DE3308598A1 - REAR REFLECTOR SYSTEM FOR BARRIER PHOTO ELEMENTS - Google Patents
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Description
Rückr^flektorsystem für Sperrschicht-FotoelementeRear reflector system for barrier layer photo elements
Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Rückreflektorsysteme sowie diese verwendende Sperrschicht-Fotoelemente, insbesondere solche, die aus Schichten von amorphen Halbleiterlegierungen gebildet sind. Die Rückreflektorsysteme nach der Erfindung sorgen für eine erhöhte Reflexion von nichtabsorbiertem Licht zurück in die Fotoelemente, in denen sie eingesetzt sind. Ein Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, daß eine verstärkte Photonenabsorption und Ladungsträgererzeugung in den aktiven Bereichen möglich ist, so daß erhöhte Kurzschlußströme erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß die verbesserten Lichtempfindlichkeits-Eigenschaften fluorierter amorpher Siliziumlegierungen durch Anwendung der Erfindung in Sperrschicht-Fotoelementen besser realisierbar sind. Das wichtigste Anwendungsgebiet der Erfindung besteht in der Herstellung verbesserter Sperrschicht-Fotoelemente vom pin-Typ aus amorphen Siliziumlegierungen, und zwar entweder als Einzelzellen oder als Mehrfachzellen mit einer Mehrzahl von Einzelzelleneinheiten. Bevorzugt weisen die dotierten Schichten der pin-Zellen niedrige Absorptionskoeffizienten in den interessierenden Wellenlängenbereichen auf, so daß der Rückreflektor nach der Erfindung optimal einsetzbar ist.The invention relates to improved retroreflector systems as well as barrier photo elements using them, especially those made from layers of amorphous semiconductor alloys are formed. The back reflector systems according to the invention provide for an increased reflection of unabsorbed Light back into the photo elements in which they are inserted. One advantage of this approach is that that an increased photon absorption and charge carrier generation is possible in the active areas, so that increased Short-circuit currents are generated. Another advantage is that it has improved photosensitivity properties fluorinated amorphous silicon alloys can be better realized by applying the invention in barrier layer photo elements are. The primary application of the invention is in the manufacture of improved photo barrier elements of the pin type made of amorphous silicon alloys, either as single cells or as multiple cells with a Plurality of single cell units. The doped layers of the pin cells preferably have low absorption coefficients in the wavelength ranges of interest, so that the back reflector according to the invention is optimal can be used.
Silizium ist die Grundlage der riesigen mit kristallinen Halbleitern befaßten Industrie und der Werkstoff, mit dem teure hochwirksame (18 %) kristalline Solarzellen für die Raumfahrt hergestellt wurden. Für Anwendungszwecke auf der Erde weisen die kristallinen Solarzellen typischerweise wesentlich geringere Wirkungsgrade in der Größenordnung vonSilicon is the foundation of the vast crystalline semiconductor industry and the material with which expensive high-efficiency (18%) crystalline solar cells for space travel were manufactured. For use on the The crystalline solar cells typically have significantly lower efficiencies in the order of magnitude of the earth
12 % oder weniger auf. Als die Technologie der kristallinen Halbleiter das Stadium der industriellen Verwertung erreichte, wurde sie zur Grundlage der heutigen riesigen Halbleiterbauelement-Fertigungsindustrie. Dies beruhte auf der Fähigkeit, der Wissenschaftler, im wesentlichen fehlerfreie Germanium- und insbesondere Siliziumkristalle zu ziehen und diese zu niehteigenleitenden Materialien mit darin enthaltenen p- und■ n-leitenden Zonen zu machen. Dies wurde dadurch erreicht, daß in das kristalline Material ppm-Mengen von als Donator (n) oder als Akzeptor (p) wirkenden Dotierstoffen als substitutionelle Verunreinigungen in die im wesentlichen reinen kristallinen Materialien eindiffundiert wurden, um ihre elektrische Leitfähigkeit zu steigern und ihren Leitungstyp, also p- oder η-Leitfähigkeit, zu steuern. Die Herstellungsverfahren für die Fertigung von Kristallen mit pn-Übergängen umfassen extrem komplexe, zeitraubende und teure Vorgänge. So werden diese kristallinen Materialien, die in Solarzellen und als Stromregelvorrichtungen einsetzbar sind, unter sehr sorgfältig kontrollierten Bedingungen hergestellt, indem einzelne Silizium- oder Germanium-Einkristalle gezogen und, wenn pn-Übergänge erforderlich sind, diese Einkristalle mit extrem kleinen und kritischen Mengen an Dotierstoffen dotiert werden.12% or less. As the technology of crystalline When semiconductor reached the stage of industrial exploitation, it became the basis of today's huge semiconductor device manufacturing industry. This relied on the ability of the scientist to be essentially flawless To pull germanium and especially silicon crystals and these to non-intrinsically conductive materials with contained therein To make p- and ■ n-conductive zones. This became through it achieved that in the crystalline material ppm amounts of than Donor (s) or as acceptor (p) acting dopants as substitutional impurities in the essentially pure crystalline materials were diffused to to increase their electrical conductivity and to control their conductivity type, i.e. p or η conductivity. the Manufacturing process for the manufacture of crystals with PN junctions involve extremely complex, time-consuming and expensive processes. So these crystalline materials, which can be used in solar cells and as current regulating devices, under very carefully controlled conditions produced by pulling single silicon or germanium single crystals and, if pn junctions are required, these single crystals are doped with extremely small and critical amounts of dopants.
Mit diesen Kristallziehverfahren werden so relativ kleine Kristalle erzeugt, daß Solarzellen den Zusammenbau von vielen Einkristallen erfordern, bis die erwünschte Fläche für nur ein einziges Solarzellenpanel bedeckt ist. Die zur Herstellung einer Solarzelle mit diesem Verfahren erforderliche Energiemenge, die durch die Größenbeschränkungen des Siliziumkristalls bedingten Einschränkungen und die Notwen-With this crystal pulling process, so become relatively small Crystals made solar cells require the assembly of many single crystals to create the desired area for only a single solar cell panel is covered. The process required to manufacture a solar cell using this process Amount of energy, the limitations imposed by the size restrictions of the silicon crystal and the necessary
digkeit, ein solches kristallines Material zuzuschneiden und zusammenzufügen, haben dazu geführt, daß der industrielle Einsatz von kristallinen Halbleiter-Solarzellen für die Energieumwandlung an der unüberwindlichen Kostenbarriere scheitert. Ferner weist kristallines Silizium eine indirekte Absorptionskante auf, was in einer schlechten Lichtabsorption des Materials resultiert. Aufgrund der schlechten Lichtabsorption müssen kristalline Solarzellen eine Mindestdicke von 50 jum aufweisen, um das einfallende Sonnenlicht zu absorbieren. Selbst wenn das Einkristall-Material durch polykristallines Silizium mit entsprechend billigeren Herstellungsverfahren ersetzt wird, bleibt die indirekte Absorptionskante doch erhalten; somit wird die Materialdicke nicht verringert. Bei dem polykristallinen Material ergeben sich ferner Probleme hinsichtlich der Korngrenzen und anderer Defekte, die üblicherweise nachteilig sind.ability to cut such a crystalline material and put together have led to the industrial Use of crystalline semiconductor solar cells for energy conversion at the insurmountable cost barrier fails. Furthermore, crystalline silicon has an indirect absorption edge, which results in poor light absorption of the material results. Due to the poor light absorption, crystalline solar cells must have a minimum thickness of 50 jum to absorb the incident sunlight. Even if the single crystal material is through If polycrystalline silicon is replaced with correspondingly cheaper manufacturing processes, the indirect one remains Absorption edge still preserved; thus the material thickness is not reduced. In the case of the polycrystalline material there are also problems with grain boundaries and other defects which are usually disadvantageous.
Zusammenfassend ist zu sagen, daß kristalline Silizium-Bauelemente feste Parameter haben, die nicht in erwünschter Weise änderbar sind, daß sie große Materialmengen erfordern, nur relativ kleinflächig herstellbar und in der Herstellung teuer und zeitaufwendig sind. Der Einsatz von Bauelementen auf der Basis von amorphen Siliziumlegierungen kann diese Nachteile des kristallinen Siliziums ausschalten. Eine amorphe Siliziumlegierung hat eine Absorptionskante mit Eigenschaften ähnlich denjenigen eines Halbleiters mit direktem Bandabstand, und es ist nur eine Materialdicke von 1 pm oder weniger erforderlich für die Absorption der gleichen Menge Sonnenlicht, die von dem 50 pm dicken kristallinen Silizium absorbiert wird. Ferner können amorphe Siliziumlegierungen schneller, leichter und großflächiger als kristallines Silizium hergestellt werden.In summary, it can be said that crystalline silicon components have fixed parameters which cannot be changed in the desired manner, that they require large amounts of material, can only be produced over a relatively small area and are expensive and time-consuming to produce. The use of components based on amorphous silicon alloys can eliminate these disadvantages of crystalline silicon. An amorphous silicon alloy has an absorption edge with properties similar to those of a direct bandgap semiconductor and only 1 µm or less of material is required to absorb the same amount of sunlight that is absorbed by the 50 µm thick crystalline silicon. Furthermore, amorphous silicon alloys can be produced faster, more easily and with a larger area than crystalline silicon.
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Somit wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Verfahren zum leichten Abscheiden amorpher Halbleiterlegierungen oder -filme zu entwickeln, wobei jeweils relativ große Flächen umfaßt werden sollen, die erwünschtenfalls nur durch die Größe des Abscheidungsapparats beschränkt sind, und wobei eine einfache Dotierung zur Bildung von p- und η-leitenden Materialien stattfinden kann, wenn pn-Übergangs-Bauelemente daraus herzustellen sind, die ihren kristallinen Gegenstücken äquivalent sind. Über viele Jahre waren diese Bemühungen im wesentlichen unproduktiv. Amorphe Silizium- oder Germaniumfilme (also solche der Gruppe IV) sind normalerweise vierfach koordiniert, und es wurde festgestellt, daß sie Mikroleerstellen und freie Bindungen sowie weitere Defekte aufweisen, die in ihrem Bandabstand eine hohe Dichte örtlicher Zustände erzeugen. Die Anwesenheit einer hohen Dichte örtlicher Zustände im Bandabstand amorpher Siliziumhalbleiterfilme resultiert in einem niedrigen Lichtleitfähigkeitsgrad und einer kurzen Ladungsträger-Lebensdauer, so daß solche Filme für Lichtempfangs-Anwendungen ungeeignet sind. Ferner können solche Filme nicht erfolgreich dotiert oder anderweitig dahingehend modifiziert werden, daß das Fermi-Niveau nahe an die Leitungs- oder Valenzbänder verschoben wird, wodurch die Filme ungeeignet für die Herstellung von pn-Übergängen für Solarzellen und Stromregeleinrichtungen sind.Thus, significant efforts have been devoted to methods of easily depositing amorphous semiconductor alloys or to develop films, each of which should cover relatively large areas, if desired only are limited by the size of the deposition apparatus, and a simple doping is used to form p- and η-conductive materials can take place when using pn-junction components are to be produced therefrom, which are equivalent to their crystalline counterparts. Over many years these efforts were essentially unproductive. Amorphous silicon or germanium films (i.e. those of group IV) are normally four-coordinate and have been found to have micro-vacancies and dangling bonds as well as other defects which produce a high density of local states in their band gap. The presence a high density of local states in the band gap of amorphous silicon semiconductor films results in a low one Light conductivity and a short carrier life, making such films suitable for light receiving applications are unsuitable. Furthermore, such films cannot be successfully doped or otherwise modified will cause the Fermi level to be shifted close to the conduction or valence bands, making the films unsuitable for the production of pn junctions for solar cells and current regulating devices.
