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WO2018108882A1 - Photovoltaisches halbleiterbauelement zur konversion von strahlungsleistung in elektrische leistung, verfahren zu dessen herstellung und dessen verwendung - Google Patents

Photovoltaisches halbleiterbauelement zur konversion von strahlungsleistung in elektrische leistung, verfahren zu dessen herstellung und dessen verwendung Download PDF

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WO2018108882A1
WO2018108882A1 PCT/EP2017/082376 EP2017082376W WO2018108882A1 WO 2018108882 A1 WO2018108882 A1 WO 2018108882A1 EP 2017082376 W EP2017082376 W EP 2017082376W WO 2018108882 A1 WO2018108882 A1 WO 2018108882A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
subcell
sub
cells
semiconductor
semiconductor component
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2017/082376
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Höhn
Henning HELMERS
Alexandre Walker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of WO2018108882A1 publication Critical patent/WO2018108882A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/14—Photovoltaic cells having only PN homojunction potential barriers
    • H10F10/142—Photovoltaic cells having only PN homojunction potential barriers comprising multiple PN homojunctions, e.g. tandem cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/14—Photovoltaic cells having only PN homojunction potential barriers
    • H10F10/144—Photovoltaic cells having only PN homojunction potential barriers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs,AlGaAs, or InP photovoltaic cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials

Definitions

  • Photovoltaic semiconductor component for converting radiant power into electrical power, method for its production
  • the invention relates to a photovoltaic semiconductor component for the conversion of monochromatic radiation power into electrical power with at least one of the incident on the semiconductor device radiation facing front-side part cell and a rear part cell, which are formed from interconnected semiconductor layers.
  • the materials of the semiconductor layers and / or their layer thickness are selected such that at least one subcell exhibits increased photon absorption compared to the other subcells.
  • the invention also relates to a method for producing these photovoltaic semiconductor devices.
  • the photovoltaic components are used as radiation receivers in optical power transmission, for example for the monitoring of high-voltage lines, passive optical networks, energy supply from and in active implants, interference-free electromagnetic field measurement, lightning-proof monitoring from wind turbines, explosion-proof sensors in aircraft tanks, wireless power transmission, galvanically isolated power supply for sensors in high voltage environment, wireless charging of consumer electronics, as well as the power supply of underwater observatories.
  • Solar cells use the photovoltaic effect to directly convert sunlight into electrical energy. Not only is this effect limited to sunlight, but it can also be used to convert light - or general electromagnetic radiation - from other sources. Of particular note here is the optical power transmission (so-called "power-by-light”).
  • Photovoltaic cells are irradiated with artificially generated electromagnetic radiation, i.d.R. monochromatic or quasi-monochromatic, i. Narrow band, radiation is generated by means of lasers or LEDs to supply small consumers with energy.
  • a major challenge for optical power transfer is the provision of a sufficiently high voltage for the operation of the electrical loads powered by the photovoltaic cell.
  • the majority of currently produced solar cells are so-called single solar cells, which consist of only one pn junction. Their voltage is essentially determined by the semiconductor material used. Comparatively high voltages for single cells can be achieved with the semiconductor GaAs (E. Oliva et al., Photovoltaics: Research and Applications, 2008, 4 (16), pp. 289-295).
  • the open terminal voltage is a maximum of 1.2 V and is therefore too low for the operation of typical electronic circuits.
  • the DC / DC converter used in this system must therefore convert very high.
  • the voltage and the conversion efficiency of solar cells can be increased, as is known, with monolithic multiple solar cells. in this connection several sub-cells are stacked on top of each other.
  • the currently best solar cells consist of four pn junctions in different semiconductor materials internally connected internally via tunnel diodes (F. Dimroth, et al., IEEE Journal of Photovoltaics, 6 (1), pp. 343-349, 2016).
  • the next generation of multiple solar cells will contain five or more pn junctions to further increase efficiency.
