NL8007005A

NL8007005A - Uit vele lagen bestaande fotovoltaische zonnecel met een halfgeleiderlaag aan het grensvlak van de kortsluitovergang.

Info

Publication number: NL8007005A
Application number: NL8007005A
Authority: NL
Original assignee: Chevron Res
Priority date: 1979-12-31
Filing date: 1980-12-23
Publication date: 1981-08-03
Also published as: DE3047431A1; NL187042B; CA1148639A; JPS56112764A; FR2472841A1; GB2067012B; US4255211A; IL61616A0; FR2472841B1; GB2067012A; ES498204A0; NL187042C; AU6525280A; JPS6359269B2; AU540344B2; ES8202987A1; IL61616A; DE3047431C2

Description

** * Μ.ο.29.681 -1-

Uit vele lagen bestaande fotovoltaische zonnecel met een halfgeleider-laag aan het grensvlak van de kortsluitovergang.

De uitvinding heeft betrekking op de omzetting van zonne-energie in elektrische energie, en meer in het bijzonder op een uit vele lagen bestaande fotovoltaische cel met een groot rendement van zulk een omzetting.

5 Men heeft verschillende vormen van fotovoltaische cellen ontwikkeld voor het omzetten van zonne-energie in elektrische energie, maar het rendement van de bekende systemen is laag en als de rendementen worden verbeterd door gebruik te maken van meer doeltreffende omzetters zijn de kosten van de omzetters hoog. Men heeft voorgesteld de kosten 10 van de omzetting te verminderen en het rendement van de omzetting te verhogen door de zonne-energie te concentreren door gebruik te maken van optische systemen die op de omzetters zijn gericht. Met zulke systemen kan het rendement van de omzetting verder worden vergroot. Kostenoverwegingen met betrekking tot elk van de verschillende onderdelen 15 van een systeem voor het omzetten van zonne-energie geven aan, dat met lichtconcentrators duurdere fotovoltaische omzetters kunnen worden toegepast, maar er zijn economische grenzen voor de kosten van het concentreer systeem. Als voorts de concentratie van licht op de omzetter intenser wordt, moet de warmte afkomstig van het geconcentreerde licht 20 worden gedissipeerd, omdat het rendement van sommige omzetters afneemt als de warmte van de omzetter toeneemt.

Een studie van de hierboven weergegeven overwegingen heeft aangetoond, dat bij gebruikmaking van concentreersystemen, die de kosten van de energieomzetting kunnen verlagen door vergroting van het rendement 25 van de omzetting, het accent kan verschuiven van de kosten van de om-zetcel naar het rendement van de cel. Als derhalve het rendement van de cel groot genoeg kan worden gemaakt, kan een concentreersysteem goedkoper elektriciteit opwekken dan hetzelfde oppervlak van een goedkopere opstelling.

30 Deze opmerkingen leiden tot het overwegen van gestapelde zonnecel len met vele overgangen en een groot rendement, waarbij elke cel reageert op een andere energieband van de zonne-energie, en met een concentrator voor het concentreren van de energie en het richten van de cel naar de energiebron. Een essentiële voorwaarde voor een gunstige 35 werking van een gestapelde cel met vele overgangen is echter dat de gestapelde overgangen in serie zijn geschakeld via grensvlakken met een lage weerstand, waardoor de door licht opgewekte stroom van een 8007005 -2- overgang naar de volgende kan vloeien.

Uit vele lagen bestaande fotovoltaische cellen zijn voorgesteld als een middel voor het omzetten van zonne-energie in elektrische energie. Eén vorm van zulk een cel is beschreven in de met deze 5 aanvrage verband houdende Amerikaanse Octreooiaanvrage 52707, ingediend op 28 Juni 1979, en getiteld "Multijunction Photovoltaic Solar Cell”.

De onderhavige aanvrage is gericht op een uit vele lagen bestaande fotovoltaische cel die wordt gevormd door stapels van cellen met homo overgangen en met een halfgeleiderlaag aan het grensvlak van de 10 kortsluitovergang tussen lagen van de cel.

