DE3015362A1

DE3015362A1 - Solarbatterie

Info

Publication number: DE3015362A1
Application number: DE19803015362
Authority: DE
Inventors: Joseph John Lawrenceville N.J. Hanak
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1979-08-28
Filing date: 1980-04-22
Publication date: 1981-03-19
Also published as: JPS5633889A; FR2464564B1; MY8700193A; FR2464564A1; DE3015362C2; JPH0147907B2; GB2060251A; GB2060251B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarbatterie auf der Basis von amorphem Silizium mit einem transparenten, von der zu absorbierenden Sonnenstrahlung von einer Vorderseite bis zu einer Rückseite zu durchstrahlenden Substrat.

Mit Hilfe photovoltaischer Bauelemente, d.h. mit Hilfe von Solarzellen, kann Sonnenstrahlung in brauchbare elektrische Energie (direkt) umgewandelt werden. Die Energieumwandlung erfolgt durch den bei Solarzellen bekannten photovoltaischen Effekt.. Auf eine Solarzelle auffallende und in einer Aktivzone absorbierte Sonnenstrahlung erzeugt Elektronen und Löcher. Diese werden durch ein eingebautes elektrisches Feld, z.B. durch einen gleichrichtenden Übergang in der Solarzelle, voneinander getrennt.

Ein gleichrichtender Übergang kann in einer Solarzelle durch eine aktive Halbleiterschicht mit Zonen P-leitenden, eigenleitenden und N-leitenden, hydrierten, amorphen Siliziums erzeugt werden. In der eigenleitenden Zone durch Absorption von Sonnenstrahlung des passenden Energiebandes gebildete Elektronen erzeugen Elektron-Loch-Paare. Das Trennen der Elektron-Loch-Paare durch Abfließen der Elektronen in die N-Zone und der Löcher in die P-Zone hat die Photospannung und den Photostrom der Zelle zur Folge. Die Gesamtleistungsfähigkeit der Solarzelle wird durch Erhöhen der Gesamtzahl von durch das Halbleitermaterial zu absorbierenden Photonen unterschiedlicher Energie und Wellenlänge maximierto

In der älteren Anmeldung P 29 50 085 derselben Anmelderin wird eine Tandem- bzw. Kaskaden-Anordnung von Sperrschicht-Solarzellen auf Basis von amorphem Silizium vorgeschlagen. Zu diesem als Tandem-Übergang-Solarzelle bezeichneten Bau-

130012/0591

element gehören zwei oder mehrere Schichten hydrierten, amorphen Siliziums,die in geschichteter Tandemanordnung aufeinanderliegen, einen optischen Pfad bilden und jeweils mittels eines Tunnelübergangs elektrisch miteinander gekoppelt sind. Um in jeder der übereinanderliegenden Halbleiterschichten ein eingebautes elektrisches Feld vorzusehen, sind die aus hydriertem, amorphem Silizium bestehenden Schichten in Zonen mit voneinander abweichendem Leitungstyp unterteilt. Die Schichten können zwar alle dieselbe Breite des verbotenen Bandes aufweisen, es werden jedoch Schichten mit stufenweise voneinander abweichenden Bandabständen bevorzugt, um Photonen verschiedener Energie des Sonnenspektrums vollständiger zu absorbieren. Eine solche Solarzelle besitzt eine erhöhte Leistungsfähigkeit gegenüber bisherigen Zellen, da ein größerer Teil des Sonnenspektrums der Absorption unterliegt. In den Solarzellen mit relativ großer bestrahlter Fläche wird jedoch auf der Bedbrahlungsseite eine Gitterelektrode zum Sammeln des Photostroms benötigt. Diese Gitterelektrode kann bis zu 10 % der zur Verfügung stehenden Sonnenstrahlung von der Aktivzone der Solarzelle abschirmen. Mit zunehmender Größe von Solarzelle und von dieser geliefertem Strom nimmt die Kompliziertheit der Gitterelektrode ebenfalls zu, so daß hierdurch praktisch eine obere Grenze für die Größe großflächiger Solarzellen gegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle zUj'schaffen, mit deren Hilfe ein maximaler Anteil der auftreffenden Sonnenstrahlung verschiedener Wellenlängen- und Energiebereiche zu absorbieren ist, ohne daß der Abschirmeffekt einer Gitterelektrode und durch den elektrischen Widerstand der Gitterelektrode bedingte Größenbeschränkungen

130012/0591

in Kauf zu nehmen wären. Die erfindungsgemäße Lösung besteht bei einer Solarbatterie eingangs genannter Art darin, daß sich auf der Rückseite des Substrats mehrere transparente, leitende Oxidstreifen befinden, daß mehrere Tandem-Übergang-Solarzellen mit elektrischem Kontakt auf die Oxidstreifen aufgebracht sind, daß die Solarzellen jeweils aus mehreren durch je einen Tunnelübergang voneinander getrennten und in sich in Zonen voneinander abweichenden Leitungstyps unterteilten Halbleiterschichten aus hydriertem, amorphem Silizium bestehen, daß die Streifenbreite der Solarzellen so eingestellt ist, daß der durch die Breite infolge fehlender Gitterelektrode bedingte Energieverlust unterhalb des andernfalls durch die Abschirmwirkung einer in die Oxidstreifen eingebetteten metallischen Gitterelektrode in Kauf zu nehmenden Verlustes liegt, und daß eine elektrische Reihenschaltung der Solarzellen vorgesehen ist.