Bei dem Versuch der Minimierung der vorgenannten Probleme, die bei amorphem Silizium (das ursprünglich als elementar angesehen wurde) auftreten, wurden von W.E. Spear und P.G. Le Comber vom Carnegie Laboratory of Physics, University of Dundee, Schottland, Arbeiten im Hinblick auf eine substitu-In trying to minimize the aforementioned problems, found in amorphous silicon (which was originally thought to be elemental) have been reported by W.E. Spear and P.G. Le Comber of the Carnegie Laboratory of Physics, University of Dundee, Scotland, is working on a substit-
tionelle Dotierung von amorphem Silizium durchgeführt ("Substitutional Doping of Amorphous Silicon", veröffentl. in Solid State Communications, Bd. 17, 1193-1196, 1975), und zwar zum Zweck der Verringerung der örtlichen Zustände im Bandabstand in amorphem Silizium, so daß dieses besser an eigenleitendes kristallines Silizium angenähert werden würde, und zur substitutioneilen Dotierung der amorphen Materialien mit geeigneten klassischen Dotierstoffen, wie bei der Dotierung von kristallinen Materialien, um diese nichteigenleitend und p- oder η-leitend zu machen.functional doping of amorphous silicon carried out ("Substitutional Doping of Amorphous Silicon", published in Solid State Communications, Vol. 17, 1193-1196, 1975) for the purpose of reducing local conditions in the Band gap in amorphous silicon, so that it can be more closely approximated to intrinsically conductive crystalline silicon would, and for substitutional doping of the amorphous materials with suitable classical dopants, such as when doping crystalline materials in order to make them non-intrinsically conductive and p- or η-conductive.
Die Verringerung der örtlichen Zustände wurde durch Glimmentladungs-Abscheidung von amorphen Siliziumfilmen erreicht, wobei ein Silangas (SiH.) durch ein Reaktionsrohr geschickt wurde, in dem das Gas durch eine HF-Glimmentladung zersetzt und auf dem Substrat bei einer Substrattemperatur von ca. 500-600 K (227-327 C) abgeschieden wurde. Das so auf dem Substrat abgeschiedene Material war ein eigenleitendes amorphes Material, bestehend aus Silizium und Wasserstoff. Zur Erzeugung eines dotierten amorphen Materials wurde ein Phosphingas (PH_) für die n-Leitfähigkeit oder ein Diborangas (B-Hj.) für die p-Leitfähigkeit mit dem Silangas vorgemischt und durch das Glimmentladungs-Reaktionsrohr unter den gleichen Betriebsbedingungen geschickt.The reduction in local conditions was due to glow discharge deposition achieved by amorphous silicon films, whereby a silane gas (SiH.) is sent through a reaction tube in which the gas is decomposed by an HF glow discharge and on the substrate at a substrate temperature from approx. 500-600 K (227-327 C) was deposited. The material thus deposited on the substrate was intrinsically conductive amorphous material consisting of silicon and hydrogen. To create a doped amorphous material became a phosphine gas (PH_) for the n-conductivity or a diborane gas (B-Hj.) for the p-conductivity with the Silane gas premixed and passed through the glow discharge reaction tube sent under the same operating conditions.
Die Gaskonzentration der eingesetzten Dotierstoffe lagThe gas concentration of the dopants used was
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zwischen ca. 5 χ 10 und 10 Volumenteilen. Das so abgeschiedene Material war nichteigenleitend und vom n- oder p-Leitungstyp.between approx. 5 χ 10 and 10 parts by volume. The material so deposited was non-intrinsically conductive and of the n- or p-line type.
Durch die Arbeiten anderer ist heute bekannt, was diese Wissenschaftler nicht wußten, nämlich, daß der WasserstoffToday, through the work of others, we know what these scientists did not know, namely that hydrogen
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im Silan sich bei einer optimalen Temperatur mit vielen der freien Bindungen des Siliziums während der Glimmentladungs-Äbscheidung verbindet, wodurch die Dichte der örtlichen Zustände im Bandabstand erheblich reduziert wird, so daß die elektronischen Eigenschaften des amorphen Materials besser an diejenigen des entsprechenden kristallinen Materials angenähert werden.in the silane itself at an optimal temperature with many of the free bonds of silicon during glow discharge deposition connects, whereby the density of the local states in the band gap is significantly reduced, so that the electronic properties of the amorphous material better can be approximated to those of the corresponding crystalline material.
Der Einbau von Wasserstoff bei dem vorgenannten Verfahren hat jedoch Grenzen, die auf dem unveränderlichen Wasserstoff/Silizium-Verhältnis im Silan sowie auf verschiedenen Si:H-Bindungskonfigurationen basieren, die zu neuen Lockerungszust'anden führen. Daher bestehen grundsätzliche Einschränkungen bei der Verminderung der Dichte örtlicher Zustände in diesen Materialien.The incorporation of hydrogen in the aforementioned process however, it has limits on the invariable hydrogen / silicon ratio in the silane as well as on various Si: H bond configurations that lead to new loosening states to lead. There are therefore fundamental restrictions on reducing the density of local areas States in these materials.
Erheblich verbesserte amorphe Siliziumlegierungen mit wesentlich verminderten Konzentrationen örtlicher Zustände in ihren Bandabständen und mit elektronischen Eigenschaften hoher Güte wurden durch Glimmentladung (vgl. die US-PS 4 226 898) sowie durch Aufdampfen (vgl. die US-PS 4 217 374) hergestellt. Wie in diesen Patentschriften erläutert ist, wird Fluor in die amorphe Silizium-Halbleiterlegierung eingebaut, um die Dichte örtlicher Zustände in dieser wesentlich herabzusetzen. Aktiviertes FLuor bindet sich besonders leicht an Silizium in dem amorphen Körper, so daß die Dichte Örtlicher Defektzustände in diesem erheblich verringert wird, weil die geringe Größe, die hohe Reaktionsfreudigkeit und Spezifität der chemischen Bindung der Fluoratome es diesen ermöglicht, eine in höherem Maß fehlerfreie amorphe Siliziumlegierung zu erzielen. Das FluorSubstantially improved amorphous silicon alloys with significantly reduced concentrations of local conditions in their band gaps and with electronic properties high quality were obtained by glow discharge (see US Pat. No. 4,226,898) and by vapor deposition (see US Pat. No. 4,217,374) manufactured. As explained in these patents, fluorine is incorporated into the amorphous silicon semiconductor alloy built in to significantly reduce the density of local conditions in this. Activated fluorine binds particularly easy on silicon in the amorphous body, so that the density of local defect states in this is considerable is reduced because of the small size, the high reactivity and specificity of the chemical bond of the Fluorine atoms enable them to achieve a more defect-free amorphous silicon alloy. The fluorine
bindet sich an die freien Bindungen des Siliziums und bildet eine - wie angenommen wird - hauptsächlich ionische stabile Bindung mit flexiblen Bindungswinkeln, was in einer stabileren und wirksameren Kompensation oder Änderung resultiert, als sie durch Wasserstoff und andere Kompensationsoder Änderungsmittel gebildet wird. Fluor verbindet sich ferner in bevorzugter Weise mit Silizium und Wasserstoff, wobei der Wassserstoff in vorteilhafterer Weise genutzt wird, da Wasserstoff mehrere Bindungsoptionen hat. Ohne Fluor kann sich Wasserstoff nicht in erwünschter Weise in dem Material binden, sondern bewirkt einen zusätzlichen Defektzustand im Bandabstand sowie im Material selbst. Daher wird Fluor als wirksameres Kompensations- oder Änderungselement als Wasserstoff betrachtet, wenn es entweder für sich oder mit Wasserstoff wegen seiner hohen Reaktionsfreudigkeit, Spezifität der chemischen Bindung und hohen Elektronegativität eingesetzt wird.binds to the free bonds of silicon and forms - as is assumed - a mainly ionic stable Binding with flexible binding angles, which results in a more stable and effective compensation or change, than it is formed by hydrogen and other compensating or modifying agents. Fluorine combines furthermore preferably with silicon and hydrogen, the hydrogen being used in a more advantageous manner because hydrogen has multiple bonding options. Without fluorine, hydrogen cannot develop in the desired way bind in the material, but causes an additional defect state in the band gap as well as in the material itself. Hence Fluorine is considered to be a more effective compensating or altering element than hydrogen when it is either on its own or with hydrogen because of its high reactivity, specificity of the chemical bond and high electronegativity is used.