Voor de bekende, uit vele lagen bestaande fotovoltaische cellen is ook voorgesteld de opeenvolgende lagen te vervaardigen van halfgeleidermaterialen die reageren op verschillende afstanden tussen de energiebanden. Zie het Amerikaanse octrooischrift 4.017.332 ten name 15 van L.W.James, uitgegeen op 12 April 1977. In de cel die in de onderhavige aanvrage wordt beschreven, worden verschillende lagen gekozen die reageren op verschillende bandafstanden bij hoofdzakelijk hetzelfde stroomniveau, waarbij speciaal de bandafstand wordt vermeden voor lichtenergie die wordt beïnvloed door fluctuaties 20 van de vochtigheid en de hoeveelheid lucht, en tussen de lagen is een dunne tussengelegen tunnelovergangslaag aangebracht voor een kleine bandafstand en met een aangepast rooster.

De in de onderhavige aanvrage geopenbaarde fotovoltaische cel onderscheidt zich van de bekende stand van de techniek door speciaal de 25 afwezigheid van een overgang in het substraat, voorts door de vervaardiging van lagen met een rooster dat is aangepast aan het substraat en die homo-overgangen bevatten, en voorts door de toevoeging van een halfgeleiderlaag aan het grensvlak van de kortsluitovergang tussen lagen van de cel, ter verkrijging van de gewenste elektrische 30 omzetting met het gewenste rendement.

De gedachte zeer hoge rendementen te verkrijgen voor energieomzetting door het optisch stapelen van zonnecellen met verschillende bandafstanden, is bekend. Er is echter een steeds toenemend aantal aanleidingen de monolitische vervaardiging van zulk 35 een stapel zonnecellen op één enkel schijfje te overwegen. Dit geldt voor toepassingen in de ruimtevaart, omdat één enkel schijfje lichter is dan een uit verschillende schijfjes bestaande stapel, en ook voor toepassingen op aarde waarbij van concentreersystemen gebruik wordt gemaakt, omdat één enkel schijfje vermoedelijk goedkoper, eenvoudiger 40 en gemakkelijker te koelen is dan een uit een aantal schijfjes 8007005 -3- -5 s'* bestaande stapel. Er zijn echter belangrijke beperkingen voor het ontwerpen en de vervaardiging van zulk een monolitisch gestapelde zonnecel met vele overgangen en een groot rendement. Twee beperkingen voor het ontwerpen zijn, ten eerste dat de verschillende 5 halfgeleidermaterialen die de stapel vormen althans bijna geheel aan elkaar aangepaste roosters moeten bezitten, zodat de eenheid van het kristal kan worden gehandhaafd, en ten tweede, als de lichtgevoelige overgangen in serie moeten worden geschakeld, dat de bandafstanden van de materialen zodanig zijn, dat de door licht opgewekte stroom bij 10 benadering gelijkelijk kan worden verdeeld over de meervoudige overgangen. Een gevolg hiervan het is probleem van het verschaffen van de gewenste serieverbinding tussen de actieve overgangen, zonder dat onaanvaardbare spanningsverliezen optreden bij de niet actieve overgangen in de te overwegen gestapelde structuur.

15 In overeenstemming met het voorgaande wordt een vele overgangen bevattende fotovoltaische cel voorgesteld die lagen van indiumgalliumfosfide en van indiumgalliumarsenide bevat op een substraat van germanium. De opeenvolgende lagen omvatten overgangen in verschillende absorptiebanden, terwijl het substraat en de 20 opeenvolgende lagen roosters hebben die met elkaar overeenkomen met een afwijking kleiner dan + 1%. Aan het grensvlak van de kortsluitovergang tussen de lagen wordt voorgesteld een dunne transparante halfgeleiderlaag met een kleine bandafstand aan te brengen. Met een concentrator, niet reflecterende buitenbekledingen en aan de boven- en 25 de onderzijde aangebrachte contacten verschaft de cel een doeltreffend middel voor het omzetten van zonne-energie in elektrische energie.

