DE3047431C2

DE3047431C2 - Solarzelle mit mehreren übereinander angeordneten pn-Übergängen für Konzentratoranwendung

Info

Publication number: DE3047431C2
Application number: DE3047431A
Authority: DE
Inventors: Lewis M. Albany Calif. Fraas
Original assignee: Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1979-12-31
Filing date: 1980-12-12
Publication date: 1986-07-31
Also published as: DE3047431A1; JPS6359269B2; NL8007005A; FR2472841A1; NL187042B; NL187042C; CA1148639A; AU540344B2; IL61616A; JPS56112764A; IL61616A0; US4255211A; FR2472841B1; AU6525280A; GB2067012A; GB2067012B; ES498204A0; ES8202987A1

Description

Die Erfindung betrifft die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischer Energie mittels einer Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Für die Umwandlung von solarer in elektrische Energie sind bisher verschiedene Arten von Solarzellen entwickelt worden. Der Wirkungsgrad der bekannten Systeme ist jedoch klein. Bemühungen zu seiner Verbesserung haben bisher zu Wandlern geführt, deren Kosten sehr hoch sind. Weiter sind Versuche bekannt, dadurch die Umwandlungskosten zu verringern und den Wirkungsgrad der Umwandlung zu erhöhen, daß unter Verwendung optischer Systeme die Sonnenenergie auf die Wandler konzentriert wird. Mit solchen Einrichtungen kann zwar die Wirksamkeit der Umwandlung gesteigert werden, Kostenüberlegungen für die verschiedenen Bestandteile eines Umwandlungssystems zeigen jedoch, daß zwar mit Lichtsammlern teurere Solarzellen verwendet werden können, es jedoch wirtschaftliche Kostengrenzen auch für die Sammeleinrichtungen gibt. Wenn die Konzentration von Licht am Wandler intensiviert wird, ergibt sich weiter die Notwendigkeit zur Ableitung der bei der Konzentration von Licht entwickelten Wärme, da bei steigender Temperatur der Wirkungsgrad mancher Wandler abfällt.

Die vorstehenden Überlegungen führen zu dem Ergebnis, daß bei Verwendung von Sammlersystemen, die die Kosten der Energieumwandlung durch Erhöhung des Umwandlungswirkungsgrades verringern, der Schwerpunkt für Verbesserungen sich von den Kosten der Wandlerzelle zum Wirkungsgrad der Zelle verschiebt. Falls demnach der Wirkungsgrad der Zelle ausreichend groß gemacht werden kann, kann mit Hilfe eines Sammlersystems Elektrizität billiger als mit der gleichen Auffangfläche einer billigeren Anordnung erzeugt werden.

Diese Überlegungen führen zur Betrachtung von Hochleistungs-Solarzellen mit mehreren aufeinander ge-

stellten pn-Übergängen, wobei jeder pn-übergang auf ein anderes Energieband der Sonnenenergie anspricht, wobei eine Sammeleinrichtung die Energie auf die Zelle konzentriert und die Zelle der Energiequelle nachfuhrt. Ein Haupterfordernis für den erfolgreichen Betrieb einer Stapel-Solarzelle mit mehreren pn-Übergängen besteht jedoch darin, daß die gestapelten pn-Übergänge durch Grenzschichten geringen Widerstandes in Reihe geschaltet liegen, wobei der durch Licht erzeugte Strom von einem Übergang zum nächsten fließen kann.

Als Mittel für die Umwandlung von Sonnen- in elektrische Energie sind bereits »multijunction«-Solarzellen vorgeschlagen worden, die aus Stapeln von Einzelzellen mit HomoÜbergängen zusammengesetzt sind, wobei an

der Grenzfläche eines verbindenden pn-Übergangs zwischen den Schichten der Zelle eine Halbleiterschicht angeordnet ist.