Beispielsweise kann eine Kompensation nur mit Fluor oder in Verbindung mit Wassserstoff durch Zugabe dieses Elements bzw. dieser Elemente in sehr geringen Mengen (z. B. Bruchteilen von 1 Atom-%) erreicht werden. Die Fluor- und Wasserstoffmengen, die besonders bevorzugt eingesetzt werden, sind jedoch erheblich größer als diese geringen Prozentsätze, so daß eine Silizium-Wasserstoff-Fluor-Legierung gebildet wird. Solche Legierungsmengen von Fluor und Wasserstoff liegen z. B. im Bereich von 1-5 % oder mehr. Es wird angenommen, daß die so hergestellte Legierung eine geringere Dichte von Defektzuständen im Energiebandabstand aufweist,.als sie durch die bloße Neutralisierung von freien Bindungen und ähnlichen Defektzuständen erreicht werden kann. FernerFor example, compensation can only be made with fluorine or in conjunction with hydrogen by adding this element or these elements can be achieved in very small quantities (e.g. fractions of 1 atom%). The amounts of fluorine and hydrogen, which are used with particular preference, however, are considerably greater than these low percentages, see above that a silicon-hydrogen-fluorine alloy is formed. Such alloy amounts of fluorine and hydrogen are z. B. in the range of 1-5% or more. The alloy thus produced is believed to have a lower density of defect states in the energy band gap, than they can be achieved by the mere neutralization of dangling bonds and similar defect states. Further
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wird angenommen, daß eine solche größere Fluormenge erheblich an einer neuen Gefügekonfiguration eines amorphen siliziumhaltigen Materials teilhat und die Zugabe weiterer Legierungsstoffe, etwa Germanium, erleichtert. Zusätzlich zu seinen anderen bereits genannten Eigenschaften wird von Fluor angenommen, daß es ein Organisator von örtlichem Gefüge in der siliziumhaltigen Legierung durch induktive und ionische Effekte ist. Es wird angenommen, daß Fluor auch die Bindung von Wasserstoff dadurch beeinflußt, daß es in günstiger Weise in Richtung einer Verminderung der Dichte von Defektzuständen wirkt, die von Wasserstoff hervorgerufen werden, während er als die Zustandsdichte reduzierendes Element wirkt. Die ionische Rolle, die Fluor in einer solchen Legierung spielt, wird als wichtiger Faktor hinsichtlich der Beziehungen zwischen nächsten Nachbarn angesehen. it is believed that such a larger amount of fluorine is significant on a new structure configuration of an amorphous silicon-containing material and facilitates the addition of other alloys, such as germanium. In addition to Its other properties already mentioned, fluorine is believed to be a local organizer Structure in the silicon-containing alloy by inductive and ionic effects is. It is believed that fluorine also affects the bonding of hydrogen by being in acts favorably in the direction of a decrease in the density of defect states caused by hydrogen while it acts as the density of states reducing element. The ionic role that fluorine in one such alloy plays is considered to be an important factor regarding of the relationships between nearest neighbors.
Amorphe Siliziumlegierungen, die Fluor enthalten, haben somit wesentlich verbesserte Charakteristiken für die Anwendung als Sperrschicht-Fotoelemente im Vergleich zu amorphen Siliziumlegierungen gezeigt, die als die Zustandsdichte verringerndes Element nur Wasserstoff enthalten. Um jedoch den vollen Vorteil dieser amorphen Siliziumlegierungen, die Fluor enthalten, zu nutzen, wenn sie zur Bildung der aktiven Bereiche von Sperrschicht-Fotoelementen eingesetzt werden, muß sichergestellt werden, daß der größtmögliche Anteil der verfügbaren Photonen darin absorbiert wird, so daß in wirksamer Weise Elektron-Loch-Paare erzeugt werden.Amorphous silicon alloys containing fluorine thus have significantly improved characteristics for the Application as barrier photo elements versus amorphous silicon alloys shown as the density of states reducing element contain only hydrogen. However, to take full advantage of these amorphous silicon alloys, containing fluorine when used to form the active areas of barrier photovoltaic elements it must be ensured that the largest possible proportion of the available photons is absorbed in it, so that electron-hole pairs are effectively generated.
Diese Vorgänge sind z. B. bei Sperrschicht-Fotoelementen mit pin-Konfiguration von besonderer Wichtigkeit. Solche Foto-These processes are e.g. B. in junction photo elements with pin configuration of particular importance. Such photo
elemente weisen ρ- und η-dotierte Schichten auf entgegengesetzten Seiten einer aktiven eigenleitenden Schicht, in der die Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, auf. Sie bilden einen Spannungsgradienten durch das Bauelement aus, um die Trennung der Elektronen und Löcher zu erleichtern, und bilden ferner Kontaktschichten, wodurch das Sammeln der Elektronen und Löcher als elektrischer Strom vereinfacht wird.elements have ρ- and η-doped layers on opposite sides Pages of an active intrinsic layer in which the electron-hole pairs are generated. they form a voltage gradient across the device to facilitate the separation of electrons and holes, and also form contact layers, which simplifies the collection of electrons and holes as an electric current will.
Die aktiven Bereiche absorbieren nicht sämtliche verfügbaren Photonen. Zwar werden praktisch sämtliche Photonen kürzerer Wellenlänge absorbiert, aber ein großer Anteil der Photonen mit größerer Wellenlänge, , deren Energien nahe der Absorptionskante des eigenleitenden Halbleitermaterials liegen, wird nicht absorbiert. Der Verlust dieser nichtabsorbierten Photonen verringert die erzeugbaren Kurzschlußströme. Um den Verlust dieser Photonen mit größerer Wellenlänge auszuschließen, werden aus elektrisch leitenden Metallen gebildete Rückreflektoren eingesetzt, die das ungenutzte oder nichtabsorbierte Licht zurück in die aktiven Bereiche der Bauelemente reflektieren.The active areas do not absorb all of the available photons. It is true that practically all photons become shorter Wavelength absorbed, but a large proportion of the photons with a longer wavelength, whose energies are close to the absorption edge of the intrinsic semiconductor material is not absorbed. Loss of this unabsorbed Photons reduce the short-circuit currents that can be generated. To the loss of these photons with greater wavelength to exclude, back reflectors formed from electrically conductive metals are used to remove the unused or reflect unabsorbed light back into the active areas of the components.
Die p- und η-leitenden Schichten sind leitfähig und weisen bevorzugt einen großen Bandabstand zur Verringerung der Photonenabsorption in diesen Schichten auf. Somit, ist ein Rückreflektor außerordentlich vorteilhaft, wenn er in Verbindung mit einer p-leitenden Schicht mit großem Bandabstand, die eine der dotierten Schichten eines solchen Bauelements bildet, eingesetzt wird. Rückreflektierende Schichten dienen somit dazu, das ungenutzte Licht zurück in den eigenleitenden Bereich des Fotoelements zu reflektieren,The p- and η-conductive layers are conductive and have preferably a large band gap to reduce the photon absorption in these layers. Thus, is a Back reflector is extremely advantageous when it is used in conjunction with a p-conducting layer with a large band gap, which forms one of the doped layers of such a component is used. Retroreflective Layers thus serve to reflect the unused light back into the intrinsic area of the photo element,
wo eine weitere Nutzung der Sonnenenergie zur Erzeugung zusätzlicher Elektron-Loch-Paare möglich ist. Eine rückreflektierende Schicht ermöglicht es einem größeren Anteil der verfügbaren Photonen, in die aktive eigenleitende Schicht zu gelangen und dort absorbiert zu werden.where another use of solar energy for generation additional electron-hole pairs is possible. A retroreflective one Layer allows a larger proportion of the available photons to enter the active intrinsic layer and get absorbed there.
Leider können die besten der bekannten Rückreflektoren nur ca. 80 % des ungenutzten Lichts der interessierenden Wellenlängen zurück in die Bauelemente reflektieren, in denen sie eingesetzt sind. Edelmetalle wie Kupfer und Silber und Metalle wie Aluminium wurden, da sie hochleitfähig sind, als mögliche Werkstoffe für Rückreflektoren vorgeschlagen. Diese Metalle können jedoch in den Halbleiter der Fotoelemente, in denen sie eingesetzt werden, diffundieren und dabei die Lichtansprecheigenschaften der Fotoelemente nachteilig beeinflussen. Infolgedessen wurden als Rückreflektoren andere, weniger stark leitfähige und reflektierende Metalle verwendet. Diese sind z. B. Molybdän und Chrom. Diese Metalle schließen zwar eine Diffusion in den Halbleiter der Fotoelemente aus, können jedoch den Reflexionsgrad der höher reflektierenden Metalle nicht erreichen. Es besteht somit ein Bedarf für bessere Rückreflexionssysteme, bei denen nicht nur eine stärkere Reflexion des ungenutzten Lichts stattfindet, sondern die auch eine Diffusion des Rückreflektormaterials in die Fotoelemente ausschließen.Unfortunately, the best of the known rear reflectors can only Approx. 80% of the unused light of the wavelengths of interest are reflected back into the components in which they are are used. Precious metals like copper and silver and metals like aluminum were considered as being highly conductive suggested possible materials for rear reflectors. However, these metals can be found in the semiconductor of the photo elements, in which they are used, diffuse and thereby the light response properties of the photo elements adversely affect. As a result, other, less highly conductive and reflective reflectors were used as rear reflectors Metals used. These are e.g. B. molybdenum and chromium. It is true that these metals form a diffusion into the semiconductor of the photo elements, however, can reduce the reflectance of the more highly reflective metals. It There is thus a need for better back reflection systems that not only have a stronger reflection of the unused Light takes place, but also exclude diffusion of the back reflector material into the photo elements.
Es wurden nunmehr neue und verbesserte Rückreflektorsysteme gefunden, die sowohl in einer erhöhten Reflexion ungenutzten Lichts gegenüber bekannten Rückreflektoren resultieren als auch Schutz gegen eine Diffusion der Rückreflektorwerkstoffe in den Halbleiter der Fotoelemente bieten. Die Rückreflekto-There have now been new and improved retroreflector systems found that both result in an increased reflection of unused light compared to known back reflectors than also protection against diffusion of the rear reflector materials in the semiconductor of the photo elements offer. The back reflective
reri nach der Erfindung können sowohl in Einzelzellen-Sperr-RchichL-Fotoelementen vom pin-Typ als auch in Mehrfachzellen-Strukturen mit einer Mehrzahl von Einzelzelleneinheiten eingesetzt werden.reri according to the invention can be used in single-cell blocking RchichL photo elements of the pin type as well as in multiple cell structures with a plurality of single cell units can be used.
Durch die vorliegende Erfindung werden neue und verbesserte Rückreflektorsysteme zur Verwendung in Sperrschicht-Fotoelementen angegeben. Die Rückreflektorsysteme resultieren in erhöhter Reflexion von nichtabsorbiertem Licht zurück in die aktiven Bereiche der Fotoelemente, in denen sie vorgesehen sind, und verhindern gleichzeitig eine Diffusion der Rückreflektorwerkstoffe in die Fotoelemente.The present invention provides new and improved retroreflective systems for use in barrier photo elements specified. The back reflector systems result in increased reflection of unabsorbed light back into the active areas of the photo elements in which they are provided and at the same time prevent diffusion of the rear reflector materials in the photo elements.