De hier geopenbaarde fotovoltaische cel is een verbetering van de cel beschreven in de verwante Amerikaanse octrooiaanvrage 52707, ingediend op 28 Juni 1979.

30 De doeleinden en de kenmerken van de uitvinding zullen voor de vakman snel duidelijk worden uit de hiernavolgende beschrijving en de tekeningen, die betrekking hebben op voorkeursuitvoeringen en waarin:

Fig. 1 een cel met twee overgangen volgens de uitvinding weergeeft, 35 Fig. 2 een vergrote doorsnede is door een overgang tussen lagen van de cel van fig. 1, en

Fig. 3 een grafiek is die het verband aangeeft tussen de stroom en de spanning voor het verbindingsgebied van fig. 2 volgens de uitvinding.

40 De verbindende kortsluitovergang weergegeven in fig. 2 en elek- §007005 -4- trisch gekenmerkt in fig. 3 kan worden beschreven als een hetero-over-gang met een tunneleffect. Meer in het bijzonder is het grensvlak tussen p+ GalnP en n+ Ge een hetero-overgang met een tunnel effect.

Bij eerder beschreven uitvindingen waren de overgangen met een 5 tunneleffect van het type van homo-overgangen met materialen met een grote bandafstand (James, Amerikaans octrooischrift 4.017.332) of van een type van hetero-overgangen met een materiaal met een gemiddelde bandafstand (samenhangende Amerikaanse octrooiaanvrage 52707).

Het voordeel van de hetero-overgang met tunneleffect volgt uit het 10 feit, dat bij het tunneleffect de stroom zowel door de hoogte als door de breedte van de energiebarrière wordt geregeld. Een toeneming van zowel de hoogte als de breedte leidt tot een vermindering van de dichtheid van de tunnelstroom. Aangezien de barrière bij de bekende configuratie zeer groot is, moet de breedte zeer klein zijn. Een kleine breed-15 te van de barrière of uitputtingsbreedte maakt een buitengewoon grote doopconcentratie noodzakelijk, in feite zo groot dat precipitatie van de doopstof kan optreden waardoor het kristallijne karakter van de laag verslechtert. Een kleine breedte van de barrière maakt een lage inter-diffusie noodzakelijk en derhalve een bewerking bij lage temperatuur.

20 Voor de structuur met een hetero-overgang met een tunneleffect wordt de hoogte van de barrière verminderd, waardoor een grotere breedte van de barrière wordt toegelaten.

Volgens de uitvinding wordt een verdere verlaging van de hoogte van de barrière voorgesteld door het aanbrengen van een dunne halfge-25 leiderlaag aan het grensvlak tussen lagen van de fotovoltaische cel. Deze verlaging van de hoogte van de barrière maakt een verkleining mogelijk van de serieweerstand van de kortsluitovergang en maakt het hierdoor mogelijk dat een cel met vele overgangen werkt bij hogere lichtintensiteiten en derhalve grotere concentreringsverhoudingen en f 30 potentieel lagere systeeemkosten. Bovendien maakt deze verlaging van de hoogte van de barrière een breder gebied voor de bewerkingstemperatuur mogelijk en een ruimere keuze van doopstof voor de overgang.

In de samenhangende Amerikaanse octrooiaanvrage 52.707 is opgemerkt, dat zonnecellen met twee è drie kleuren kunnen worden vervaar-35 digd door gebruik te maken van lagen van de InGaAsP-alliage en met een rooster dat is aangepast aan een Ge-substraat. Een zonnecel met twee kleuren van dit type is weergegeven in fig. 1. Bij de structuur volgens fig. 1 ligt de overgang met tunneleffect bij het grensvlak Ga^^In^As/In^^Ga^jP. De hoogte van de barrière van het 40 grensvlak wordt gekenmerkt door de bandafstand van Ga^^In^As $ 0 & y q f* v - » e ij ^ -5- van 1,2 ev. Er Wordt nu voorgesteld aan het grensvlak een halfgeleider-laag aan te brengen zoals is aangegeven in de vergrote doorsnede van fig· 2 .