Der Gedanke, für die Energieumwandlung durch Verwendung optisch gestapelter Solarzellen mit verschiedenen Bandlücken einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist an sich bekannt. Es gibt auch Bestrebungen, einen solchen Stapel von Solarzellen monolithisch auf einem einzelnen Trägerplättchen herzustellen. Der Grund liegt in der raumfahrttechnischen Anwendung, da ein einzelnes Trägerplättchen leichter als ein Stapel mit mehreren Trägerplättchen ist. Für Anwendungen auf der Erde in Verbindung mit Konzentratoren sind die Bestrebungen dadurch begründet, daß ein einzelnes Trägerplättchen billiger, einfacher und leichter gekühlt werden kann als ein Stapel mit mehreren Trägerplättchen. Es gibt jedoch ernsthafte Schwierigkeiten für das Konzept und die Herstellung von hochwirksamen Solarzellen, die als Stapel von mehreren pn-Übergängen monolithisch ausgebildet sind. Eine Hauptschwierigkeit liegt darin, daß die verschiedenen Halbleiter-Materialien, die den Stapel bilden, nahezu gitterangepaßt sein sollen, so daß die Vollständigkeit der Kristallstruktur erhalten bleibt. Weiter

sollen, falls die lichtempfindlichen Übergänge in Reihe verbunden werden sollen, die Bandabstände der Materialien derart liegen, daß der durch Licht erzeugte Strom angenähert gleichmäßig auf die Übergänge verteilt ist Ein damit verbundenes Problem ist daß die gewünschte Reihenverbindung der aktiven pn-Übergänge erreicht werden soll, ohne daß an den inaktiven Übergängen in dem gestapelten Aufbau übermäßige Spznnungsverluste auftreten.

Aus der US-PS 41 79 702 ist eine Solarzelle in Kasksdenform für Konzentratoranwendung der eingangs genannten Art bekannt, bei der auf einem Einkristall-Substrat aufeinanderfolgend mehrere Schichten aus Halbleitermaterial abgelagert sind. Jede Schicht weist im wesentlichen die gleiche Gitterkonstante wie das Einkristall-Substrat sowie einen lichtempfindlichen pn-übergang auf, wobei die einzelnen Schichten durch eine dünne transparente Halbleiterzwischenschicht im wesentlichen Gitterkonstante, aber relativ hohem Bandabstand mit Hilfe eines Homotunnelübergangs in Serie geschaltet sind. Jede Schicht absorbiert einen anderen Spektralanteil des einfallenden Lichts und liefert im wesentlichen den gleichen Photostrom.

Aus der US-PS 40 17 332 ist eine Mehrschichten-Solarzelle bekannt, bei der aufeinanderfolgende Haibleiterschichten aus Materialien bestehen, die in verschiedenen Energiebandlücken ansprechen. Es sind dort ebenfalls Übergangsschichten vorgesehen, die den Tunneleffekt ausnutzen, um Verbindungen geringen ohmschen Widerstands herzustellen. Der Tunnelübergang ist dabei ebenfalls ein HomoÜbergang.

Schließlich zeigt die US-PS 41 28 733 eine »multijunction«-Solarzelle mit einer Kombination von Halbleiterschichten aus III—V-Material und Germaniumschichten, die ebenfalls einen Homotunnelübergang aufweist.

Ausgehend von der US-PS 41 79 701 liegt oer Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Serienschaltung der aktive pn-Übergänge enthaltenden Halbleiterschichten zu verbessern, so daß in dem gestapelten Aufbau keine übermäßigen Spannungsverluste auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung betrifft eine neue, hochwirksame, mehrere pn-Übergänge aufweisende Solarzelle, die vorzugsweise mit einer Sammellinse zusammen verwendet wird. Die Zelle hat ein einzelnes, elementares Kristall-Substrat ohne einen inneren lichtempfindlichen pn-übergang, und darauf sind zwei oder mehr aufeinander folgende, homogene Schichten aus Halbleiter-Material angebracht, wobei in jeder Schicht ein lichtempfindlicher pn-Übergang mit gleicher Polarität enthalten ist, jede Schicht im wesentlichen die gleiche Gitterkonstante wie das Kristall-Substrat, jede Schicht einen Kurzschluß-Übergangs-Kontakt mit der unmittelbar darüberliegenden Schicht aufweist, jede anschließende Schicht Lichtenergie mit einer kürzeren Wellenlänge absorbiert und jede Schicht eine ausreichende Dicke und entsprechende Zusammensetzung hat, um im wesentlichen den gleichen Strom wie die anderen Schichten zu entwickeln. An dem Übergang zwischen aufeinanderfolgenden Schichten der Mehrschichten-Zelle wird eine dünne, pseudo-transparente Halbleiterschicht geringen Bandabstandes an der Kurzschluß-Übergangs-Grenzfläche vorgesehen. Die Außenflächen der obersten Schicht und des Substrats sind mit elektrischen Kontakten für die Ableitung des elektrischen Stromes versehen. Der Oberseitenkontakt besteht im wesentlichen aus einer Schicht eines transparenten, leitenden Materials mit elektrischen Anschlüssen, und die gesamte Anordnung wird vervollständigt durch eine Antireflex-Beschichtung der Oberseite.