Durch die Erfindung wird also eine Solarbatterie, d.h. ein aus mehreren Solarzellen bestehender Solargenerator, geschaffen. Die Solarbatterie enthält mehrere in Reihe geschaltete Tandem-Übergang-Solarzellenstreifen, wobei die Streifenlänge im Prinzip unbegrenzt ist. Die Tandem-Übergang-Solarzellen bzw. Tandem-Sperrschichtsolarzellen bestehen jeweils aus mehreren Schichten mit je einer Sperrschichtsolarzelle aus hydriertem, amorphem Silizium, die voneinander jeweils durch einen Tunne!übergang getrennt sind und in Tandem- bzw. Kaskaden-Konfiguration übereinander angeordnet sind. Die Dicke der amorphen Siliziumschichten wird dabei zweckmäßig so gewählt, daß sich ein maximaler Wirkungsgrad bei im wesentlichen gleichen von jeder Schicht geliefertem Strom ergibt.

130012/0591

Erfindungsgemäß wird die Breite der Solarzellenstreifen so gewählt, daß (auf der bestrahlten Fläche) eine Gitterelektrode zum Sammeln des durch die Solarbatterie erzeugten Stroms nicht benötigt wird. Mit anderen Worten bedeutet das, daß die Streifenbreite der Solarzellen im Hinblick auf ein Minimalisieren des bei fehlender Gitterelektrode in Kauf zu nehmenden Energieverlustes maximiert wird, d.h.,daß durch Einstellung der Streifenbreite der Solarzelle eine zum Stromsammeln an der bestrahlten Zellenseite in die dort vorgesehene Oxidschicht eingebettete Gitterelektrode betreffend die Energiebilanz entbehrlich gemacht wird. Die · Streifenbreite ist also so einzustellen, daß der Energieverlust durch die Abschirmwirkung der Gitterelektrode größer ist als der durch die Gitterelektrode zu erzielende Energiegewinn. Zu berücksichtigen ist dabei auch, daß die Abschirmwirkung der Gitterelektrode mit zunehmender Leistung der Solarzelle überproportional zunimmt, weil die einzelnen Leiter der Gitterelektrode wegen des höheren Stromes stärker werden müssen. Erfindungsgemäß gelingt es also, die bisher mit der Gitterelektrode zusammenhängenden Probleme vor allem dadurch zu beseitigen, daß man die Solarzellenanordnung in mehrere so schmale Längsstreifen aufteilt, innerhalb deren jeweils eine Gitterelektrode einen Energiegewinn nicht bringen würde.

Die Breite des verbotenen Bandes der hydrierten, amorphen Siliziumschichten der Tandem-Übergang-Solarzellenstreifen kann durch Einstellen der Wasserstoffkonzentration in den hydrierten, amorphen Siliziumschichten auf einen Bereich von etwa 1,5 bis etwa 1,8 eV ausgedehnt werden.

130012/0591

Anhand der schematischen Darstellung einer Schnittzeichnung einer Solarbatterie wird die Erfindung nachfolgend naher erläutert»

In der Zeichnung wird eine insgesamt kurz als Solarbatterie 10 bezeichnete, aus einer Reihen schallung von Solarzellen bestehende Hochspannungs-Tandem-Sperrschicht-Solarbatterie schematisch im Schnitt dargestellt. Auf die" Oberfläche der Solarbatterie 10 auffallende Sonnenstrahlung 100 bildet eine Bezugsrichtung für die Auftreff-Fläche Jeder Schicht oder Zone der Solarbatterie.

Zu der Solarbatterie 10 gehört ein durchsichtiges Substrat 32 aus Materialien wie üblichem Fensterglas oder einem Borsilikatglas. Auf dem Substrat 32 werden mehrere Streifen 34 aus einem transparenten leitenden Oxid (TLO), zum Beispiel aus Indiumzinnoxid (IZO) oder ähnlichem, gebildet.

Die Streifen 34 bilden die Deckelektrode für mehrere in Reihe geschaltete Tandem-Übergang-Solarzellen 20, 21, 22 usw„ auf Basis von hydriertem, amorphem Silizium. Die TLO-Streifen 34 sollten so dünn wie möglich sein, um eine maximale Durch-, lässigkeit für Sonnenstrahlen zu gewährleisten. Die Dicke sollte jedoch so eingestellt werden, daß sich einjspezifischer Flächenwiderstand von etwa 100 Ohm/Quadrat oder weniger ergibt. Vorzugsweise beträgt der spezifische Flächenwiderstand etwa 10 Ohm/Quadrat. Die Dicke der TLO-Schicht kann (gleichzeitig) auch so ausgewählt werden, daß von der Schichtdicke abhängige Antireflexionsbedingungen auszunutzen sind. Da die einzelnen Übergang- oder Sperrschicht-Solarzellen 20 bis 22 gleichwertig sind, wird im.wesentlichen nur die Solarzelle 20 im einzelnen beschrieben, wobei Gleichen

130012/0591

mit gleichem Bezugs zeichen für die Zellen. 21 und 22 gilt.