Bij het voorstellen van een hetero-overgang met een tunneleffect 5 is opgemerkt, dat alhoewel het materiaal met een kleine bandafstand licht zal absorberen, die laag dun genoeg kan worden gemaakt zodat slechts weinig van de door licht opgewekte stroom verloren gaat.Meer in het bijzonder zal bij een absorptielengte van 500 nm een laag met een dikte van 50 nm slechts 10% van het licht absorberen. Als de helft van 10 de opgewekte dragers zich in de verkeerde richting beweegt zal 5% van de door het licht opgewekte stroom verloren gaan. Ditzelfde argument met betrekking tot de pseudotransparantheid geldt voor een halfgeleider met een aangepast rooster en met een nog kleinere bandafstand. Voor een cel met veel kleuren op een germaniumsubstraat is germanium de voor de 15 hand liggende keuze voor een dunne tussenliggende overgangslaag met een kleine bandafstand, een aangepast rooster en een tunneleffect. Voor deze configuratie is de hoogte van de barrière voor het tunneleffect bij het grensvlak gekenmerkt door de bandafstand van Ge van 0,6 ev. Men heeft gevonden, dat n+ Ge een ohms contact vormt met GaAs van het n-ty-20 pe en dat tri- Ge/p+GaAs overgangen met tunneleffect kunnen worden vervaardigd met stroomdichtheden die groot genoeg zijn voor zonnecellen met een concentrator.

In fig. 3 ziet men een kromme die het verband aangeeft tussen de stroom (I) en de spanning (V) voor een overgang met een tunneleffect 25 van het type dat wordt voorgesteld voor het grensvlak tussen de lagen van de fotovoltaische cel volgens de uitvinding. Een overgang met een tunneleffect van het type waarvoor fig. 3 van toepassing is, is beschreven door J.C.Mariance in IBM Journal, 280 (1960).

De fig. 1 en 2 geven een schematische doorsnede door een fotovol-30 taische zonnecel met vele lagen volgens de uitvinding. De lagen van de cel zijn noch in verticale, noch in horizontale richting op schaal getekend, maar in de verticale richting zijn de lagen weergegeven met een ongeveer relatieve dikte. In de tekening is te zien, dat een germaniumsubstraat 11 aan êên zijde is voorzien van een contactoppervlak 12 en 35 aan de andere zijde is gekoppeld aan een eerste halfgeleidercel 13. De cel 13 is bij voorkeur vervaardigd van gallium, indium en arseen en bezit de samenstelling Gao,88*nO,12As en een energieband-afstand van 1,25 ev. Een overgang 14 is aangegeven in de eerste laag 13. Een tweede cel 15 is getekend in contact met de eerste cel 13. De 40 cel 15 is bij voorkeur vervaardigd van gallium, indium en fosfor en be- 8007005 -6- zit de samenstelling Gao,43^no 57^ en een energieband-afstand van 1,75 ev.

Op het andere oppervlak van de tweede cel 15 is een geleidende en transparante laag 16 van indiumtinoxide of antimoontinoxide aange-5 bracht. Indiumtinoxide en antimoontinoxide bestaan uit mengsels van twee oxiden; indiumoxide (I^Og) en tinoxide (Sn02) in het eerste geval en antimoonoxide (Sb02) en tinoxide in het tweede geval. In deze mengsels kunnen de twee oxiden in elke verhouding voorkomen, maar in het algemeen bevatten zij 80-90 mol % indiumoxide in het eerste geval 10 en 10 - 30 mol % antimoonoxide in het tweede geval. Deze samenstellingen worden op conventionele wijze aangegeven door de chemische formules 1^03/3^2 of SnO/Sb02*

Een of meer contacten 17 zijn aangebracht aan het buitenoppervlak van de laag 16. Elektrisch geleidende draden 18 en 19 zijn aan de res-15 pectievelijke contacten 12 en 17 gehecht. Een op het buitenoppervlak aangebrachte transparante antireflectiebekleding 20 bevindt zich op de oppervlaktelaag 16 en de contacten 17.