In der nach der Erfindung ausgeführten Zelle sind mehrere Schichten so gewählt, daß sie auf verschiedenen Bandlücken ansprechen, und zwar alle im wesentlichen auf dem gleichen Stromniveau, wobei besonders vermieden wird, daß die Bandlücke für die Lichtenergie durch Schwankung in der Feuchtigkeit und Luftmasse beeinflußt wird. Zwischen den Schichten ist jeweils eine dünne, gitterangepaßte Tunnelübergangsschicht mit geringer Bandlücke vorgesehen.

Die nach der Erfindung vorgesehene Solarzelle enthält keine spezifische Übergangsschicht im Substrat, die Schichten der Zelle im Gitter sind an das Substrat angepaßt und enthalten HomoÜbergänge mit geringem Bandabstand. Weiter ist vorgesehen, daß zwischen den Schichten der Zelle an der Grenzfläche des verbindenden Übergangs eine Hetero-Halbleiterschicht eingefügt wird, um die gewünschte elektrische Umwandlung mit entsprechender Wirksamkeit zu erreichen.

Die Erfindung sieht vor, eine mehrere pn-Übergänge aufweisende Solarzelle zu schaffen, die Schichten aus Indium-Gallium-Phosphid und Indium-Gallium-Arsenid auf einem Germanium-Substrat enthält. Die aufeinanderfolgenden Schichten enthalten Übergänge mit verschiedenen Absorptionsbereichen, wobei das Substrat und aufeinanderfolgende Schichten gitterangepaßt mit weniger als +1 % Abweichung sind. An der Grenzfläche des Kurzschluß-Übergangs zwischen den Schichten ist eine dünne, transparente Halbleiter-Schicht geringen Bandabstandes eingefügt. Mit einem Konzentrator einer äußeren Antireflex-Beschichtung und einem Oberseiten- und einem Bodenkontakt bildet eine solche Zelle ein wirksames Mittel zur Umwandlung von Sonnen- in elektrische Energie.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung beispielsweise erläutert und dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Zelle mit zwei pn-Übergängen,

F i g. 2 eine vergrößerte Querschnittdarstellung des HeteroÜbergangs zwischen zwei Schichten der Zelle der F i g. 1 und

F i g. 3 ein Diagramm der Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung für einen Grenzbereich gemäß Fig.2.

Der verbindende Kurzschluß-Übergang nach Fi g. 2, der elektrisch in Fi g. 3 dargestellt ist, kann als Heterotunnelübergang bezeichnet werden. Insbesondere ist die Grenzfläche von p+GalnP nach n+Ge ein Heterotunnelübergang.

Der Heterotunnelübergang ist vorteilhaft, da durch die Tunnelanordnung der Strom sowohl durch die Höhe der Energieschwelle als auch durch deren Breite gesteuert wird. Eine Vergrößerung entweder in der Höhe oder der Breite führt zu einer Verringerung der Tunnelstromdichte. Da die Schwelle bei bekannten Ausbildungen