In der Solarzelle 20 wird die TLO-Schicht bzw. werden die entsprechenden Streifen 34 von einer Metallkeramikschicht 36 elektrisch kontaktiert. Letztere wird aus Materialien wie PtSiOp mit etwa 7 bis 15 Vol. % Platin und einer Dicke von etwa 2 bis 10 Nanometern (nm) hergestellt. Die Metallkeramikschicht 36 kann aber auch aus dielektrischem bzw. isolierendem Material, zum Beispiel TiO₂ in Verbindung mit einem Metall hoher Austrittsarbeit gemäß US-PS 41 67 015 gebildet werden.

Mit elektrischem Kontakt wird auf die Metallkeramikschicht 36 die der Sonnenstrahlung 100 zugewandte Aktivschicht 38 aus hydriertem amorphem Silizium aufgebracht. Die Aktivschicht 38 besteht aus im Leitungstyp voneinander abweichenden Zonen 38a, 38b und 38c. Bei der ersten Zone 38a handelt es sich um eine hydrierte, amorphe Siliziumschicht, die mit Bor oder anderen passenden Dotierstoffen P-dotiert wird. Die Schichtdicke der Zone 38a liegt zwischen etwa 10 und 40 nm, vorzugsweise bei etwa 37,5 nm. Die auf die Zone 38a niedergeschlagene Zone 38b aus eigenleitendem, hydriertem amorphem Silizium besitzt eine Dicke von etwa 30 bis 300 nm. Undotiertes oder eigenleitendes hydriertes, amorphes Silizium ist gemäß US-PS 40 64 521 tatsächlich schwach N-leitend. Auf die Zone 38b wird die daran angrenzende, aus N -leitendem, hydriertem amorphem Silizium bestehende Zone 38c mit einer Dicke von etwa 10 bis 40 nm niedergeschlagen. Die vorgenannten bevorzugten Werte für die Schichtdicken der P⁺- und N⁺-IeI-tenden amorphen Siliziumschichten gelten für Materialien mit Dotierstoffkonzentrationen von 0,1 % BpHg in SiH^ bzw. 0,2 % PE-z in SiHr. Durch die Dotier stoff konzentration kann

130012/0591

die optimale Schichtdicke beeinflußt werden.

Auf die Rückseite der der Sonnenstrahlung 100 zugewandten ersten Aktivschicht 38 wird eine zweite Aktivschicht 42 aufgebracht. Diese besteht aus voneinander abweichenden Leitungstyp aufweisenden Zonen 42a, 42b und 42c aus hydriertem amorphem Silizium. Die Zone 42a ist ähnlich wie die Zone 38a und enthält einen geeigneten P-Dotierstoff. Die Zone 42b ist ähnlich der Zone 38b, während die Zone 42c genauso der Zone 38c entspricht. Die Zonen 42a, 42b und 42c können bei höherer Temperatur als die Aktivschicht 38 niedergeschlagen werden, um eine Schicht mit geringerer Wasserstoffkonzentration und geringerer Bandlückenenergie zu erzeugen. Die Dicke der zweiten Aktivschicht 42 soll so eingestellt werden, daß der durch diese Schicht erzeugte Strom demjenigen der ersten Aktivschicht 38 in etwa gleicht, da der Gesamtstrom der Solarzelle auf den niedrigeren Strom der Aktivschichten 38 und 42 beschränkt ist.

Die Tandem-tibergang-Solarzelle 20 kann auch mehr als zwei Aktivschichten enthalten. Jedes Paar aneinandergrenzender Aktivschichten wird dabei durch Tunnelübergänge oder eine Zellenverbindungsschicht getrennt. Vorzugsweise besitzt die Solarzelle 20 zwei bis fünf Aktivschichten, wobei jede Aktivschicht von jeder Nachbarschicht durch einen Tunnelübergang oder eine als Tunnelübergang wirkende Zellenverbindungsschicht getrennt wird.

Eine solche Zellenverbindungsschicht 40 befindet sich zwischen den halbleitenden Aktivschichten 38 und 42. Die Zellenverbindungsschicht 40 bildet einen einzigen elektrischen Weg

130012/0591

durch die erste Aktivschicht 38 und die zweite Aktivschicht 42 zum Rückenkontakt 44. Material und Aufbau der Zellenverbindungsschicht 40 werden so ausgewählt, daß in der Aktivzone 38 nichtabsorbierte Sonnenstrahlung zur zweiten Aktivschicht 42 und gegebenenfalls zu weiteren Aktivschichten durchgelassen wird, wo jeweils zusätzliche Teile der Strahlung absorbiert werden können.

Die Zellenverbindungsschicht 40 hat eine Dicke von etwa 2 bis 15 nm und kann aus einer PtSiOp-Metallkeramik, einer dünnen Metallschicht und einer PtSiO^-Metallschicht oder einer dünnen Metallschicht bestehen. Für die Metallschicht kommen Metalle wie Platin, Titan, Nickel und ähnliche für Sonnenstrahlung durchlässige Materialien in Frage. Wenn eine dünne Metallschicht ohne Metallkeramik benutzt wird, ist es zweckmäßig, ein Metall mit hoher Austrittsarbeit, wie Platin, zu verwenden. Die Leistungsfähigkeit einer Tandem-Übergang-Solarzelle 20 wird verschlechtert, wenn die Zellenverbindungsschicht einen Isolator bildet, auch wenn ein solcher Isolator dünn genug zum Durchtunneln von Elektronen gemacht werden kann. Die Zellenverbindungsschicht 40 wirkt wie ein Tunnelübergang zwischen den Aktivzonen 38 und 42.