Zoals in fig. 1 is te zien is een concentrator 21, hier weergegeven als een concentrerende lens, aangebracht boven de cel in een posi-20 tie waarin het licht van een bron 22, hier aangegeven als de zon, wordt geconcentreerd.

Fig. 2 is een doorsnede door de overgang van de uit vele lagen bestaande cel van fig. 1 langs de lijn 2-2, waarin het speciale kenmerk van de uitvinding is te zien.

25 De doorsnede is vergroot teneinde de overgang te tonen als een dunne halfgeleidende laag 14 van transparant materiaal met een kleine bandafstand, zoals germanium. De halfgeleidende laag 14 scheidt de laag 13 van gal.liumindiumarsenide van de laag 15 van galliumindiumfosfor en in relatieve dimensies, heeft een dikte van ongeveer 5-30 nm, verge-30 leken met 50 nm voor de laag 13a en 100 nm voor de laag 15a.

De speciale kwaliteit van de germaniumlaag, die het mogelijk maakt dat deze in de gewenste verhouding functioneert, is volgens de uitvinding het feit, dat de laag iri- is gedoopt, terwijl de laag 13a n+ is gedoopt en de laag 15a p+ is gedoopt.

35 Volgens een voorkeurswerkwijze voor de vervaardiging van de vele overgangen bevattende zonnecel volgens de uitvinding gaat men uit van een monokristallijn substraat, bijvoorbeeld een schijfje germanium. Het uit een schijfje germanium bestaande substraat bevat bij voorkeur niet een lichtgevoelige overgang, ten eerste omdat een substraat met een 40 overgang duurder is om te vervaardigen omdat de zuiverheid van het ger- 8007005 -7- maniumschijfje met een functionele lichtgevoelige overgang ligt in de grootteorde van <Γ1 dpra, terwijl voor een schijfje zonder een overgang slechts een zuiverheid van ^ 1000 dpm noodzakelijk is, en ten tweede omdat een overgang in het germaniumschijfje zal reageren op het golf-5 lengtegebied van licht dat het ernstigst wordt beinvloed door fluctuaties in de vochtigheid en de hoeveelheid lucht. Voorts is een voordeel van het germaniumsubstraat dat het een elementaire halfgeleider is, evenals silicium, en men het als een lint kan laten groeien, waardoor wordt bijgedragen aan de verlaging van de kosten. Bovendien is germa-10 nium wat het rooster betreft met een afwijking 1% aangepast aan de lagen 13 en 15 en maakt het daarom mogelijk dat het rendement van de voorgestelde cel de theoretische grenswaarde dichter benadert. Voorts bepaalt de keuze van een germaniumsubstraat de roosterconstante van alle lagen in de. stapel, met inbegrip van de laag met een kleine bandaf-15 stand en een tunneleffect. Omdat het eenvoudig kan worden neergeslagen (GeH4“pyrolyse) is Ge een ideaal materiaal met een kleine bandaf-stand, onafhankelijk van de keuze van het substraat, maar een germaniumsubstraat zorgt ervoor dat het rooster automatisch is aangepast.

Bij de voorkeursuitvoering van de voorgestelde cel is de sub-20 straatlaag van germanium 200 - 300 /urn dik en bij voorkeur 250/um.

De benedengrens van de dikte wordt zowel bepaald door de werkomstandigheden die de geleidingskaraktristieken van het substraat vastleggen, als door de mechanische sterkte van het substraat bij het fungeren als de basis van de uit vele lagen bestaande cel. De bovengrens voor de af-25 meting van het substraat is in hoofdzaak een economische, aangezien de vervaardiging van dikkere substraten kostbaarder is en zulke substraten een groter volume van een duur materiaal bevatten.