Die Rückreflektorsysteme umfassen eine Schicht aus einem hochreflektierenden Material und eine Schicht aus einem lichtdurchlässigen Leitermaterial. Die lichtdurchlässige Leiterschicht ist zwischen dem Fotoelement und der hochreflektierenden Schicht vorgesehen.The retroreflective systems comprise a layer of a highly reflective material and a layer of one translucent conductor material. The translucent conductive layer is between the photo element and the highly reflective one Shift provided.
Das hochreflektierende Material kann ein hochreflektierender metallischer Werkstoff wie ein hochreflektierendes Metall, z. B. Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium oder Legierungen dieser Werkstoffe sein. Der hochreflektierende metallische Werkstoff kann aus metallischen Verbindungen wie WN ,The highly reflective material can be a highly reflective one metallic material such as a highly reflective metal, e.g. B. gold, silver, copper or aluminum or alloys these materials. The highly reflective metallic material can be made from metallic compounds such as WN,
Ti , ZrN , HfN . oder MoN bestehen. χ χ x1 χTi, ZrN, HfN . or MoN. χ χ x1 χ
Der lichtdurchlässige Leiter kann ein lichtdurchlässiges leitfähiges Oxid wie Indiumzinnoxid, Cadmiumstannat, dotiertes Zinnoxid, Vanadiumoxid, Germaniumzinnoxid, Eisen(III)-oxid, Zinkoxid oder Kupfer(l)-oxid sein. Der lichtdurchlässige Leiter kann auch ein lichtdurchlässiges leitendesThe translucent conductor can be a translucent conductive oxide such as indium tin oxide, cadmium stannate, doped Tin oxide, vanadium oxide, germanium tin oxide, iron (III) oxide, zinc oxide or copper (I) oxide. The translucent one Head can also be translucent conductive
Chalkogenid wie Zinkselenid oder Cadmiumsulfid sein. Es kann sich auch um Siliziumkarbid handeln.Be a chalcogenide such as zinc selenide or cadmium sulfide. It can are also silicon carbide.
Der lichtdurchlässige Leiter hat die Funktion, die Reflexion von nichtabsorbiertem Licht zurück in die Fotoelemente zu verstärken, und wirkt ferner als lichtdurchlässige Sperrschicht, die eine Diffusion der hochreflektierenden Materialien in die Halbleiterbereiche der Fotoelemente verhindert. Die Rüekreflektorsysteme nach der Erfindung bieten somit eine erhöhte Rückreflexion von nichtabsorbiertem Licht ohne eine Verschlechterung der Lichtempfindlichkeits-Eigenschaften der Halbleitermaterialien der Fotoelemente.The translucent conductor has the function of reflecting to amplify unabsorbed light back into the photo elements, and also acts as a light permeable barrier layer, which is a diffusion of the highly reflective materials in the semiconductor areas of the photo elements prevented. The retroreflector systems according to the invention thus offer increased retroreflection of non-absorbed light without a deterioration in photosensitivity properties the semiconductor materials of the photo elements.
Die Rückreflektoren nach der Erfindung sind speziell in Sperrschicht-Fotoelementen, vom pin-Typ einsetzbar. Solche Fotoelemente weisen einen eigenleitenden aktiven Halbleiterbereich auf, in dem lichtinduzierte Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, und dotierte Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit sind auf jeweils entgegengesetzten Seiten des eigenleitenden Bereichs vorgesehen. Der aktive eigenleitende Bereich ist bevorzugt ein amorpher Siliziumlegierungskörper oder eine Fluor als Zustandsdichte verringerndes Element enthaltende Schicht. Die dotierten Bereiche umfassen ferner bevorzugt eine p-leitende amorphe Siliziumlegierungsschicht mit großem Bandabstand, die entweder die oberste oder die unterste Halbleiterschicht des Fotoelements bildet. In beiden Fällen sind die amorphen Halbleiterbereiche bevorzugt auf einem Substrat abgeschieden, wobei die Schicht aus hochreflektierendem Metall an das Substrat angrenzt und das lichtdurchlässige leitfähige Oxid zwischen der hochreflektierenden Materialschicht und der untersten dotierten Schicht liegt.The rear reflectors according to the invention are specifically shown in FIG Pin-type barrier photo elements, usable. Such photo elements have an intrinsically conductive active semiconductor area in which light-induced electron-hole pairs are generated, and doped zones of opposite conductivity are provided on opposite sides of the intrinsic area. The active intrinsic The region is preferably an amorphous silicon alloy body or a fluorine as a density of states reducing element containing layer. The doped regions furthermore preferably comprise a p-conducting amorphous silicon alloy layer with a large band gap, which forms either the top or the bottom semiconductor layer of the photo element. In In both cases, the amorphous semiconductor regions are preferably deposited on a substrate, the layer being composed of highly reflective metal adjoins the substrate and the translucent conductive oxide between the highly reflective Material layer and the lowermost doped layer lies.
Im wesentlichen sämtliche Photonen mit kürzerer Wellenlänge werden in den aktiven eigenleitenden Bereichen absorbiert, wogegen nur ein Teil der Photonen mit längeren Wellenlängen und Energien nahe der Absorptionskante des eigenleitenden Materials absorbiert wird. Daher ist die Dicke des lichtdurchlässigen Leiters so eingestellt, daß die Reflexion der Photonen mit größerer Wellenlänge optimiert wird. Zu diesem Zweck ist die Dicke des lichtdurchlässigen Leiters bevorzugt durch die folgende Beziehung bestimmt:Essentially all photons with shorter wavelengths are absorbed in the active intrinsic areas, whereas only a part of the photons with longer wavelengths and energies close to the absorption edge of the intrinsic Material is absorbed. Therefore, the thickness of the transparent conductor is adjusted so that the reflection of the Photons with a longer wavelength is optimized. For this purpose, the thickness of the transparent conductor is preferred determined by the following relationship:
d ='d = '
mit d = die Schichtdicke,with d = the layer thickness,
Tl= die kleinste zu reflektierendeTl = the smallest to be reflective
Photonenwellenlänge,
η = die Brechzahl des lichtdurchlässigenPhoton wavelength,
η = the refractive index of the translucent
Leiters, und
k = ein ungerader ganzzahliger Multiplikator.Head, and
k = an odd integer multiplier.
Die Rückreflektorsysteme nach der Erfindung sind auch in Mehrfachzellen-Fotoelementen, z. B. in Tandemzellen, einsetzbar. The back reflector systems according to the invention are also shown in FIG Multi-cell photo elements, e.g. B. in tandem cells, can be used.
Das Rückreflektorsystem nach der Erfindung für ein Sperrschicht-Fotoelement aus Halbleitermaterial mit mindestens einem aktiven Bereich, auf den Strahlung auftrifft zur Erzeugung von Ladungsträgern, wobei das Rückreflektorsystem ungenutzte Strahlung in den aktiven Bereich zurückreflektiert, ist gekennzeichnet durch eine aus einem lichtdurch-The back reflector system of the invention for a barrier photo element made of semiconductor material with at least one active area on which radiation is incident Generation of charge carriers, with the back reflector system reflecting unused radiation back into the active area, is characterized by one of a translucent
33035983303598
lässigen Werkstoff gebildete erste Schicht und durch eine zweite Schicht, die an die erste Schicht auf der dem aktiven Bereich entgegengesetzten Seite derselben angrenzt, wobei die zweite Schicht aus einem hochreflektierenden Werkstoff besteht.casual material formed first layer and by a second layer attached to the first layer on top of the active Area on the opposite side of the same, the second layer being made of a highly reflective material consists.
Ein Mehrzellen-Sperrschicht-Fotoelement nach der Erfindung aus einer Mehrzahl Schichten amorpher Halbleiterlegierungen, die auf einem Substrat abgeschieden sind, ist gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Einzelzelleneinheiten, die einschließlich einer unteren Zelleneinheit in Reihenanordnung vorgesehen sind, wobei jede Einzelzelleneinheit eine erste dotierte amorphe Halbleiterlegierungsschicht, einen eigenleitenden amorphen Halbleiterlegierungskörper, der auf der ersten dotierten Schicht abgeschieden ist, eine auf dem eigenleitenden Körper abgeschiedene weitere dotierte amorphe Halbleiterlegierungsschicht, die in bezug auf die erste dotierte amorphe Halbleiterlegierungsschicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist, und einen Rückreflektor, der zwischen der untersten Zelleheinheit und dem Substrat liegt und eine erste, aus einem lichtdurchlässigen Werkstoff bestehende Schicht der unteren Zelleneinheit benachbart sowie eine zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und dem Substrat aufweist, wobei die zweite Schicht aus einem hochreflektierenden Werkstoff besteht, umfaßt.A multi-cell junction photo element according to the invention made from a plurality of layers of amorphous semiconductor alloys, deposited on a substrate is characterized by a plurality of single cell units including a lower cell unit are provided in a row arrangement, each individual cell unit a first doped amorphous semiconductor alloy layer, an intrinsic amorphous semiconductor alloy body formed on the first doped layer is deposited, another doped amorphous layer deposited on the intrinsic body Semiconductor alloy layer which is opposite to the first doped amorphous semiconductor alloy layer from the opposite Conductivity type, and a back reflector located between the lowermost cell unit and the substrate and a first layer made of a light transmissive material adjacent the lower cell unit and a second layer between the first layer and the substrate, wherein the second layer of a highly reflective material consists, includes.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail, for example, with the aid of the drawing. Show it:
Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung, die zur Durch-1 shows a diagrammatic representation of a glow discharge separation device, the to
führung des Verfahrens nach der Erfindung für die Herstellung der Sperrschicht-Fotoelemente einsetzbar ist;implementation of the method according to the invention for the production of the barrier layer photo elements can be used;
Fig. 2 eine Schnittansicht 2-2 eines Teils der Einrichtung nach Fig. 1;Figure 2 is a sectional view 2-2 of part of the device according to Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Sperrschicht-Fotoelements vom pin-Typ nach der Erfindung; undFig. 3 is a sectional view of a pin-type barrier photo element embodying the invention; and
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer Mehrfachzelle, die eine Mehrzahl pin-Sperrschicht-Fotozelleneinheiten umfaßt, die in Zwillings- bzw. Tandemkonfiguration angeordnet sind.Fig. 4 is a sectional view of a multiple cell which comprises a plurality of pin junction photocell assemblies which are in a twin or tandem configuration are arranged.
Fig. 1 zeigt eine Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung 10 mit einem Gehäuse 12. Dieses umschließt eine Unterdruckkammer 14 und umfaßt eine Eintrittskammer 16 und eine Austrittskammer 18. Ein Katodenträger 20 ist in der Unterdruckkammer 14 über einen Isolator 22 befestigt.1 shows a glow discharge deposition device 10 with a housing 12. This encloses a vacuum chamber 14 and comprises an inlet chamber 16 and an outlet chamber 18. A cathode carrier 20 is fastened in the vacuum chamber 14 via an insulator 22.