verhältnismäßig groß ist, müßte die Breite sehr klein sein. Eine kleine Schwellen- oder Sperrschichtbreite erfordert eine äußerst hohe Dotierungskonzentration, die so hoch sein müßte, daß eine Ausfällung der Dotierung eintreten kann, wodurch die Kristalleigenschaft der Schicht beeinträchtigt würde. Eine kleine Schwellenbreite erfordert auch eine geringe Interdiffusion und demnach eine Bearbeitung bei geringer Temperatur. Bei dem Heterotunnelüberang ist die Schwellenhöhe verringert, so daß eine größere Schwellenbreite möglich wird. Die Erfindung sieht eine weitere Verringerung in der Schwellenhöhe dadurch vor, daß eine dünne Halbleiterschicht an der Grenzfläche zwischen Schichten der Solarzelle angeordnet wird. Die Verringerung in der Schwellenhöhe gestattet eine Verringerung in dem Reihenwiderstand des Kurzschluß-Obergangs, so daß eine mit mehreren Übergängen arbeitende Zelle mit höheren Lichtintensitäten betrieben werden kann. Das führt zu höheren Konzentrationsverhältnissen und ermöglicht geringere Kosten für das Gesamtsystem. Weiter gestattet die Verringerung in der Schwellenhöhe einen größeren Temperaturbereich für die Herstellung und eine größere Auswahl an Dotierungsstoffen für die Übergangsschicht.

Zwei- und Drei-Farben-Solarzellen können in der Weise hergestellt werden, daß Schichten aus InGaAsP-Legierung an ein Ge-Substrat gitterangepaßt werden. Eine Zwei-Farben-Solarzelle dieser Art ist in F i g. 1 darge-

!5 stellt. Für die Struktur in F i g. 1 liegt der Tunnel-Übergang an der

Die Schwellenhöhe dieser Grenzschicht ist gekennzeichnet durch die Bandlücke von Gai __tIn»As mit 1,2 e.V. In der Grenzfläche wird eine Halbleiterschicht, wie vergrößert in F i g. 2 dargestellt, angebracht.

Ein Heterotunnelübergang führt, obwohl das Material mit geringer Bandlücke Licht absorbiert, dazu, daß die Schicht ausreichend dünn gemacht werden kann, so daß sehr wenig von dem durch Lichteinfall erzeugten Strom verloren geht. Insbesondere wird bei einer Absorptionslänge von 500 nm durch eine 500 nm dicke Schicht nur etwa 10% des Lichtes absorbiert. Falls die Hälfte der Ladungsträger eine Wanderung in der falschen Richtung vornehmen würde, wurden 5% des durch Licht erzeugten Stromes verloren gehen. Das gleiche Argument der Pseudo-Transparenz gilt für einen gitterangepaßten Halbleiter mit noch geringerer Bandlücke. Für eine Mehrfarben-Zelle auf einem Germanium-Substrat ist es zweckmäßig, Germanium als dünne Schicht geringer Bandlücke für die gitterangepaßte Tunnelübergangs-Zwischenschicht zu verwenden. Für eine derartige Ausbildung ist die Schwellenhöhe des Tunneleffektes an der Grenzschicht gekennzeichet durch die Bandlücke von Ge mit 0,6 eV. Dabei bildet n⁺ Ge einen ohmschen Kontakt mit GaAs vom η-Typ. n⁺ Ge/p⁺ GaAs-Tunnelübergangs können mit Stromdichten hergestellt werden, die groß genug für konzentrierende Solarzellen sind.

F i g. 3 zeigt die Stromkurve (I) in Abhängigkeit von der Spannung (V) für einen Tunnelübergang, der hier für die Grenzschicht zwischen Schichten erfindungsgemäßer Solarzellen vorgeschlagen wird.

F i g. 1 und 2 zeigen vereinfacht einen Querschnitt durch eine mehrschichtige Solarzelle. Die Schichten der Zelle sind weder vertikal noch horizontal maßstabsgemäß mit der Ausnahme, daß in der Vertikalen die Schichten etwa in ihren Dickenverhältnissen wiedergegeben sind. Danach ist ein Germanium-Substrat 11 auf der einen Seite mit einer Kontaktfläche 12 versehen und auf der anderen Seite mit einer ersten Halbleiterzelle 13 verbunden. Die Zelle 13 ist vorzugsweise aus Gallium, Indium und Arsen hergestellt und weist eine Zusammensetzung von Gao.88lno.12As und eine Energiebandlücke von 1,25 eV auf. Ein pn-übergang ist in der ersten Schicht 13 vorgesehen. Eine zweite Zelle 15 ist in Kontak; mit der ersten Zelle 13. Die erste Zelle 15 ist vorzugsweise hergestellt aus Gallium, Indium und Phosphor mit der Zusammensetzung von Gao.43Ino.57P und einer Energiebandlücke von 1,75 eV.