Voorgesteld wordt een groeiwerkwijze die achtereenvolgens het 30 neerslaan mogelijk maakt van lagen van een III-V alliage over grote oppervlakken van het substraat. Het is bekend dat dit soort neerslaan is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.128.733, welk octrooi op 5 december 1978 is verleend aan L.M.Fraas e.a. In de verwante Amerikaanse octrooiaanvrage 52.707 is een groeikamer aangegeven voor zulk 35 een werkwijze die wordt genoemd de bij lage druk uit te voeren werkwijze voor het met behulp van een organische metaalverbinding neerslaan uit de dampfase. Volgens deze werkwijze wordt trialkylgallium of trial-kylindium of een mengsel van deze stoffen en fosfine of arsine of een mengsel daarvan in een pyrolysekamer geleid. Deze verbindingen reageren 40 op het germaniumsubstraat en vormen de gewenste InGaAs of InGaP allia- 8007005 -8- ge. Een voorbeeld van de reactie is:

600 eC

(1-x) Ga(C2H5)3 + x In(C2H5)3 + AsH3 Ga^^In^ + bijprodukten.

Hierin heeft x een waarde liggende tussen 0 en 1. Het produkt is 5 een halfgeleidende film die is neergeslagen op het germaniumsubstraat.

De halfgeleider is van het gedoopte p- type als damp van dialkyl-zink, dialkylcadmium of dialkylberylliumtrimethylamine wordt toegevoegd, en van het n- type als zwavelwaterstof, tetrahlkyltin of dial-kyltelluridedampen toegevoegd worden. Alle lagen van III-V alliages met 10 de voorgeschreven samenstelling laat men achtereenvolgens groeien door gebruik te maken van een geprogrammeerde regelaar voor de gasstroom.

Er wordt voorgesteld bij de fabricage van de vele overgangen bevattende zonnecel van fig. 1 cellen met homo-overgangen en een aangepast rooster op elkaar te stapelen door kortsluitovergangen met een 15 tunneleffect aan de heterovlakken te positioneren. Als men uitgaat van een germaniumsubstraat 11 met een doopstof van het p+ type wordt de volgende laag van de cel 13 gevormd door het op epitactische wijze neerslaan van een laag galliumindiumarsenide van het p+ type, bij voorkeur met een samenstelling van de alliage van 20 Gao^gglng^As. Tijdens het neerslaan van deze half geleidende laag wordt de concentratie van de doopstof verminderd ter verkrijging van een laag van het p- type en ten slotte wordt de doopstof veranderd ter verkrijging van een p-n overgang en een overgang naar een laag van het n- type. Door voortzetting van het neerslaan neemt de dik-25 te van deze laag toe en een laatste deel wordt neergeslagen met een doopstofconcentratie die voldoende is voor het verkrijgen van een n+ laag aan de grens van de eerste cel.

Zoals in de vergrote tekening van fig. 2 is te zien, wordt dan een laag 14 van germanium met een n+ doopstof ingeslagen op het oppervlak 30 van de cel 13 ter verkrijging van een overgang met een tunneleffect tussen de lagen van de cel met vele overgangen. De germaniumlaag wordt op epitaxiale wijze neergeslagen op het oppervlak van de cel 13 in dezelfde kamer voor het op chemische wijze neerslaan uit de dampfase met behulp van een organische metaalverbinding, en wel via pyrolyse van 35 GeH4, totdat de gewenste dikte tussen 5 en 30 nm is verkregen.

Een tweede halfgeleidercel 15 wordt dan op epitaxiale wijze neergeslagen op het buitenoppervlak van de Ge-laag op de eerste cel, eerst met een doopstof met een concentratie die geschikt is voor het verkrijgen van een p+ laag bij het grensvlak. De tweede halfgeleiderlaag 15 40 bestaat uit indiumgalliumfosfidemateriaal met een voorkeurssamenstel- 3007005 -9- ling van de alliage van In(),57®a0,43^· Tijdens het neerslaan van deze halfgeleiderlaag wordt de concentratie van de doop-stof verminderd, ter verkrijging van een laag van het p- type en ten slotte wordt de doopstof gewijzigd ter verkrijging van een p/n overgang 5 en een overgang naar een laag van het n- type. Voortgezet neerslaan vergroot de dikte van de tweede laag met een wijziging van de samenstelling van de doopstof ter verkrijging van een nf laag aan de grens van de tweede cel.