Der Katodenträger 20 umfaßt eine Isolierhülse 24, die ihn umfangsmäßig umschließt. Eine Dunkelraumabschirmung 26 ist im Abstand von der Hülse 24 diese umfangsmäßig umgebend angeordnet. Ein Substrat 28 ist an einem inneren Ende 30 des Katodenträgers 20 mittels einer Halterung 32 gesichert. Die Halterung 32 kann durch Verschrauben oder anderweitig konventionell an dem Katodenträger 20 in elektrischem Kontakt mit diesem gesichert werden.The cathode carrier 20 comprises an insulating sleeve 24 which surrounds it circumferentially. A dark room shield 26 is at a distance from the sleeve 24 this circumferentially surrounding. A substrate 28 is at an inner end 30 of the Cathode carrier 20 secured by means of a holder 32. The bracket 32 can be screwed or otherwise conventionally secured to the cathode carrier 20 in electrical contact therewith.
Der Katodenträger 20 weist eine Vertiefung 34 auf, in die ein elektrisches Heizelement 36 zum Erwärmen des Katodenträgers 20 und damit des Substrats 28 eingebaut ist. Der Katodenträger 20 umfaßt ferner einen Temperaturfühler 38,The cathode carrier 20 has a recess 34 into which an electrical heating element 36 for heating the cathode carrier 20 and thus the substrate 28 is installed. The cathode carrier 20 also includes a temperature sensor 38,
der die Temperatur des Katodenträgers 20 mißt. Der Temperaturfühler 38 wird eingesetzt, um die Aktivierung des Heizelements 36 zur Unterhaltung des Katodenträgers 20 und des Substrats 28 auf jeder erwünschten Temperatur zu steuern.which measures the temperature of the cathode carrier 20. The temperature sensor 38 is used to activate the heating element 36 to maintain the cathode carrier 20 and the Substrate 28 at any desired temperature.
Die Einrichtung 10 umfaßt ferner eine Elektrode 30, die sich vom Gehäuse 12 in die Unterdruckkammer 14 im Abstand von dem Katodenträger 20 erstreckt. Die Elektrode 40 umfaßt eine sie umgebende Abschirmung 42, die ihrerseits ein auf ihr befestigtes Substrat 44 trägt. Die Elektrode 40 hat eine Vertiefung 46, in die ein Elektrodenheizelement 48 eingebaut ist. Die Elektrode 40 weist ferner einen Temperaturfühler 50 auf, der ihre Temperatur und damit diejenige des Substrats 44 mißt. Der Temperaturfühler 50 dient dazu, die Aktivierung des Heizelements 48 zur Unterhaltung von Elektrode 40 und Substrat 44 auf jeder gewünschten Temperatur unabhängig von dem Katodenträger 20 zu steuern.The device 10 further includes an electrode 30, which extends from the housing 12 into the vacuum chamber 14 at a distance from the cathode carrier 20. The electrode 40 includes them surrounding shielding 42, which in turn carries a substrate 44 attached to it. The electrode 40 has a recess 46, in which an electrode heating element 48 is built. The electrode 40 also has a temperature sensor 50, which measures their temperature and thus that of the substrate 44. The temperature sensor 50 is used to activate of heating element 48 to maintain electrode 40 and substrate 44 at any desired temperature regardless of the cathode carrier 20 to control.
Ein Glimmentladungsplasma wird in einem Raum 52 zwischen den Substraten 28 und 44 durch die Energie von einer geregelten HF-, Wechsel- oder Gleichspannungsversorgung ausgebildet, die mit dem Katodenträger 20 und durch den Raum 52 mit der Elektrode 40 gekoppelt ist, die ihrerseits an Erde liegt. Die Unterdruckkammer 14 wird auf den erwünschten Druck von einer Vakuumpumpe 54 evakuiert, die mit der Unterdruckkammer 14 über eine Teilchenfalle 56 gekoppelt ist. Ein Manometer 58 ist mit dem Unterdrucksystem verbunden und dient der Regelung der Pumpe 54 derart, daß die Einrichtung 10 auf dem erwünschten Druck gehalten wird.A glow discharge plasma is in a space 52 between the Substrates 28 and 44 formed by power from a regulated RF, AC, or DC power supply, which is coupled to the cathode carrier 20 and through the space 52 to the electrode 40, which in turn is connected to earth. The vacuum chamber 14 is evacuated to the desired pressure by a vacuum pump 54 connected to the vacuum chamber 14 is coupled via a particle trap 56. A manometer 58 is connected to the vacuum system and is used Control of the pump 54 in such a way that the device 10 is kept at the desired pressure.
Die Eintrittskammer 16 des Gehäuses 12 weist bevorzugt eine Mehrzahl Leitungen 60 zur Einleitung von Materialien in dieThe inlet chamber 16 of the housing 12 preferably has a plurality of lines 60 for introducing materials into the
Einrichtung 10 auf, in der sie vermischt und in der Unterdruckkammer dann in dem Glimmentladungsplasma-Raum 52 auf die Substrate 28 und 44 abgeschieden werden. Erwünschtenfalls kann die Eintrittskammer 16 an einem entfernten Ort liegen, und die Gase können vor ihrer Einleitung in die Unterdruckkammer 14 vorgemischt werden. Die gasförmigen Materialien werden in die Leitungen 60 durch einen Filter oder eine andere Reinigungsvorrichtung 62 mit einem von einem Absperrorgan 64 bestimmten Durchsatz eingeleitet.Device 10 in which they are mixed and in the vacuum chamber then deposited onto substrates 28 and 44 in glow discharge plasma space 52. If desired For example, the entry chamber 16 may be located at a remote location and the gases may prior to their introduction into the Vacuum chamber 14 are premixed. The gaseous materials are in the lines 60 through a filter or another cleaning device 62 is initiated with a throughput determined by a shut-off element 64.
Wenn ein Material ursprünglich nicht in Gasform, sondern stattdessen in fester oder flüssiger Form vorliegt, kann es in einen hermetisch dichten Behälter 66 eingebracht werden, wie bei 68 angedeutet ist. Das Material 68 wird dann von einem Heizelement 70 erwärmt, um seinen Dampfdruck im Behälter 66 zu erhöhen. Ein geeignetes Gas, ζ. Β. Argon, wird durch ein Tauchrohr 72 in das Material 68 eingeleitet und nimmt die Dämpfe des Materials 68 mit und befördert sie durch einen Filter 62" und ein Absperrorgan 64' in die Leitungen 60 und von dort in die Einrichtung 10.If a material is not originally in gaseous form, but instead in solid or liquid form, it can be placed in a hermetically sealed container 66, as indicated at 68. The material 68 is then of a heating element 70 to increase its vapor pressure in the container 66. A suitable gas, ζ. Β. Argon, is introduced into the material 68 through a dip tube 72 and entrains and conveys the vapors of the material 68 through a filter 62 ″ and a shut-off element 64 ′ into the lines 60 and from there into the device 10.
Die Eintrittskammer 16 und die Austrittskammer 18 weisen bevorzugt Abschirmungen 74 auf, so daß das Plasma in der Unterdruckkammer 14, und dort hauptsächlich zwischen den Substraten 28 und 44, gehalten wird.The entry chamber 16 and the exit chamber 18 preferably have shields 74 so that the plasma in the Vacuum chamber 14, and there mainly between the substrates 28 and 44, is held.
Die durch die Leitungen 60 zugeführten Materialien werden in der Eintrittskammer 16 vermischt und dann in den Glimmentladungsraum 52 geleitet, um das Plasma zu unterhalten und die Legierung auf die Substrate abzuscheiden, wobei Silizium, Fluor, Sauerstoff und die übrigen erwünschten Modifikations-The materials supplied through the lines 60 are mixed in the entry chamber 16 and then into the glow discharge space 52 to maintain the plasma and deposit the alloy on the substrates using silicon, Fluorine, oxygen and the other desired modification
elemente wie Wasserstoff und/oder Dotierstoffe oder andere erwünschte Materialien eingebaut werden.elements such as hydrogen and / or dopants or other desired materials are incorporated.
Zur Abscheidung von Schichten eigenleitender amorpher Siliziumlegierungen wird die Einrichtung 10 vor dem Abscheidungsvorgang zuerst auf einen erwünschten Abscheidungsdruck, z. B. weniger als 20 mTorr evakuiert. Ausgangsmaterialien oder Reaktionsgase wie Siliziumtetrafluorid (SiF.) und molekularer Wasserstoff (H2) und/oder Silan werden in die Eintrittskammer 16 durch getrennte Leitungen 60 eingeleitet und dann in der Eintrittskammer vermischt. Das Gasgemisch wird in die Unterdruckkammer geleitet, um in dieser einen Partialdruck von ca. 0,6 Torr zu unterhalten. In dem Raum 52 zwischen den Substraten 28 und 44 wird ein Plasma erzeugt unter Anwendung einer Gleichspannung von mehr als 1000 V oder durch HF-Energie von ca. 50 W, wobei mit einer Frequenz von 13,56 MHz oder einer anderen erwünschten Frequenz gearbeitet wird.For the deposition of layers of intrinsically conductive amorphous silicon alloys, the device 10 is first to a desired deposition pressure, e.g. B. evacuated less than 20 mTorr. Starting materials or reaction gases such as silicon tetrafluoride (SiF.) And molecular hydrogen (H 2 ) and / or silane are introduced into the inlet chamber 16 through separate lines 60 and then mixed in the inlet chamber. The gas mixture is fed into the vacuum chamber in order to maintain a partial pressure of approx. 0.6 Torr in it. A plasma is generated in the space 52 between the substrates 28 and 44 using a direct voltage of more than 1000 V or by using RF energy of approximately 50 W, operating at a frequency of 13.56 MHz or another desired frequency .
Zusätzlich zu den in der vorstehend erläuterten Weise abgeschiedenen eigenleitenden amorphen Siliziumlegierungen verwenden die hier beschriebenen Fotoelemente auch dotierte amorphe Siliziumlegierungen einschließlich solche mit großem Bandabstand p. Diese dotierten Legierungsschichten können p-, p+-, n- oder n+-leitend sein und können durch Einleiten eines geeigneten Dotierstoffs in die Unterdruckkammer zusammen mit dem eigenleitenden Ausgangsmaterial wie Silan (SiH4) oder Siliziumtetrafluorid (SiF.) und/oder Wasserstoff und/oder Silan eingeleitet werden.In addition to the intrinsic amorphous silicon alloys deposited in the manner explained above, the photo elements described here also use doped amorphous silicon alloys, including those with a large band gap p. These doped alloy layers can be p-, p + -, n- or n + -conducting and by introducing a suitable dopant into the vacuum chamber together with the intrinsic starting material such as silane (SiH 4 ) or silicon tetrafluoride (SiF.) And / or hydrogen and / or silane can be introduced.