Auf der anderen Seite der zweiten Zelle 15 ist eine leitende, transparente Schicht 16 aus Indium-Zinnoxid oder Antimon-Zinnoxid aufgebracht. Indium-Zinnoxid und Antimon-Zinnoxid sind Mischungen aus jeweils zwei Oxiden, im ersten Fall aus Indiumoxid (In₂Os) und Zinnoxid (SnO2) und im zweiten Fall aus Antimonoxid (SbO2) und Zinnoxid. Diese Mischungen können in irgendeinem Verhältnis der zwei Oxide hergestellt sein, jedoch empfiehlt sich im ersten Fall ein Gehalt von 80 bis 90 Mol-% Indiumoxid und im zweiten Fall 10 bis 30 M'ol-% Antimonoxid. Diese Zusammensetzungen werden üblicherweise mit den chemischen Formeln In₂O3/SnO₂ oder SnO₂Z¹SbO₂ bezeichnet.

Mindestens ein Kontakt 17 ist an der Außenfläche der Schicht 16 befestigt Elektrisch leitende Drähte 18 und 19 sind mit den Kontakten 12 und 17 entsprechend verbunden. Eine äußere Oberflächenbeschichtung 20 aus transparentem Antireflexmaterial ist auf der Außenseite der Schicht 16 und den Kontakten 17 angebracht

Ein Konzentrator 21, hier dargestellt als Sammellinse, ist über der Zelle in einer solchen Stellung angebracht, daß das Licht aus einer Quelle 22, in diesem Fall der Sonne, auf die Zelle konzentriert wird.

F i g. 2 ist ein Schnitt durch die Tunnelübergangszone der Mehrschichtenzelle der F i g. 1, entsprechend dem Pfeilkreis 2 in F i g. 1, und veranschaulicht die besonderen Merkmale der Erfindung.

Der vergrößerte Schnitt zeigt die Übergangszone als dünne Halbleiterschicht 14 aus einem transparenten Material mit geringer Bandlücke, wie Germanium. Die Halbleiterschicht 14 trennt die Gallium-Indium-Arsen-Schicht 13 von der Gallium-Indium-Phosphor-Schicht 15 und ist in den Abmessungsverhältnissen angenähert 5 bis 30 nm stark, verglichen mit 50 nm für die Schicht 13a und 100 nm für die Schicht 15a.

Die besondere Eigenschaft der Germanium-Schicht, die die Wirkung in der gewünschten Beziehung gestattet, besteht für die Erfindung darin, daß die Schicht auf n⁺ dotiert ist, während die Schichten 13a auf n⁺ und 15a auf P⁺dotiert sind.

Für die Herstellung der Solarzelle mit mehreren Übergängen wird vorzugsweise von einem einzelnen Kri-Stallsubstrat ausgegangen, z. B. einer Germanium-Scheibe. Die Germanium-Platte enthält vorzugsweise keinen lichtempfindlichen Übergang. Ein Substrat mit einem Übergang wird teurer in der Herstellung, da die Reinheit einer Germanium-Platte mit einem lichtempfindlichen Übergang in der Größenordnung von S ppm liegt, während die Platte ohne Übergang eine Reinheitskontrolle von nur £ 1000 ppm erfordert Weiter würde ein

Übergang in der Germanium-Scheibe auf Lichtweilen des Längenbereiches ansprechen, der am stärksten durch Schwankungen in Feuchtigkeit und Luftmasse beeinflußt wird. Ein weiterer Vorzug des Germanium-Substrats ist, daß es einen elementaren Halbleier, wie Silicium, bildet und als Band gezüchtet werden kann, was zu seinen geringen Kosten beiträgt. Ferner gestattet Germanium eine bessere Gitteranpassung an die Schichten 3 und 15 als 1%; dadurch kann der Wirkungsgrad der beschriebenen Zelle näher an den theoretischen Grenzwert heranreichen. Weiter wird durch die Wahl eines Germanium-Substrats die Gitterkonstante aller Schichten in dem Stapelaufbau einschließlich der Tunnelschicht geringer Bandlücke festgelegt. Wegen der Einfachheit der Ablagerung (GehU-Pyrolse) ist Ge ein ideales Material niedriger Bandlücke unabhängig von der Wahl des Substrats, aber ein Germanium-Substrat führt zu automatischer Gitteranpassung.