Die Zellenverbindungsschicht 40 kann wegfallen, wenn die angrenzenden Zonen 38c und 40a hoch genug P- bzw. N-dotiert sind, um zwischen sich einen Tunnelübergang zu bilden.

Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Licht in elektrische Energie erreicht bei einer hydrierten, amorphen Siliziumzelle vorgenannter Struktur einen konstanten Wert, wenn die eigenleitende Zone etwa 500 nm dick ist. In einer Tandem-Anordnung führt jede Dickenzunahme der eigenleitenden Zone nur zu verstärkter Absorption von Sonnenstrahlung ohne die

130012/0591

Zellenleistung zu vergrößern, derart, daß durch Dickenvermehrung lediglich Sonnenstrahlung von den nachfolgenden Schichten abgeschirmt wird. Die Schichtdicke jeder eigenleitenden Zone sollte daher dünner gemacht werden, wenn die Zahl der übereinanderliegenden hydrierten, amorphen Siliziumschichten zunimmt. Außerdem sollte jede auf die bestrahlte eigenleitende Zone folgende eigenleitende Zone dicker sein als die vorhergehende.

Auf die Rückseite der Zone 42c wird mit gutem elektrischen Kontakt ein zum Beispiel aus Titan, Molybdän, Niob o.a. bestehender Rückenkontakt 44 festhaftend niedergeschlagen. Der Rückenkontakt 44 wird zum Verschalten der Solarzelle 20 mit dem als Substrat der Solarzelle 21 dienenden TLO-Streifen 34 der Solarzelle 21 mit Hilfe einer
aus Indium, Zinn o. ä. bestehenden Zellen-Verkettungsschicht 46 ohmisch kontaktiert. Zum Abziehen des in der Sonnenbatterie 10 bei Einwirkung der Sonnenstrahlung erzeugten Stroms dienen die Schichten 34 und 46 kontaktierende Drähte 52 bzw. 54.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Solarzellen 20, 21 und 22 in Reihe geschaltet. Bei der
Reihenschaltung bleibt der Strom konstant, während die
Spannung der Zellen addiert wird. Es kann daher eine
Solarbatterie mit jeder für die jeweilige Anwendung
gewünschten Spannung hergestellt werden. Die Zellenverbindungsschicht 46 kann so dünn gemacht werden, daß sie nur 0,5 % der gesamten zu bestrahlenden Bauelement-Oberfläche einnimmt.

130012/0591

Bei Solarzellen aus einkristallinem Material könnte die Schicht 46 zwar Schwierigkeiten im Hinblick auf einen eventuellen Kurzschluß der Zellenstruktur 20 bereiten, bei Verwendung von amorphem Silizium bestehen in dieser Hinsicht aber keine Probleme, da die Querleitfähigkeit der entsprechenden Dotierschichten für die Praxis als nicht vorhanden anzusehen ist, d.h. die Querleitfähigkeit der amorphen Halbleiterschichten entspricht derjenigen eines Isolators mit einem spezifischen Querflächen-Widerstand von

1 Ο
mehr als etwa 10 Ohm/Quadrat„

Bei der Herstellung der Solarbatterie 10 wird die maximale Breite der Deck - elektroden bzw» der Solarzellen 20, 21 und 22 durch den Flächenwiderstand der TLO-Schicht, den Kurzschlußstrom J _ der einzelnen übereinanderliegenden Solarsc

zellen-Streifen und einen Faktor bestimmt, der ein Maß für den ohne eine (abschirmende) Gitterelektrode akzeptablen Energieverlust jeder Zelle angibt. Eine Gitterelektrode wird nötig, wenn der Energieverlust-Faktor ohne eine solche Elektrode größer als etwa 0,05 bis 5% würde. Erfindungsgemäß soll die Breite der Deck - elektroden oder Streifen 34 bzw» Solarzellen 20, 21 und 22 auf den größten Wert eingestellt werden, der unterhalb des Wertes liegt, bei dem zum Abziehen des bei Betrieb der Solarbatterie erzeugten Stromes eine Gitterelektrode erforderlich wird. Die erfindungsgemäße maximale Streifenbreite kann vorzugsweise mit folgender Formel bestimmt werden:

W =

^Voc

^Jsc ^N

130012/0591

In dieser Formel bedeuten V dLe Gesamt-Leerlaufspannung der Solarbatterie, R_ den Flächenwiderstand der der Sonnenstrahlung zugewandten Elektrode, F den Füllfaktor (maximaler Leistungsausgang/Leerlaufspannung χ Kurzschlußstrom), J _ die Kurzschlußstromdichte, N die Zahl der Streifen der Solarzelle und f cfen auf den prozentualen Energieverlust infolge von Widerstandserwärmung in der Deckelektrode bezogenen Faktor„ Der Faktor f beträgt gewöhnlich etwa 0,01 bis etwa 0,08 und liegt vorzugsweise bei etwa 0,05. Zum Bestimmen der Breite wird vorausgesetzt, daß nur die Deckelektrode (in der Zeichnung die Streifen 34) strombegrenzend ist, weil die Rückenelektrode 44 so dick gemacht werden kann, daß der Flächenwiderstand unbeachtlich ist.