Für n- oder p-dotierte Schichten kann das Material mit 5-100 ppm Dotierstoff während der Abscheidung dotiertFor n- or p-doped layers, the material can be used with 5-100 ppm dopant doped during the deposition
- ΊΟ -- ΊΟ -
(1H. Für tu— oder p+-dotierte Schichten wird das Material während der Abscheidung desselben mit 100 ppm bis mehr als 1 % Dotierstoff dotiert. Die n-Dotierstoffe sind z. B. Phosphor, Arsen, Antimon oder Wismut. Bevorzugt werden die η-dotierten Schichten durch die Glimmentladungs-Zersetzung von wenigstens Siliziumtetrafluorid (SiF.) und Phosphin (PH_) abgeschieden. Diesem Gemisch können außerdem Wasserstoff und/oder Silangas (SiH4) zugegeben werden.( 1 H. For tu- or p + -doped layers, the material is doped with 100 ppm to more than 1% dopant during its deposition. The n-dopants are, for example, phosphorus, arsenic, antimony or bismuth η-doped layers deposited by the glow discharge decomposition of at least silicon tetrafluoride (SiF.) and phosphine (PH_). Hydrogen and / or silane gas (SiH 4 ) can also be added to this mixture.
Die p-Dotierstoffe sind z. B. Bor, Aluminium, Gallium, Indium oder Thallium. Bevorzugt werden die dotierten Schichten durch die Glimmentladungs-Zersetzung von mindestens Silan und Diboran (B0H,-) oder Siliziumtetrafluorid und Diboran abgeschieden. Dem Siliziumtetrafluorid und Diboran können auch Wasserstoff und/oder Silan zugegeben werden.The p-type dopants are e.g. B. boron, aluminum, gallium, indium or thallium. The doped layers are preferably deposited by the glow discharge decomposition of at least silane and diborane (B 0 H, -) or silicon tetrafluoride and diborane. Hydrogen and / or silane can also be added to the silicon tetrafluoride and diborane.
Außerdem werden gemäß der Erfindung die p-leitenden Schichten aus amorphen Siliziumlegierungen hergestellt, die wenigstens ein den Bandabstand vergrößerndes Element enthalten. Z. B. können in die p-leitenden Legierungen zur Vergrößerung ihrer Bandabstände Kohlenstoff und/oder Stickstoff eingebaut werden. Eine amorphe Siliziumlegierung mit großem Bandabstand ρ kann z. B. durch ein Gasgemisch aus Siliziumtetrafluorid (SiF.), Silan (SiH.), Diboran (B_H,.)In addition, according to the invention, the p-type layers made of amorphous silicon alloys containing at least one bandgap-increasing element. For example, carbon and / or nitrogen can be used in the p-type alloys to increase their band gaps to be built in. An amorphous silicon alloy with a large band gap ρ can e.g. B. by a gas mixture of silicon tetrafluoride (SiF.), Silane (SiH.), Diborane (B_H ,.)
4 fi ί Ο4 fi ί Ο
und Methan (CH.) gebildet werden. Dies resultiert in einer p-leitenden amorphen Siliziumlegierung mit großem Bandabstand. and methane (CH.) are formed. This results in a p-type amorphous silicon alloy with a large band gap.
Die dotierten Schichten der Fotoelemente werden bei verschiedenen Temperaturen in Abhängigkeit von der abgeschiedenen Materialart und dem eingesetzten Substrat abgeschieden.The doped layers of the photo elements are deposited at different temperatures depending on the one Material type and the substrate used deposited.
Bei Aluminiumsubstraten sollte die Höchsttemperatur nicht
über ca. 600 0C liegen, während sie bei rostfreiem Stahl
über ca. 1000 0C liegen kann. Bei den eigenleitenden und
dotierten Legierungen, die ursprünglich mit Wassserstoff kompensiert sind, z. B. die aus Silangas als Ausgangsmaterial
abgeschiedenen Legierungen, sollte die Substrattemperatur unter ca. 400 0C, bevorzugt zwischen 250 und 350 0C,
liegen. - ,
■■■■.■[ In the case of aluminum substrates, the maximum temperature should not be above approx. 600 ° C., while it can be above approx. 1000 ° C. in the case of stainless steel. In the case of intrinsically conductive and doped alloys that were originally compensated with hydrogen, e.g. B. from silane gas as the raw material deposited alloys, should the substrate temperature below about 400 0 C, preferably between 250 and 350 0 C, are. -,
■■■■. ■ [
Andere Werkstoffe und Legierungselemente können den eigenleitenden und dotierten Schichten ebenfalls beigefügt werden, um eine optimierte Stromerzeugung zu erreichen. Diese weiteren Werkstoffe und Elemente werden nachstehend in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen der Fotoelemente gemäß den Fig. 3 und 4 erläutert.Other materials and alloy elements can be intrinsically conductive and doped layers can also be added in order to achieve optimized power generation. These further materials and elements are described below in connection with the exemplary embodiments of the photo elements according to FIGS. 3 and 4 explained.
Fig. 3 zeigt im Schnitt ein pin-Fotoelement nach der Erfindung. Das Fotoelement 110 umfaßt ein Substrat 112 aus Glas oder einer biegsamen rostfreien Stahl- oder Aluminiumbahn. Das Substrat 112 hat eine jeweils erwünschte Länge und Breite und eine Dicke von bevorzugt 0,12-0,25 mm.Fig. 3 shows in section a pin photo element according to the invention. The photo element 110 includes a substrate 112 made of glass or a flexible stainless steel or aluminum sheet. The substrate 112 has a desired length and length Width and a thickness of preferably 0.12-0.25 mm.
Gemäß der Erfindung wird auf dem Substrat 112 eine hochreflektierende Materialschicht 114 abgeschieden. Die Schicht 114 wird durch Aufdampfen aufgebracht, was ein relativ schnelles Aufbringverfahren ist. Die Schicht 114 ist bevorzugt ein hochreflektierendes metallisches Material wie Silber, Gold, Aluminium oder Kupfer oder Legierungen dieser Werkstoffe. Das hochreflektierende Material kann auch eine hochreflektierende metallische Verbindung wie WN , TiN ,According to the invention, on the substrate 112 is a highly reflective Material layer 114 deposited. Layer 114 is applied by vapor deposition, which is a relatively fast application process is. Layer 114 is preferably a highly reflective metallic material such as Silver, gold, aluminum or copper or alloys of these materials. The highly reflective material can also be a highly reflective metallic compounds such as WN, TiN,
X ΛX Λ
ZrN , HfN„ oder MoN sein. Auf die Schicht 114 wirdZrN, HfN “or MoN. On the layer 114 is
eine lichtdurchlässige Lederschicht 115 aufgebracht. Diese kann ein lichtdurchlässiges leitendes Oxid (TCO) sein, das in einer AufdampfUmgebung aufgebracht wird; sie ist z. B. Indiumzinnoxid (ITO), Cadmiumstannat (Cd-SnO^), Zinkoxid, Kupfer(I)-oxid, Vanadiumoxid, Germaniumzinnoxid, Eisen(III)-oxid oder Zinnoxid (SnO2). Die lichtdurchlässige leitende Schicht 115 kann auch aus Siliziumkarbid oder einem lichtdurchlässigen Chalkogenid wie Cadmiumsulfid oder Zinkselenid bestehen. Die hochreflektierende Schicht 114 und die lichtdurchlässige Leiterschicht 115 bilden ein Rückreflexionssystem gemäß der Erfindung.a translucent leather layer 115 is applied. This can be a translucent conductive oxide (TCO) deposited in a vapor deposition environment; she is z. B. indium tin oxide (ITO), cadmium stannate (Cd-SnO ^), zinc oxide, copper (I) oxide, vanadium oxide, germanium tin oxide, iron (III) oxide or tin oxide (SnO 2 ). The transparent conductive layer 115 can also consist of silicon carbide or a transparent chalcogenide such as cadmium sulfide or zinc selenide. The highly reflective layer 114 and the light-transmissive conductor layer 115 form a back reflection system according to the invention.
Das Substrat 112 wird dann in die Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung eingebracht. Eine erste dotierte p-leitende amorphe Siliziumlegierungsschicht 116 mit großem Bandabstand wird auf die Schicht 115 gemäß der Erfindung abgeschieden. Die dargestellte Schicht 116 ist p+-leitend. Die pH—Zone ist so dünn wie möglich ausgebildet, ihre Dicke liegt zwischen 50 und 500 Ä, was ausreicht, um einen guten Ohmschen Kontakt zwischen der p+-Zone und der lichtdurchlässigen leitenden Oxidschicht 115 herzustellen. Die pH—Zone dient ferner dazu, ein Potentialgefälle durch das Fotoelement auszubilden, wodurch das Einfangen von lichtinduzierten Elektron-Loch-Paaren als elektrischer Strom erleichtert wird. Die p+~Zone 116 kann aus jedem der vorher angegebenen Gasgemische abgeschieden werden.The substrate 112 is then placed in the glow discharge deposition facility brought in. A first doped p-type amorphous silicon alloy layer 116 with a wide band gap is deposited on layer 115 in accordance with the invention. The illustrated layer 116 is p + -type. The pH zone is made as thin as possible, their thickness is between 50 and 500 Å, which is sufficient for a good ohmic Establish contact between the p + region and the transparent conductive oxide layer 115. The pH zone is used also to form a potential gradient through the photo element, whereby the trapping of light-induced Electron-hole pairs as an electric current is facilitated. The p + ~ zone 116 can be any of the previously indicated Gas mixtures are deposited.
