter der unteren Zelle erstreckt, und daß die Metallverbindung an der Leiste endet.

   h. Kaskadonaolarzelle nach Anspruch i, . ·

   dadurch gekennzeichnet , daß die Zelle mit breiter Bandlücke aus AlGaAs hergestellt ist, und daß die Zelle mit schmaler Bandlücke aus GaAs hergestellt ist.

   5. Kaskadensolarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Metallverbindung eine doppellagige Metallisierung aufweist, deren obere Lage mit der Basis der Zelle mit breiter Bandlücke in Berührung steht und deren untere Lage mit dem Emitter der Zelle mit schmaler Bandlücke in Berührung steht, so daß durch die

   gewählten Metalle optimaler ohmscher Kontakt mit der entsprechenden Basis- bzw. Emitterzone herstellbar ist.

   6. Kaskadensolarzelle nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet , daß sie mit einer dritten Solarzelle kombiniert ist, deren Bandlücke schmaler ist als die der unteren Zelle, und daß die dritte Zelle unter der unteren Zelle und in leitfähiger Berührung mit derselben angeordnet ist.

   7. Kaskadensolarzelle nach Anspruch 6,

   dadurch gekennzeichnet , daß die dritte Solarzelle mit der unteren Zelle mittels eines TunnelÜbergangs elektrisch verbunden ist.

   8. Kaskadensolarzelle nach Anspruch 6,

   dadurch gekennzeichnet , daß die drei Zellen in epitaxialem Verhältnis gewachsen sind.