Beispielsweise bei J „ = 3 mA/cm², N= 9, R= 100 0hm/ Quadrat, V =12,5 Volt, F = 0,6 und f = 0,05 wird die

OC

Einzelzelle ¥ = 0,65 cm breit« Bei einer mit Hilfe der photolithographischen Technik ohne weiteres darzustellenden Spaltbreite von 0,005 cm beträgt dann der insgesamt nicht ausgenutzte Bereich der Solarbatterie etwa 0,7% der Gesamtfläche der Solarbatterie. Das ist ein um mehr als eine Größenordnung besseres Ergebnis als es bei Solarzellen mit zum Stromsammeln verwendeter Gitterelektrode möglich ist. Wie sich aus der vorgenannten Formel ergibt, kann die Streifenbreite W der Einzelzellen ohne Beeinträchtigung der Gesamtleistung der Solarbatterie in dem Maße vergrößert werden, wie der Widerstand der Deckelektrode abnimmt. Entsprechend wird dann bei konstant gehaltener Streifenbreite die Leistungsfähigkeit der Solarbatterie verbessert.

Die erfindungsgemäße Solarbatterie kann nach mehreren Verfahren hergestellt werden. Das Substrat wird durch Aufdampfen oder nach anderen bekannten Verfahren, wie Auf-

130012/0591

sprühen oder Pyrolyse von anorganischen oder organometallischen Verbindungen, mit einer TLO-Schicht bedeckt (TLO = transparentes leitendes Oxid). Ein mit Indiumzinnoxid beschichtetes TLO-Glas kann auch in vorfabrizierter Form unter anderem von der Firma Triplex Glass Co., Ltd., Kings Norton Birmingham, England bezogen werden.

Das TLO wird mit einem positiven Photolack, z.B. Shipley I35O-H, bedeckt. Der Photolack wird aufgeschleudert, getrocknet und durch eine Photomaske belichtet, um die zwischen den Streifen vorgesehene Nuten zu begrenzen. Das Bauelement wird dann in eine zum Ausrichten der Maske geeignete Vorrichtung gesetzt, mit Hilfe derer das Bauelement in x-y- und z-Richtung bewegt und auch um die senkrecht zur Ebene der Probe stehende geometrische Achse gedreht werden kann. Die Vorrichtung ist bekannt. Das Muster wird dann entwickelt und die vorgesehenen Nuten werden in die TLO-Schicht eingeätzt, z.B_o im Falle von Indiumzinnoxid bei 35⁰C mit 55 bis 53-%igem Jodwasserstoff»

Anschließend wird die Metallkeramikschicht nach den Vorschriften gemäß der vorgenannten US-PS 41 67 015 hergestellt. Die TLO-Schicht und die Metallkeramik-Schicht können so gebildet werden, daß sie eine Viertel-Wellenlängen- Antireflexionsschicht, z.B. mit 60 nm TLO und 10 nm Metallkeramik, darstellen.

Die hydrierten, amorphen Siliziumschichten 38 und, 42 werden durch Glimmentladung von Silan oder einer anderen Silizium und Wasserstoff enthaltende Atmosphäre gemäß US-PS 40 64 und DE-OS 27 43 141 auf die jeweils darunterliegende Schicht niedergeschlagen. Die Schichten 38 und 42 können auch mit Hilfe eines Hochfrequenz-Systems, dessen Elektroden oder Spulen sich in der Reaktionskammer befinden, niedergeschla-

130012/0591

gen werden. Eine geeignete Parameter-Kombination für die Hochfrequenz-Entladung sind eine Hochfrequenz-Energie von etwa 0,5 W/cm oder weniger, ein Target mit einer Fläche

von etwa 160 cm , Ein Gasdruck von etwa 20 bis 70 Mikrobär (entsprechend etwa 20 bis 50 m Torr), eine Silan-Durchflußgeschwindigkeit von etwa 30 cm /Minute bei Normalbedingungen und eine System-Temperatur von etwa 200 bis 350 C. Die P-Zone der Schichten 38 und 42 wird hergestellt, indem dem Silan eine entsprechende P-Dotierstoff-konzentration von Bor oder einem anderen P-Dotiermittel in einem Betrag von etwa 0,01 bis 1% in bezug auf das Silan-Volumen hinzugefügt wird. Die jeweilige N -Zone wird unter Anwendung einer N-Dotierstoff-Konzentration von beispielsweise ΈΈ. mit etwa 0,1 bis 1% der Reaktionsatmosphäre gebildet. Nach dem Niederschlagen der Aktivzonen wird die Rückenelektrode 44 durch Aufdampfen, Hochfrequenz-Sprühen oder auf andere Weise auf die letzte vorhergehende Schicht aufgebracht«

Nach dem Anbringen der Rückenelektrode 44 wird die Solarbatterie mit einem positiven oder negativen Photolack bedeckt» Die einzelnen Zellen werden durch Belichten der Photolack-Oberfläche durch eine positive oder negative Photomaske und durch Entwickeln des Photolacks nach bekanntem Verfahren begrenzt. Die Nuten werden dann in die Rückenelektrode mit Hilfe eines jeweils passenden Ätzmittels, z.B. bei einer Titan-Elektrode mit Hilfe einer Lösung aus einem Teil HF , 2 Teilen HNO^ und 7 Teilen HpO, eingeätzte Der Photolack wird dann abgestreift und eine neue Photolackschicht aufgebracht, belichtet und wie angegeben entwickelt.