Anschließend wird ein eigenleitender amorpher Siliziumlegierungskörper 118 auf der p-leitenden Schicht 116 mit großem Bandabstand abgeschieden. Der eigenleitende Körper 118 ist relativ dick in der Größenordnung von 4500 8 und wirdThen an intrinsic amorphous silicon alloy body is made 118 on the p-type layer 116 with a large Band gap deposited. The intrinsic body 118 is relatively thick, on the order of 4500 8, and becomes
33085933308593
aus Siliziumtetrafluorid und Wasserstoff und/oder Silan abgeschieden. Der eigenleitende Körper enthält bevorzugt die mit Fluor kompensierte amorphe Siliziumlegierung, da hier der größte Teil der Elektron-Loch-Paare erzeugt wird. Der Kurzschlußstrom des Fotoelements wird durch die kombinierten Auswirkungen des Rückreflektors nach der Erfindung und des großen Bandabstands der p-leitenden amorphen Siliziumlegierungsschicht 116 erhöht.made of silicon tetrafluoride and hydrogen and / or silane deposited. The intrinsic body preferably contains the amorphous silicon alloy compensated with fluorine, since this is where most of the electron-hole pairs are generated. The short-circuit current of the photo element is combined by the Effects of the back reflector according to the invention and the large band gap of the p-type amorphous silicon alloy layer 116 increased.
Auf dem eigenleitenden Körper 118 wird eine weitere dotierte Schicht-120. abgeschieden, die gegenüber der ersten dotierten Schicht 116 vom entgegengesetzten Leitungstyp ist. Sie besteht aus einer n+-leitenden amorphen Siliziumlegierung und kann ebenfalls einen großen Bandabstand aufweisen. Die n+-Schicht 120 wird aus irgendeinem der Gasgemische, die vorher in diesem Zusammenhang genannt wurden, abgeschieden. Sie wird in einer Dicke zwischen 50 und 500 A abgeschieden und dient als Kontaktschicht.Another doped one is doped on the intrinsic body 118 Layer-120. deposited, which is opposite to the first doped layer 116 of the opposite conductivity type. she consists of an n + -conducting amorphous silicon alloy and can also have a large band gap. the n + layer 120 is deposited from any of the gas mixtures previously mentioned in this context. It is deposited in a thickness between 50 and 500 Å and serves as a contact layer.
Auf die n+-Schicht 120 wird dann eine lichtdurchlässige leitende Oxidschicht (TCO-Schicht) 122 abgeschieden. Diese kann ebenfalls in einer AufdampfUmgebung aufgebracht werden und ist z. B. Indiumzinnoxid (ITO), Cadmiumstannat (Cd2SnO.) oder dotiertes Zinnoxid (SnO2).A transparent conductive oxide layer (TCO layer) 122 is then deposited on the n + layer 120. This can also be applied in a vapor deposition environment and is e.g. B. indium tin oxide (ITO), cadmium stannate (Cd 2 SnO.) Or doped tin oxide (SnO 2 ).
Auf die Oberfläche der TCO-Schicht 122 ist eine Gitterelektrode 124 aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit aufgebracht. Das Gitter kann zueinander senkrechte Linien aus leitendem Material umfassen, die nur einen geringen Anteil der Fläche des metallischen Bereichs einnehmen, wobei die übrige Fläche der Sonnenenergie auszusetzenOn the surface of the TCO layer 122 is a grid electrode 124 made of a metal with good electrical conductivity. The grid can be perpendicular to each other Comprise lines of conductive material that take up only a small proportion of the surface of the metallic area, exposing the rest of the surface to solar energy
ist. Z. B. kann das Gitter 124 nur ca. 5-10 % der Gesamtfläche der TCO-Schicht 122 bedecken. Die Gitterelektrode sorgt für gleichmäßiges Sammeln von Strom aus der TCO-Schicht 122, so daß ein guter niedriger Reihenwiderstand für das Fotoelement gewährleistet ist.is. For example, the grid 124 can only be about 5-10% of the total area of the TCO layer 122 cover. The grid electrode ensures that electricity is evenly collected from the TCO layer 122, so that a good low series resistance for the photo element is ensured.
Zur Vervollständigung des Fotoelements 110 wird auf die Gitterelektrode 124 und die Oberflächenbereiche der TCO-Schicht 122 zwischen den Gitterbereichen eine reflexionsmindernde oder AR-Schicht 126 aufgebracht. Die AR-Schicht weist eine Oberfläche auf, auf die die Sonnenstrahlung auftrifft. Z. B. hat die AR-Schicht 126 eine Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge des maximalen Energiepunkts des Sonnenstrahlungsspektrums, dividiert durch die vierfache Brechzahl der reflexionsmindernden Schicht 126. Eine geeignete AR-Schicht 126 ist z. B. Zirkonoxid mit einer Dicke von ca. 500 A und einer Brechzahl von 2,1. Alternativ kann die TCO-Schicht 122 ebenfalls als reflexionsmindernde Schicht wirken, und in diesem Fall kann die reflexionsmindernde Schicht 126 entfallen und eine geeignete Vergußmasse dafür vorgesehen werden.To complete the photo element 110, refer to the Grid electrode 124 and the surface areas of the TCO layer 122 a reflection-reducing element between the grating areas or AR layer 126 applied. The AR layer has a surface that is exposed to solar radiation hits. For example, the AR layer 126 has a thickness on the order of the wavelength of the maximum energy point the solar radiation spectrum divided by four times the refractive index of the anti-reflective layer 126. A suitable one AR layer 126 is e.g. B. zirconium oxide with a thickness of about 500 A and a refractive index of 2.1. Alternatively can the TCO layer 122 can also act as an anti-reflective layer, in which case the anti-reflective Layer 126 is omitted and a suitable casting compound is provided for it.
Die lichtdurchlässige Leiterschicht 115 und die TCO-Schicht 122 brauchen nicht aus dem gleichen Werkstoff zu bestehen. Die TCO-Schicht 122 muß in der Lage sein, einfallende Strahlung sowohl kurzer als auch langer Wellenlänge zu übertragen. Da jedoch im wesentlichen die gesamte Strahlung kürzerer Wellenlänge in dem eigenleitenden Bereich 118 während des ersten Durchgangs durch diesen absorbiert wird, braucht die lichtdurchlässige Leiterschicht 115 nur für Strahlung längerer Wellenlänge durchlässig zu sein, z. B. für Licht mit Wellenlängen von ca. 6000 A oder langer.The transparent conductor layer 115 and the TCO layer 122 do not need to be made of the same material. The TCO layer 122 must be capable of incident To transmit radiation of both short and long wavelengths. However, there is essentially all of the radiation shorter wavelength in intrinsic region 118 is absorbed through it during the first pass, the light-transmissive conductor layer 115 only needs for To be transparent to radiation of longer wavelengths, e.g. B. for light with wavelengths of about 6000 A or longer.
Die Dicke der lichtdurchlässigen Leiterschicht 155, die im vorliegenden Fall ein lichtdurchlässiges leitendes Oxid ist, kann so eingestellt werden, daß die Steigerung des Reflexionsgrads der Schicht 115 optimiert wird. Z. B. ist die Dicke der Schicht 115 bevorzugt durch die folgende Beziehung bestimmttThe thickness of the transparent conductive layer 155, which in the present case is a transparent conductive oxide, can be adjusted to optimize the increase in the reflectance of layer 115. E.g. that is The thickness of the layer 115 is preferably determined by the following relationship
d = A k/4/nd = A k / 4 / n
mit d = Dicke der Schicht 115,with d = thickness of layer 115,
V= kleinste zu reflektierende Photonenwellenlänge, η = Brechzahl des lichtdurchlässigen Leiters, und k = ein ungerader ganzzahliger Multiplikator.V = smallest photon wavelength to be reflected, η = refractive index of the translucent conductor, and k = an odd integer multiplier.
Nahezu sämtliche Photonen kürzerer Wellenlängen werden von der aktiven eigenleitenden Schicht 118 absorbiert. Infolgedessen hat, wie bereits erläutert, der überwiegende Teil der nichtabsorbierten Photonen längere Wellenlängen. Diese Photonen können Wellenlängen von ca. 6000 A und langer haben. Bei einem lichtdurchlässigen leitfähigen Oxid, z. B. Indiumzinnoxid mit einer Brechzahl von ca. 2,0 bei diesen längeren Wellenlängen, wobei k bevorzugt gleich 1 ist, sollte die Dicke der Schicht 115 ca. 750 8 betragen.Almost all photons of shorter wavelengths are from of the intrinsic active layer 118 is absorbed. As a result, as already explained, the vast majority of unabsorbed photons have longer wavelengths. These photons can have wavelengths of around 6000 A and longer to have. In the case of a translucent conductive oxide, e.g. B. indium tin oxide with a refractive index of about 2.0 in these longer wavelengths, where k is preferably equal to 1, the thickness of the layer 115 should be approx. 750 8.
Jeder der vorher erwähnten hochreflektierenden Werkstoffe kann in Verbindung mit der Indiumzinnoxidschicht von 750 Ä verwendet werden. Von den vorher erwähnten reflektierenden Werkstoffen ist jedoch Kupfer der kostengünstigste und weist für die langen Wellenlängen von 6000 A oder mehr einen guten Reflexionsgrad auf. Bei dieser KombinationAny of the aforementioned highly reflective materials can be used in conjunction with the indium tin oxide layer of 750 Ä can be used. From the aforementioned reflective Materials, however, copper is the most cost-effective and has long wavelengths of 6000 A or more a good reflectance. With this combination
von Workft:<--fPen und der Dicke des Indiumzinnoxids von 750 K kann eine Reflexion von mindestens 97 % des gesamten ungenutzten Lichts zurück in die Halbleiterbereiche des Fotoelements 110 erwartet werden. Da ferner das lichtdurchlässige leitfähige Oxid auch als lichtdurchlässige Sperrschicht wirkt, wird eine Diffusion des Kupfers oder eines der anderen hochreflektierenden Materialien in die Halbleiterbereiche des Fotoelements 110 verhindert..from Workft: <- fPen and the thickness of the indium tin oxide from 750 K can reflect at least 97% of all unused light back into the semiconductor areas of the photo element 110 can be expected. Furthermore, since the translucent Conductive oxide also acts as a translucent barrier layer, diffusing the copper or one of the other highly reflective materials in the Prevents semiconductor regions of the photo element 110 ..