In der bevorzugten Form der hier beschriebenen Zelle hat das Germanium-Substrat eine Dicke zwischen 200 und 300 μΐη, vorzugsweise 250 μΐη. Die untere Grenze der Dicke wird bestimmt sowohl durch Betriebsbedingungen, welche die Leitungscharakteristik des Substrats bestimmen, als auch durch die physikalische Festigkeit des Substrats in seiner Funktion als Basis der Mehrschichtenzelle. Die obere Grenze für die Abmessung des Substrats ist hauptsächlich wirtschaftlich bedingt, da ein dickeres Substrat teuerer herzustellen ist und ein größeres Volumen an teurem Material enthält.

In einem Aufwachsverfahren können auf großen Substratflächen nacheinander Ablagrungen von III —V-Legierungsschichten bewirkt werden. Diese Art Ablagerung ist an sich bekannt, siehe US-PS 41 28 733, wobei für die Ablagerung eine Wachstumskammer verwendet werden kann, in der unter geringem Druck Ablagerungen von metallorganischen Dämpfen bewirkt werden können (MO—CVD-Verfahren). Bei diesem Verfahren werden Trialkylgallium oder Trialkylindium oder eine Mischung daraus und Phosphin oder Arsin oder eine Mischung daraus in eine Pyrolyse-Kammer eingeführt. Diese Verbindungen reagieren auf dem Germanium-Substrat derart, daß die gewünschten InGaAs- oder InGaP-Legierungen gebildet werden. Ein Beispiel für die Reaktion ist:

(1 -χ) Ga(C₂H₅)., + χ In(C₂H₅)., + AsH₃ Ga,,-._v, In_v As + Nebenprodukt;

darin hat χ einen Wert im Bereich 0<x< 1. Das Produkt ist ein Halbleiterfilm, der auf dem Germanium-Substrat abgelagert ist.

Der Halbleiter wird p-dotiert, indem Dialkylzink-, Dialkylcadmium- oder Dialkylberylium-Trimethylamin-Dämpfe zugesetzt werden. Für einen η-Typ werden Hydrogensulfid, Tetralkylzinn- oder Dialkyltellurid-Dämpfe zugesetzt. Aiie III—V-Legierungsschichten mit der vorerwähnten Zusammensetzung läßt man nacheinander aufwachsen durch Benutzung einer programmierbaren Gas-Strom-Steuerung.

Für die Herstellung der mehrere pn-Übergänge aufweisenden Solarzelle nach F i g. 1 ist vorgesehen, daß die im Gitter angepaßten Homoübergangs-Zellen dadurch gestapelt werden, daß Kurzschluß-Tunnel-Übergänge an den Hetero-Flächen angeordnet werden. Ausgehend von einem Germanium-Substrat 11 mit ρ+-Dotierung wird die nächste Schicht der Zellen 13 durch spitaxiale Ablagerung einer p⁺-Schicht aus Gallium-Indium-Arsenid vorzugsweise mit einer Legierungszusammensetzung von Gao.88lno.12As gebildet. Im Verlauf der Ablagerung dieser Halbleiterschicht wird die Konzentration des Dotierungsmitteis verringert, so daß eine p--Sciiicht erzeugt wird und schließlich wird die Dotierung so geändert, daß ein pn-übergang mit einer n~-Schicht erzeugt wird. Fortdauernd Ablagerung erhöht die Dicke der ersten Schicht und ein abschließender Teil wird mit einer solchen Dotierungskonzentration abgelagert, daß eine η+-Schicht an der Grenze der ersten Zelle erzeugt wird.