Die Aktivschichten und die Metallkeramik werden bis herunter zur TLO-Schicht mit Hilfe einer Plasmaätzung in einer

130012/0591

CF,-4?6 O -Atmosphäre he runt er ge ätzt. Die Plasma-Ätzung verläuft in den Aktivzonen sehr schnell, geht aber in der* Me-* tallkeramik nur langsam, mit etwa 10 nm/Minute, voran. Wenn der Metallkeramik-Film dicker als etwa 10 nm ist, kann die Metallkeramik-Schicht auch mit Hilfe eines reaktiven Hochfrequenz-Sprüh-Ätz-Verfahrens in einer CF-Op- oder Ar-CF^- Op-Atmosphäre ausgeführt werden. Das Ende der Ätzung wird normalerweise bestimmt durch das Erscheinen klar transparenter Nuten unten an der TLO-Schicht.

Schließlich wird der Photolack entfernt und die Bauelement-Oberfläche wird plasmageätzt, um alle Spuren organischer Moleküle vor dem Aufbringen der als Reihenkontakt dienenden Zellenverbindungsschicht zu entfernen. Diese Verbindungsschicht wird zwischen die Nuten schräg aufgedampft, d.h. unter einem Winkel von etwa 45° mit Bezug auf die senkrecht zu den Nuten verlaufende Oberfläche, und aus einer solchen Richtung aufgedampft, daß die Rückenelektrode der Solarzelle 20 mit der TLO-Schicht bzw. dem Streifen 34 der Zelle 21 verbunden wird. Die Verbindungsschicht kann auch durch Aufdampfen der Schicht auf die gesamte Oberfläche der Solarbatterie erzeugt werden, wenn anschließend das überschüssige Material entfernt wird und die Nuten z.B. nach dem vorhergehend beschriebenen Verfahren gebildet werden. Nach dem Abstreifen des Photolacks und dem Anbringen der Anschlußdrähte 52 und 54 kann die Rückseite der Solarzelle mit einem hierfür vorgesehenen Material eingekapselt werden. Geeignet hierzu ist z„B. Apiezon W, ein Produkt der Firma James G-. Biddle Co₀, Plymouth Meeting, Pa./USA»

Anhand eines Herstellungsbeispiels wird die Erfindung noch näher erläutert.

130012/0591

Beispiel

Ein Kronglas-Substrat von 7,6 x 7,6 cm und etwa 0,16 cm Dicke mit einer einen Flächenwiderstand von etwa 10 Ohm/ Quadrat aufweisenden Indiumzinnoxid-Deckschicht wurde mit einem positiven Photolack, z„B. Shipley 1350-H der Firma Shipley Co., Inc., Newton, Mass./USA durch Aufschleudern mit 4000 Umdrehungen pro Minute während einer Zeitdauer von 30 Sekunden bedeckt; die aufgetragene Photolackschicht wurde während einer Zeitdauer von etwa 1 Stunde bei einer Temperatur von etwa 75°C getrocknet. Der Photolack wurde durch eine 9 Streifen von 7,6 cm Länge und 0,68 cm Breite begrenzenden Photomaske belichtet. Der Photolack wurde in einem Shipley-Entwickler entwickelt, und der den Bereich zwischen den vorgenannten Streifen begrenzende lösbare Teil des Photolacks wurde entfernt. Das freigelegte Substrat wurde dann in eine 55 bis 58%-ige Jodwasserstoff-Lösung von 35⁰C getaucht, um das freigelegte Indiumzinnoxid zu entfernen. Es bleiben mit Photolack bedeckte Streifen aus Indiumzinnoxid mit einer Länge von 7,6 cm und einer Breite von 0,68 cm zurück. Der restliche Photolack wurde von den Indiumzinnoxid-Streifen entfernt, und es wurde eine PtSiOp-Metallkeramik mit einem Metallgehalt von etwa 12 Vol.?i> Platin bis zu einer Dicke von etwa 23,5 mn durch Hochfrequenz-Sprühen auf das Substrat niedergeschlagen. Auf die PtSiOp-Metallkeramik wurde dann eine halbleitende Aktivschicht aus hydriertem, amorphem Silizium mit einer P⁺-Zone von etwa 31,8 mn Dicke, einer undotierten Zone von etwa 181,6 nm Dicke und einer N -Zone mit etwa 90,8 nm Dicke aufgebracht. Die hydrierte, amorphe Siliziumschicht wurde durch kapazitive Hochfrequenz-Glimmentladung in Silan für den Fall der undotierten Schicht und Diboran-Gas mit einer Konzentration von etwa 0,1 Vol.% für die P⁺-Zone bzw.PH,-Gas in einer Konzentration von etwa 0,2 Vol.% bei der

130012/0B91

N⁺-Zone jeweils bezogen auf die Silan-Menge hergestellt.