  • Stacks of up to 20 sub-cells have already been realized for the conversion of laser light (J Schubert et al., IEEE Transactions on Electron Devices, 56 (2), pp. 170-175, 2009, S. Fafard et al. Applied Physics Letters, 109 (13), p. 131107, 2016).
  • the pn junctions were connected in series with tunnel diodes and thus the output voltage of the
  • the stacked sub-cells are designed so that all sub-cells absorb the same number of photons and thus generate the same current, so that no sub-cell in the stack limits the total current.
  • the interconnection of series-connected pn junctions in multiple cells with stacked sub-cells according to the prior art can be monolithic or mechanical.
  • the pn junctions consist of semiconductor materials, in particular of so-called III-V compound semiconductors, which are material compositions of the
  • III. and V. main group from the periodic table for example gallium arsenide (GaAs), gallium indium arsenide (GalnAs) or
  • Gallium indium phosphide GaN
  • gallium indium arsenide phosphide GaN
  • GaNAsP gallium indium arsenide phosphide
  • Other semiconductors such as Il-VI compound semiconductors, germanium or silicon. Multiple cells are often realized as monolithic stacks. The different semiconductor layers are thus grown or stacked directly on top of each other. This is, for example, by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) or other epitaxial processes, such as LPE (Liquid Phase Epitaxy) or MBE (Molecular Beam Epitaxy), grown on a doped or undoped substrate in crystalline layers.
  • MOVPE metalorganic vapor phase epitaxy
  • LPE Liquid Phase Epitaxy
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • the optimal layer thicknesses are chosen so that all sub-cells generate the same photocurrent. Even with small deviations from the optimum layer thickness, there is a reduction in the efficiency.
  • multi-segment cells are known for example from US 5,342,451. These are based on a monolithic serial interconnection of several PV cells in the plane, which are arranged on an insulating substrate for electrical separation of the segments. With this system, a multiplication of the output voltage is possible.
  • multi-segment cells have the disadvantage that high demands on the adjustment must be made because small deviations have a stronger effect than single cells.
  • area losses occur due to the interconnection by the isolation trenches required in this case. In that regard, a much more complex processing with more photolithographic steps is necessary for these systems, which is also associated with higher production costs.
  • a photovoltaic semiconductor component for the conversion of monochromatic radiation power into electrical power with at least one of the radiation-facing front side
  • Subcell (1) and a back-side subcell (3) wherein the sub-cells formed from semiconductor layers are interconnected and the materials of the semiconductor layers and / or the layer thicknesses of the semiconductor layers are selected so that at least one subcell increased compared to the other sub-cells photon absorption shows, by a luminescence coupling process for redistributing the charge generated by the radiation carrier is induced in the other sub-cells, which acts balancing with respect to the originally unequal absorption.
  • a luminescence coupling process for redistributing the charge generated by the radiation carrier is induced in the other sub-cells, which acts balancing with respect to the originally unequal absorption.
  • quasi-monochromatic radiation is used in the present
  • the absorber materials of at least two sub-cells differ in band gap, these materials being lattice-matched to each other, or the semiconductor layers are replaced by a metamorphic buffer layer which compensates for lattice dislocations due to lattice mismatch of the materials and which is transparent to the incident radiation. can be connected.
  • the layer thickness of the semiconductor layers are chosen so that all sub-cells of a multiple cell absorb the same number of photons and thus generate the same photocurrent.
  • the person skilled in the art would then select subcells made of the same material.
  • the material to be used of the semiconductor layers depends on the wavelength of the monochromatic radiation. However, there are limiting factors with respect to the material, such. B. the maximum possible layer thickness or the temperature window for the application. The skilled person will thus select a material and then choose the layer thickness so that all sub-cells absorb the same number of photons.
  • the present invention now turns away from this known approach, ie it does not follow the principle that all subcells must absorb the same number of photons.
  • the system is specifically adjusted so that some sub-cells absorb more light, so that at least one of the sub-cells limits the power of the multiple cell.
  • the procedure according to the invention in the design of the multiple cell should be clarified.