Wie bereits erwähnt, kann der Bandabstand der eigenleitenden Schicht 118 auf eine bestimmte Lichtempfindlichkeits-Kennlinie durch Einbau von den Bandabstand verringernden Elementen eingestellt werden. Alternativ kann der Bandabstand des eigenleitenden Körpers 118 so abgestuft sein, daß er von der p+-Schicht 116 zu der n+-Schicht 120 hin stetig größer wird (vgl. z. B. die US-Patentanmeldung Serial-Nr. 427 756 vom 29. Sept. 1982). Während die eigenleitende Schicht 118 abgeschieden wird, können z. B. eines oder mehrere den Bandabstand verringernde Elemente wie Germanium, Zinn oder Blei in die Legierungen in stetig abnehmender Konzentration eingebaut werden. Z. B. kann Monogermangas (GeH.) in die Glimmentladungs-Abscheidungskammer mit einer zuerst relativ hohen Konzentration eingeleitet werden und dann, während die eigenleitende Schicht abgeschieden wird, bis auf einen Punkt verringert werden, an dem die Einleitung beendet wird. Der resultierende eigenleitende Körper enthält somit ein den Bandabstand verringerndes Element wie Germanium in von der pH—Schicht 116 zur n+-Schicht 120 stetig abnehmender Konzentration. As already mentioned, the band gap of the intrinsic layer 118 can be based on a specific light sensitivity characteristic can be adjusted by installing the band gap reducing elements. Alternatively, the band gap of the intrinsic body 118 be graded so that it is steadily larger from the p + -layer 116 to the n + -layer 120 (See, e.g., U.S. Patent Application Serial No. 427,756 filed Sept. 29, 1982). While the intrinsic layer 118 is deposited, z. B. one or more bandgap reducing elements such as germanium, tin or Lead can be built into the alloys in a steadily decreasing concentration. For example, Monogermangas (GeH.) Can be added to the Glow discharge deposition chamber with one first relative high concentration and then, while the intrinsic layer is being deposited, down to a point at which the initiation is terminated. The resulting intrinsic body thus contains a Bandgap-reducing element such as germanium in a concentration that decreases steadily from the pH layer 116 to the n + layer 120.
Fig. 4 zeigt ein Mehrfachzellen-Fotoelement 150 in Tandemoder Zwillingsanordnung. Das Fotoelement 150 umfaßt zwei4 shows a multi-cell photo element 150 in tandem or Twin arrangement. Photo element 150 includes two
-3308593-3308593
Einzelzelleneinheiten 152 und 154, die in Reihenanordnung vorgesehen sind. Selbstverständlich können mehr als zwei Einzelzelleneinheiten verwendet werden.Single cell units 152 and 154 arranged in series are provided. Of course, more than two can Single cell units are used.
Das Fotoelement 150 umfaßt ein Substrat 156 aus einem elektrisch gut leitfähigen Metall wie rostfreiem Stahl oder Aluminium. Auf dem Substrat 156 ist ein Rückreflektorsystem gemäß der Erfindung abgeschieden, das eine Schicht 157 aus hochreflektierendem Material, die aus einem der vorher beschriebenen Werkstoffe und mit einem der erläuterten Verfahren hergestellt sein kann, umfaßt. Zur Vervollständigung des Rückreflektors ist eine Schicht 159 aus einem lichtdurchlässigen Leiter, z. B. einem lichtdurchlässigen leitenden Oxid, auf der hochreflektierenden Schicht 157 abgeschieden. Die Schicht 159 kann aus einem der beschriebenen lichtdurchlässigen Leitermaterialien bestehen und mit einer optimalen Dicke abgeschieden sein.The photo element 150 includes a substrate 156 of a electrically conductive metal such as stainless steel or aluminum. On the substrate 156 is a back reflector system deposited according to the invention, which a layer 157 from highly reflective material made from one of the materials described above and with one of the explained Process can be produced includes. To complete the back reflector, a layer 159 is made of one translucent conductor, e.g. B. a translucent conductive oxide, on the highly reflective layer 157 deposited. The layer 159 can consist of one of the described light-permeable conductor materials and with be deposited to an optimal thickness.
Die erste Zelleneinheit 152 umfaßt eine erste dotierte p+-leitende amorphe Siliziumlegierungsschicht 158, die auf die lichtdurchlässige leitende Oxidschicht 159 aufgebracht ist. Die p+-Schicht ist bevorzugt gemäß der Erfindung eine p-leitende amorphe Siliziumlegierung mit großem Bandabstand. Sie kann aus jedem der bereits dafür genannten Ausgangsmaterialien abgeschieden werden.The first cell unit 152 comprises a first doped one p + -type amorphous silicon alloy layer 158 deposited on the transparent conductive oxide layer 159 is. According to the invention, the p + layer is preferably a p-conducting amorphous silicon alloy with a large band gap. It can be deposited from any of the starting materials already mentioned for this purpose.
Auf der p+-Schicht 158 mit großem Bandabstahd ist ein erster eigenleitender amorpher Siliziumlegierungskörper 160 abgeschieden. Dieser ist bevorzugt eine amorphe Silizium-Fluor-Legierung .There is a first on the wide band-spaced p + layer 158 intrinsic amorphous silicon alloy body 160 deposited. This is preferably an amorphous silicon-fluorine alloy .
Die zweite Zelleneinheit 154 ist im wesentlichen identisch ausgebildet und umfaßt eine erste dotierte .pH—Schicht 164, einen eigenleitenden Körper 166 und eine weitere dotierte n+-Schicht 168. Das Fotoelement 150 wird durch eine TCO-Schicht 170, eine Gitterelektrode 172 und eine reflexionsmindernde Schicht 174 vervollständigt.The second cell unit 154 is essentially identical formed and comprises a first doped .pH layer 164, an intrinsic body 166 and a further doped n + layer 168. The photo element 150 is made up of a TCO layer 170, a grid electrode 172 and an anti-reflective layer 174 are completed.
Die Bandabstände der eigenleitenden Schichten sind bevorzugt so eingestellt, daß der Bandabstand der Schicht 166 größer als derjenige der Schicht 160 ist. Zu diesem Zweck kann die die Schicht 166 bildende Legierung eines oder mehrere den Bandabstand vergrößernde Elemente wie Stickstoff und Kohlenstoff enthalten. Die die eigenleitende Schicht 160 bildende eigenleitende Legierung kann eines oder mehrere den Bandabstand verringernde Elemente wie Germanium, Zinn oder Blei enthalten.The band gaps between the intrinsic layers are preferred adjusted so that the band gap of layer 166 is greater than that of layer 160. For this purpose, the alloy forming layer 166 has one or more bandgap-enlarging elements such as nitrogen and carbon contain. The intrinsic alloy making up intrinsic layer 160 may include one or more of the bandgap contain reducing elements such as germanium, tin or lead.
Aus der Figur ist ersichtlich, daß die eigenleitende Schicht 160 der Zelle dicker als die eigenleitende Schicht 166 ist. Dadurch kann das gesamte nutzbare Spektrum der Sonnenenergie zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren genutzt werden.It can be seen from the figure that the intrinsic layer 160 of the cell is thicker than the intrinsic layer 166. As a result, the entire usable spectrum of solar energy can be used to generate electron-hole pairs.
Vorstehend wurde zwar eine Tandem-Fotozelle gezeigt und erläutert; die Zelleneinheiten können aber auch durch Oxidschichten voneinander isoliert werden, so daß ein Mehrfachzellen-Stapel gebildet wird. Jede Zelleneinheit könnte zwei Sammelelektroden aufweisen, um die Reihenschaltung der Zelleneinheiten mit externen Schaltungen zu vereinfachen. A tandem photocell was shown and explained above; but the cell units can also through Oxide layers are isolated from one another, so that a multi-cell stack is formed. Each cell unit could have two collecting electrodes to simplify the series connection of the cell units with external circuits.
Als weitere Alternative, die bereits in bezug auf die Einzelzellen erwähnt wurde, kann einer oder mehrere derAs another alternative, which is already in relation to the Single cells mentioned can be one or more of the
eigenleitenden Körper der Zelleneinheiten Legierungen mit abgestuften Bandabständen umfassen. Jedes der bereits erwähnten den Bandabstand vergrößernden oder verringernden Elemente kann zu diesem Zweck einzeln oder kombiniert in die eigenleitenden Legierungen eingebaut werden (vgl. z. B-. die US-Patentanmeldung Serial-Nr. 427 757).intrinsic body of the cell units with alloys include graduated band gaps. Any of the aforementioned increasing or decreasing the band gap For this purpose, elements can be individually or combined in the intrinsic alloys are installed (cf. e.g .. the U.S. patent application serial no. 427 757).
Wie aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich ist, werden durch die Erfindung neue und verbesserte Rückreflektorsysteme geschaffen, die z. B. in Sperrschicht-Fotoelementen einsetzbar sind. Die Rückreflektoren erhöhen nicht nur die Menge des in die Halbleiterbereiche der Fotozellen zurückreflektierten ungenutzten Lichts, sondern verhindern auch eine Diffusion der Rückreflektormaterialien in die Halbleiterbereiche. Der Wirkungsgrad der neuen und verbesserten Rückreflektoren ergibt sich bei einem lichtdurchlässigen leitenden Oxid wie Indiumzinnoxid aus dem Reflexionsvermögen von 98,5 %, 97 % bzw. 90 % bei Verwendung von hochreflektierenden Metallen wie Silber, Kupfer bzw. Aluminium gegenüber Reflexionsgraden von 80 % für nur Silber, 74 % für nur Kupfer bzw. 70 % für nur Aluminium.As can be seen from the above explanation, new and improved back reflector systems are created by the invention, the z. B. in barrier photo elements can be used. The rear reflectors not only increase that Amount of reflected back into the semiconductor areas of the photocells unused light, but also prevent diffusion of the back reflector materials into the semiconductor areas. The efficiency of the new and improved rear reflectors results from a translucent conductive one Oxide like indium tin oxide from the reflectivity of 98.5%, 97% or 90% when using highly reflective Metals such as silver, copper or aluminum compared to degrees of reflection of 80% for only silver, 74% for only Copper or 70% for aluminum only.
Bei jedem der beschriebenen Ausführungsbeispiele brauchen mit Ausnahme der eigenleitenden Legierungsschichten die Legierungsschichten nicht amorph zu sein, sondern können z. B. polykristallin sein. (Mit "amorph" wird eine Legierung oder ein Werkstoff mit weitreichender Fehlordnung bezeichnet, obwohl es sich auch um einen solchen mit einem Nahoder einem Zwischenordnungsgrad handeln kann oder sogar hin und wieder kristalline Einschlüsse vorhanden sein können.)In each of the exemplary embodiments described, with the exception of the intrinsic alloy layers, the Alloy layers not to be amorphous, but can e.g. B. be polycrystalline. ("Amorphous" means an alloy or a material with far-reaching disorder, although it is also one with a near or an intermediate degree of order or even crystalline inclusions can be present from time to time.)
Claims (45)
gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Einzelzelleneinheiten, die einschließlich einer unteren Zelleneinheit in Reihenanordnung vorgesehen sind, wobei jede Einzelzelleneinheit umfaßt:30. A multi-cell junction photo element made from a plurality of layers of amorphous semiconductor alloys deposited on a substrate;
characterized by a plurality of single cell units provided in series including a lower cell unit, each single cell unit comprising:
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