Auf die erste Aktivschicht wurde dann eine zweite PtSiQ,,-Metallkeramik-Schicht mit einer Dicke von etwa 10,5 nm und einer Platin-Konzentration von etwa 12 VqI.% durch Hochfrequenz-Auf sprühen niedergeschlagen. Anschließend wurde eine zweite halbleitende Aktivschicht auf die zweite Metallkeramik-Schicht aufgebracht. Die zweite Halbleiterschicht wurde in Übereinstimmung mit dem für die erste Schicht beschriebenen Verfahren gebildet und erhielt eine P⁺-Zone mit einer Dicke von etwa 31,8 nm, eine an die P⁺- Zone angrenzende eigenleitende Zone von etwa 363»2 nm und eine an die eigenleitende Zone angrenzende N -Zone von etwa 90,8 nm Dicke. Eine Rückenelektrode aus Titan von 200 nm Dicke wurde durch Aufsprühen auf die N -Zone der zweiten halbleitenden Aktivschicht niedergeschlagen.

Anschließend wurde das Bauelement mit positiven Photolacken beschichtet und durch eine Photomaske belichtet, um ein den in der Indiumzinnoxid-Schicht gebildeten Streifen ähnliches Muster zu erzeugen, das aber gegenüber den Nuten in der Indiumzinnoxid-Schicht so versetzt ist, daß die Indiumzinnoxid-Schichten in die Reihenschaltung der Tandem-Übergang-Solarzellenstreifen einzubeziehen ist. Als positiver Photolack wurde das unter der Bezeichnung "Shipley 1350-H" von der Firma Shipley Comp, vertriebene Produkt benutzt. Der freigelegte Photolack wurde entwickelt und der die Nuten begrenzende lösliche Teil des Photolacks durch eine Lösungsmittelbehandlung abgetragen. Die Struktur wurde dann in einer Lösung aus einem Teil Flußsäure, zwei Teilen HNO, und 7 Teilen Wasser geätztj um die für die Nuten im Bauelement vorgesehenen Teile der Titan-Rückenelektrode wegzuätzen. Der Photolack wurde daraufhin mit Hilfe von Azeton abgestreift, eine weitere Photolack-Beschichtung

130012/0591

aufgebracht und ebenso ausgerichtet wie die vorhergehende Photolackschicht entwickelt. Das Bauelement wurde in eine Plasma-Ätz-Apparatur gesetzt, und die unterhalb des bereits entfernten Titans befindlichen Teile der Aktivschicht wurden in einer k% Sauerstoff enthaltenden CF,-Atmosphäre, ZoB₀ in "DE-100 Freon" einem Produkt der Scientific Gas Products, Inc., South Plainfield, New Jersey/USA, geätzt» Bei der Plasma-Ätz-Apparatur handelt es sich um eine von der International Plasma Corporation, IPC-200 Series System, Heyward, California/USA, hergestellte Vorrichtung» Die Plasma-Ätzung wurde unter folgenden Bedingungen vorgenommen; Hochfrequenz-Energie von etwa 800 Watt, CF,-Op-Druck zwischen 0,6 und 1,4 mbar, Ausgangstemperatur von etwa 25 C und Endtemperatur von höchstens etwa 9O⁰C₀ Bei diesen Parametern ergab sich eine Ätz-Geschwindigkeit im amorphen Silizium von etwa 200 nm/min. Das Ätzen wird durch die zweite Aktivschicht und die den Tunnelübergang enthaltende Zellenverbindungsschicht - im letzteren Falle mit einer Geschwindigkeit von nur etwa 10 nm/min. - bis herunter zur Indiumzinnoxid-Schicht foilgesetzt. Das Ende der Ätzung konnte visuell bestimmt werden, da das Substrat mit der Indiumzinnoxid-Schicht nach dem Abtragen des hydrierten, amorphen Siliziums durchsichtig erscheint.

In diesem Stadium des Herstellungsvorgangs wurde das Bauelement mit Hilfe einer Durchleuchtung auf Nadellöcher untersucht „ Die Nadellöcher wurden mit Hilfe von "Microstop", einem Produkt der Firma Michigan Chrome and Chemical Company, Detroit, Michigan/USA, bedeckt»

Die zum Bilden der Reihenschaltung der einzelnen Doppeloder Mehrfachzellen vorgesehene Zellenverbindungsschicht wurde durch isotropes Aufdampfen von Indium auf die Titan-Schicht bis zu einer Dicke von etwa 200 nm hergestellt«

130012/0591

Anschließend wurde das Bauelement mit einem positiven Photolack, z.B. Shipley 1350-H, beschichtet und es erfolgte ein Belichten des Photolacks durch eine zum Herstellen eines dritten Satzes von Nuten angrenzend an den zweiten Nutensatz ausgerichtete Photomaske. Der Überschuß an Indium wurde anschließend durch Ätzen in einer einen Teil konzentrierte HCl, einen Teil 30%-iges H^O₂ und 6 Teile Wasser (jeweils Volumen-Teile) enthaltenden Lösung abgetragen. Der verbleibende Photolack und das Abdeckmittel "Microstop" wurden durch Waschen in Azeton, Wasser und entionisiertem Wasser entfernt, und es folgte ein Trocknen der Vorrichtung während einer Zeitdauer von etwa 30 Minuten bis zu einer Stunde in einem Ofen bei 100⁰C.

Kurz- und Nebenschlüsse im Bauelement wurden nach der Lehre der US-PS 41 66 918 entfernt. Schließlich wurden Kontaktdrähte aus flexiblem Kupferdraht mit Hilfe von Silber-Epoxid mit den Endelektroden der Batterie verbunden.