Een buitenste geleidende laag 16 wordt dan neergeslagen op het 10 buitenoppervlak van de tweede cel 15 ter voltooiing van de twee over-gangen bevattende fotovoltaische cel. De geleidende laag kan ook een antireflectiebekleding zijn of een aparte bekleding 20 kan worden neergeslagen op de laag 16 en op de geleider 17 in aanraking met de laag 16. Bij voorkeur biedt de geleidende laag een alliagesamenstelling van 15 indiumtinoxide (1^03/^02) gewoonlijk af gekort als ITO.

Ter voltooiing van de fotovoltaische cel wordt elk van een paar geleiders 18 en 19 bevestigd op elk buitenoppervlak 12 van het substraat en de geleiders 17 onder de laag 20.

Er moet worden opgemerkt, dat de overgangen in de fotovoltaische 20 cel homoovergangen zijn en dat de roosters van de op elkaar gestapelde lagen aan elkaar zijn aangepast. Voorts zijn er germaniumovergangen met een dunner effect bij de heterovlakken tussen de cellen. Met deze con-structiewerkwijze verkrijgt men meer doeltreffende overgangen met een tunneleffeet.

25 In de zojuist beschreven, uit vele lagen bestaande fotovoltaische cel bezit de eerste laag een bandafstand van 1,25 ev en de tweede laag een bandafstand van 1,75 ev. Bij een tussenlaag van germanium die het tunneleffeet versterkt bedraagt de hoogte van de tunnelbarrière 0,6 ev.

30 Bij de beschreven voorkeursuitvoering ligt de dikte van elke neergeslagen samengestelde halfgeleiderlaag tussen 2 en 6/um en bedraagt bij voorkeur ongeveer 4/um. De sterk gedoopte overgangslaag met een tunneleffect aan de kant van de kleine bandafstand voor de cel met ho-mo-overgangen moet dun genoeg zijn om absorptie van een aanzienlijke 35 hoeveelheid licht te voorkomen, dat wil zeggen,dunner dan 100 nm. Het is niet moeilijk om aan deze voorwaarde te voldoen, aangezien de ab-sorptielengte juist boven maar in de buurt van de ruimte tussen de banden van een halfgeleider langer is, dat wil zeggen, in het van belang zijnde gebied voor een cel met vele overgangen. Deze laag moet derhalve 40 een dikte hebben, die groot genoeg is om volledige uitputting te voor- 8007005 Λ- k.

-10- komen, dat wil zeggen s 5 nm.

Elke laag van de uit vele lagen bestaande cel heeft een rooster dat is aangepast aan dat van de aangrenzende laag met een maximale variatie van de roosterconstante van + 1,0%. Deze aanpassing is belang-5 rijk, omdat bij een slechte aanpassing van de roosters of bij roosters die in het geheel niet aan elkaar zijn aangepast de kristalkwaliteit v-an een celsysteem verslechtert en een structuur wordt verkregen met een grote dichtheid van kristaldislocaties. In de ergste gevallen treden er zelfs grensvlakken van korrels op. Zulke dislocaties worden dan plaat-10 sen waarin recombinatie plaats vindt van de door het licht opgewekte ladingsdragers, waardoor de hoeveelheid opgewekte stroom vermindert. Deze dislocaties vormen ook omloopwegen voor de stroom, waardoor de spanningen bij een open schakeling verder afnemen.

Aanpassing van de roosters wordt verkregen door een juiste keuze 15 van de samenstelling en de relatieve hoeveelheden van de materialen in de verschillende lagen. De groeiwerkwijze met speciale sturing van de temperatuur is ook belangrijk voor de vorming van monokristall!jne lagen van een zeer goede kwaliteit.