Wie F i g. 2 in Vergößerung zeigt, wird eine Schicht 14 aus Germanium mit einer n+-Dotierung dann auf der Fläche der Zelle 13 abgelagert, um einen Tunnel-Übergang zwischen den Schichten der Zelle mit mehreren pn-Übergängen herzustellen. Eine Germanium-Schicht wird epitaxial auf der Fläche der Zelle 13 unter Benutzung der gleichen Ablagerungskammer für metallorganisch-chemische Dämpfe und mittels GeH4-Pyrolyse abgelagert, wobei die bevorzugte Dicke zwischen 5 und 30 nm liegt.

Sodann wird eine zweite Halbleiterzelle 15 epitaxie! auf der Außenfläche der Ge-Schicht der ersten Zelle abgelagert, und zwar anfänglich mit einem Dotierungsmaterial und einer Konzentration, daß eine ρ+-Schicht an der Grenzfläche erzeugt wird. Die zweite Halbleiterschicht 15 besteht aus einem Indium-Gallium-Phosphid-Material mit einer bevorzugten Legierungszusammensetzung von Inoj7Gao,43P. Während der Ablagerung dieser Halbleiterschicht wird die Konzentration der Dotierung zur Erzeugung einer p--Schicht verringert und schließlich wird die Dotierung zur Erzeugung eines pn-Übergangs und eines Überganges in eine n~-Schicht geändert Durch fortdauernde Ablagerung wird die Dicke der zweiten Schicht vergrößert, wobei die Dotierungszusammensetzung sich derart ändert, daß eine η+-Schicht an der Grenze der zweiten Zelle erzeugt wird.

Eine äußere leitende Schicht 16 wird dann auf der Außenfläche der zweiten Zelle 15 abgelagert, um ein Photo-Element mit zwei Übergängen fertigzustellen. Die leitende Schicht kann auch eine Antireflex-Beschichtung sein. Statt dessen kann eine gesonderte Schicht 20 auf der Schicht 16 abgelagert werden, wobei die Anschlußleiter 17, die in Kontakt mit der Schicht 16 sind, auch überdeckt werden. Vorzugsweise wird die leitende Schicht aus einer Indium-Zinnoxid-Legierung (I^OySnO^) gebildet, die üblicherweise auch mit ITO abgekürzt wird.

Zur Vervollständigung der Solarzelle werden zwei Leiter 18 und 19 entsprechend an der Außenfläche 12 des Substrats und den Leitern 17 unter der Schicht 20 befestigt

Es ist zu beachten, daß die Übergänge in dem Photoelement HomoÜbergänge und die aufeinandergestapelten Schichten gitterangepaßt sind. Weiter sind an den heteropolaren Grenzflächen zwischen den Zellen Germanium-Tunnelübergänge vorgesehen. Aufgrund dieser Art der Herstellung ergeben sich wirksamere Tunnelübergänge.

In der hier beschriebenen »multijunction«-Solarzelie hat die erste Schicht eine Bandlücke von 1,25 eV und die

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zweite Schicht eine Bandlücke von 1,75 eV. Die eine Ge-Zwischenschicht zum Tunneleffekt beiträgt, beträgt die Tunnel-Sperrhöhe 0,6 eV.

In der hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke jeder abgelagerten Halbleiterschicht zwischen 2 und 6 μίτι und hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 4 μηι. Die hochdotierte Tunnelübergangsschicht auf der niederen Bandlückenseite muß für die Homoübergangszelle ausreichend dünn sein, um nicht eine merkliche Lichtmenge zu absorbieren, d.h. <100nm. Dieses Kriterium ist nicht schwierig zu erfüllen, da die Absorptionslänge unmittelbar über, aber nahe der Bandlücke eines Halbleiters langer ist, d. h. in dem für eine Zelle mit mehreren Übergängen interessierenden Bereich. Diese Schicht muß auch dick genug sein, um nicht vollständig zu verarmen, d. h. dicker als 5 nm.