Mit Hilfe einer Wolfram-Halogen-Projektorlampe, z.B. einer Sylvania ELH-Lampe mit 300 Watt und 120 Volt, wurde die Solarbatterie mit einem Licht der Intensität "einer Sonne", d.h. mit dem sogenannten A.M.1 (an einem klaren blauen Tag mit im Zenit stehender Zonne zu erhaltendes Licht bzw. Spektrum), beleuchtet. Die Solarbatterie lieferte eine Gesamt-Leerlaufspannung (V ) von etwa 12,6 Volt, einen

O C

Füllfaktor (FF) von etwa 0,56 und einen Kurzschlußstrom (J_gc) von etwa 1,82 mA/cm mit einem Gesamt-Wirkungsgrad von etwa 1,42$. Bei Beleuchtung mit einem Licht der Intensität A.M.2 stieg der Wirkungsgrad der Zelle von etwa 1,42 auf etwa 1,45% und der Füllfaktor wurde von etwa 0,56 auf 0,57 erhöht.

9 f u /md

130012/0 591

Claims

Dr.-!ng. Reirnar König · PipL-lng. Klaüö Bergen Cecilisnallee 76 4 Düsseldorf 3O Telefon 45 200B Patentanwälte

21.April 1980 33 409 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Solarbatterie"

Patentansprüche:

Solarbatterie auf der Basis von amorphem Silizium mit einem transparenten, von der zu absorbierenden Sonnenstrahlung von einer Vorderseite bis zu einer Rückseite zu durchstrahlenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Rückseite des Substrats (32) mehrere transparente, leitende Oxidstreifen (34) befinden, daß mehrere Tandem-Übergang-Solarzellen (20, 21, 22) mit elektrischem Kontakt auf die Oxidstreifen (34) aufgebracht sind, daß die Solarzellen (20, 21," 22) jeweils aus mehreren durch je einen Tunnelübergang (40) voneinander getrennten und in sich in Zonen (38a bis c, 42a bis c) voneinander abweichenden Leitungstyps unterteilten Halbleiterschichten (38, 42) aus hydriertem, amorphem Silizium bestehen, daß die Streifenbreite der Solarzellen (20, 21, 22) so eingestellt ist, daß der durch die Breite infolge fehlender Gitterelektrode bedingte Energieverlust unterhalb des andernfalls durch die Abschirmwirkung einer in die Oxidstreifen (34) eingebetteten metallischen Gitterelektrode in Kauf zu nehmenden Verlustes liegt, und daß eine elektrische Reihenschaltung der Solarzellen (20, 21, 22) vorgesehen ist.

130012/0591

2. Solarbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die aus hydriertem, amorphem Silizium gebildeten Halbleiterschichten (38, 42) jeweils aus einer P-leitenden Einfallszone (38a, 42a), einer daran angrenzenden eigenleitenden Zone (38b, 42b) aus amorphem Silizium und einer an letztere angrenzenden N -Zone (38c, 42c) bestehen.

3. Solarbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Tunnelübergang (40) zwischen der N- -Zone (38c) der dem auffallenden Licht zugewandten Einfalls-Halbleiterschicht (38) und der P-Zone (42a) der jeweils darauf folgenden Halbleiterschicht (42) liegt.

4. Solarbatterie nach einem oder meh-reren der Anspräche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnelübergang eine separate Schicht (40) aus PtSiO^-Metallkeramik, Nickel, Molybdän oder Titan bildet.

5. Solarbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Tunnelübergang bildende Schicht (40) aus PtSiOp-Metallkeramik besteht und daß zwischen die Metallkeramik und die angrenzende N⁺-Zone (38c) der jeweils dem Licht zugewandten Halbleiterschicht (38) eine transparente Metallschicht eingefügt ist.

6. Solarbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Reihenschaltung der von je zwei Solarzellenstreifen (20, 21, 22) eine Metallschicht (46) vorgesehen ist.

13ÖÖ12/0591

7= Solarbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandabstandsenergie der Halbleiterschichten (38, 42) von der der Strahlung zugewandten Halbleiterschicht (38) aus zu den folgenden Halbleiterschichten (42) hin jeweils zunimmt.

8. Solarbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Tandem-Solarzellen (20, 21, 22) jeweils aus zwei bis fünf je ein Zellenelement darstellenden Halbleiterschichten (38, 42) bestehen.

9. Solarbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der eigenleitenden Zone (38b, 42b) jeder Halbleiterschicht (38, 42) mit zunehmender Entfernung von der der Strahlung zugewandten Schicht, zunimmt.

ΙΟ» Solarbatterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Streifen (34) der Tandem-Übergang-Solarzelle durch folgende Formel gegeben ist:

W =

^RQ ^Jsc

in der V_oc die gesamte Leerlaufspannung der Solarbatterie, J_sc die Kurzschlußstromdichte , F der Füllfaktor, R- den Flächenwiderstand des transparenten leitenden Oxids, N die

130012/0591

Zahl der Solarzellen-Streifen der Bsbterie und f einen auf den prozentualen Energieverlust in der Deckelektrode (34) bezogenen Faktor bedeuten und dabei f so ausgewählt ist, daß die Verluste in der Deckelektrode (34) kleiner sind als die Verluste einer Gitterelektrode durch deren Schirmwirkung .

11. Solarbatterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Betrag ¥ zwischen etwa 0,2 und etwa 5,ο cm liegt.

12. Solarbatterie nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Betrag ¥ zwischen etwa 0,2 und etwa 2,0 cm liegt.

130012/059