De lagen van de de voorkeur verdienende, uit vele lagen bestaande 20 cel, die zijn neergeslagen op het germaniumsubstraat, bezitten alle een rooster dat is aangepast aan de roosterconstante van germanium van 0,566 nm, met een mogelijke afwijking van +1,0%.

De elementen (met uitzondering van Ge) toegepast in verschillende lagen van de inrichtingen van de fig. 1 en 2 vindt men alle in de ko-25 lommen UIA en VA van het periodiek systeem en verdienen de voorkeur voor toepassing volgens de uitvinding. Echter kunnen ook andere halfge-leidermaterialen volgens de uitvinding worden gebruikt, zoals is aangegeven in de conclusies en de eronder vallende equivalenten. Zo kunnen verbindingen van elementen uit de kolommen IIB en VIA zoals CdS en 30 CdTe, worden toegepast; ook IB-IIIA-VIA verbindingen, zoals CuInS of variaties daarvan, waarin S is vervangen door Se of In door Ga, en ook IIB - IVA -VA verbindingen, zoals ZnSnP. Ook kunnen andere IIIA-Va verbindingen worden gebruikt in plaats van de hiervoor beschreven UIA -VA verbindingen die de voorkeur verdiénen.

35 Alhoewel bepaalde voorkeursuitvoeringen van de uitvinding speciaal zijn beschreven, diene men te begrijpen dat de uitvinding niet ertoe is beperkt, dat vele variaties duidelijk zullen zijn voor de vakman en de uitvinding zo ruim mogelijk dient te worden geïnterpreteerd binnen de omvang van de hierna volgende conclusies.

8007005

Claims

1. Vele overgangen bevattende fotovoltaische zonnecel met een hoog rendement, ten gebruike met een element dat het licht concentreert met , het kenmerk, dat deze cel bestaat uit een monokristallijn substraat 5 zonder een inwendige, lichtgevoelige overgang, twee of meer op elkaar volgende homogene lagen van halfgeleidermateriaal neergeslagen op het substraat, waarbij zich in elke laag een lichtgevoelige ρ-n overgang bevindt van eenzelfde polariteit, welke p-n overgang een homo-overgang is, elke laag in hoofdzaak dezelfde roosterconstante bezit als het mo-10 nokristallijne substraat, elke laag met de zich erboven en onder bevindende laag in contact staat via een kortsluitovergang met een tunnelef-.fect,· welke kortsluitovergang een hetero-overgang met een tunneleffect is, waarbij een dunne transparante halfgeleiderlaag met een kleine bandafstand aanwezig is bij het grensvlak van de kortsluitovergang, el-15 ke laag een voldoende dikte bezit en een geschikte samenstelling voor het ontwikkelen van in hoofdzaak dezelfde, bij een spanning nul door licht opgewekte stroom als de andere laag, en elke volgende laag licht-energie absorbeert bij een andere golflengte.

2. fotovoltaische zonnecel volgens conclusie 1, met het kenmerk, 20 dat de halfgeleiderlaag bij het grensvlak van de kortsluitovergang bestaat uit germanium.

3. Fotovoltaische zonnecel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de laag van germanium een dikte heeft van 5-30 nm.

4. Fotovoltaische zonnecel volgens conclusie 2, met het kenmerk, 25 dat de laag van germanium een dikte bezit ongeveer 10 nm.

5. Fotovoltaische zonnecel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de kortsluitovergang bestaat uit (a) een eerste laag van Ga^_xInxAs; (b) een tweede laag van In^_xGa4P, en 30 (c) een halfgeleiderlaag aan het grensvlak tussen de eerste en de tweede germaniumlaag.

6. Fotovoltaische cel volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de dikte van de eerste laag ongeveer 50 nm bedraagt en die van de tweede laag ongeveer 100 nm, en dat de laag van germanium een dikte bezit 35 van 5-30 nm. 8007005