Jede Schicht der mehrschichtigen Zelle ist gitterangepaßt an ihre Nachbarschicht mit einer maximalen Variation der Gitterkonstanten von ±1,0%. Diese Anpassung ist wichtig, da bei schlechter Gitteranpassung oder Fehlpassung die Kristallinität des Zellsystems sich verschlechtert und eine Struktur gebildet wird, die eine hohe Dichte an Kristallversetzungen aufweist und in schlimmeren Fällen Korngrenzen bildet. Derartige Versetzungen werden dann Orte für die Rekombination von durch Licht erzeugten Ladungsträgern, wodurch die erzeugte Strommenge verringert wird. Die Versetzungen bilden auch Stromquerwege, wodurch weiter die Spannung des offenen Kreises herabgesetzt wird.

Die Gitteranpassung wird durch richtige Wahl der Verbindungen und der Mengenverhältnisse der Materialien in den verschiedenen Schichten erreicht. Das Verfahren des Aufwachsens mit besonderer Steuerung der Temperatur ist ebenfalls wichtig für die Bildung von Einzelkristallschichten hoher Qualität.

Die Schichten der bevorzugten Mehrschichten-Zelle, die auf dem Germanium-Substrat abgelagert werden, sind alle auf die Germanium-Gitter-Konstante von 0,566 nm auf ± 1 % gitterangepaßt.

Mit Ausnahme des Germaniums sind alle in den verschiedenen Schichten der F i g. 1 und 2 verwendeten Elemente in den Spalten IH A und und VA des periodischen Systems zu finden und werden vorzugsweise für die Erfindung benutzt. Es können jedoch auch andere Halbleiter-Materialien in der Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel sind auch Elemente aus den Spalten II B und VI A verwendbar, wie CdS und CdTe. Auch 1 B-III A-VI A-Verbindungen sind verwendbar, wie z. B. CuInS oder ähnliche Zusammensetzungen, wobei z. B. Sa für S oder Ga für In substituierbar ist. Weiter sind Zusammensetzungen von II B-IV A-V A-EIemente, wie ZnSnP, zu erwähnen. Anstelle der bevorzugten, obenerwähnten III A—V Α-Zusammensetzungen können auch Zusammensetzungen aus anderen Elementen dieser Gruppen gebildet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Solarzelle mit mehreren übereinander angeordneten pn-Übergängen für Konzentratoranwendung, bei der auf einem Einkristall-Substrat aufeinanderfolgend zwei oder mehr Schichten aus jeweils einem homogenen Halbleitermaterial abgelagert sind,

von denen jede Schicht im wesentlichen die gleiche Gitterkonstante wie das Einkristall-Substrat und einen lichtempfindlichen, in der Schicht angeordneten pn-übergang gleicher Dotierungsreihenfolge aufweist und über eine dünne transparente Halbleiterzwischenschicht im wesentlichen gleicher Gitterkonstante, aber unterschiedlichen Bandabstand mit Hilfe eines Tunnelübergangs mit den unmittelbar benachbarten SchichteninSeriegeschaltetist,

wobei für jede Schicht Dicke und Zusammensetzung so gewählt sind, daß sie einen bestimmten Spektralanteil des einfallendes Lichtes absorbiert der sich von den Spektralanteilen der anderen Schichten unterscheidet, und im wesentlichen den gleichen Photostrom wie die anderen Schichten liefert,
dadurch gekennzeichnet, daß die dünne transparente Halbleiterzwischenschicht (14) einen kleinen Bandabstand aufweist und der Tunnelübergang als HeteroÜbergang zwischen der dünnen transparenten Halbleiterzwischenschicht (14) und einer unmittelbar benachbarten Schicht (15,15a,}ausgebildet ist

2. So'arzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne transparente Halbleiterzwischenschicht (14) aus Germanium besteht

3. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Germanium-Schicht eine Dicke zwischen 5 und 30 nm hat

4. Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Germanium-Schicht etwa 10 nm dick ist.

5. Solarzelle nach Anspruch 2 mit zwei Schichten aus homogenem Halbleitermaterial, von denen die erste Schicht aus In»Gai_xAs besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (15, 15a,} aus Ini_*Ga*P besteht

6. Solarzelle nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (13,\3a)eme Dicke von 50 nm und die zweite Schicht (15,15ajeine Dicke von etwa 100 nm hat.