  • This triple cell consists of three subcells, with the two upper subcells generating a current surplus of 10% each, while the bottom cell shows a 20% lower current - in each case compared to the current-adapted situation.
  • the resulting current limitation of the triple cell by the lowest part cell is substantially compensated by the effect of the luminescence coupling - therefore one can speak of an "original current limitation", in fact this is (largely) compensated by photon exchange upper two sub-cells, which leads to an increase in the fill factor of the overall characteristic and thus in total with the minimum power loss (due to non-ideal coupling), the efficiency of the system, ie the efficiency of the multiple cell improves According to the invention can thus by a deliberate departure from the usual design rule the efficiency of the system can be increased.
  • a material can be used for the upper part cells increased band gap can be selected, for example, a triple cell
  • a preferred embodiment provides that the radiation-absorbing semiconductor layers of all sub-cells consist of the same material with the same band gap or of different materials with different band gaps, the layer thickness of the rear-side subcell being greater than the layer thickness (n) of the front-side subcell (s).
  • the layer thickness of each subcell is greater than or equal to the layer thickness of the subcell above it.
  • the absorber material of the back part cell may have a smaller band gap than the materials of the front part cell.
  • the absorption of the incident rays in the individual sub-cells is ideally adjusted by monochromatic radiation via the following formula, if one can start with the sub-cells of one light pass, which represents a good assumption especially in monolithically stacked multiple cells on substrate.
  • a (l) 1 - exp (-a (A L , M (l)) ⁇ d (l))
  • a (n) absorption in the subcell n.
  • PF (A L ) photon flux as a function of the wavelength of the light source used
  • the absorption calculation changes, as this simple rule can no longer be used.
  • the absorption of the sub-cells one could then resort to a transfer matrix or scatter matrix method.
  • the following design specification for the desired ratios of the individual absorptions does not change.
  • the materials and thicknesses are chosen so that the absorption of the z incident light of at least one subcell is greater than in the other sub-cells, in particular in (n - 1) sub-cells is greater than in a subcell.
  • a preferred embodiment provides that a subcell has a lower absorption than the front-side subcell (s), the resulting difference in the generated photocurrent being largely compensated by the luminescence coupling that occurs, e.g. to 50%, preferably to 75%.
  • This design can improve the filling factor of the characteristic, which can overcompensate for the low current loss due to the imperfect coupling and thus overall leads to a higher system efficiency.
  • the lower absorption subcell has a mismatch versus equal absorption in all sub-cells of 2 to 25%, preferably 5 to 20%, over the other subcell (s).
  • the material of the semiconductor layer of the part cell with lower absorption lnO.53GaO.47As and the material of the other sub-cell (n) ln x Ga x As y-y pi is, wherein the composition (x, y) is selected so is that the material is lattice-matched to InP.
  • the sub-cells are preferably interconnected via tunnel diodes.
  • the semiconductor device is preferably a monolithically stacked multiple cell, wherein the stacking direction is parallel to the incident laser radiation. It is further preferred that a reflector is arranged on the rear part cell, in particular a dielectric-metallic reflector, a metallic reflector, a dielectric reflector or a Bragg reflector.
  • a functional layer is arranged on the front part cell, which is preferably selected from the group consisting of anti-reflection layers, filter coatings or combinations thereof, with the function of coupling the incident radiation as well as possible into the device or photons generated by radiative recombination in the device as possible good to capture in the component or a combination of both effects.
  • the invention likewise provides a method for producing the photovoltaic semiconductor component for converting monochromatic radiation line into electrical power, in which the materials of the semiconductor layers of the sub-cells and / or the layer thicknesses of the semiconductor layers of the sub-cells are selected such that at least one sub-cell is one of the different photon absorption shows other sub-cells, by a luminescence coupling process for the redistribution of photogenerated charge carriers is caused in the other sub-cells, which acts balancing with respect to the originally unequal absorption.
  • the procedure of the method is preferably based on the following steps:
  • Epitaxial growth of semiconductor layers on a substrate e.g.
  • the last layer is a highly doped n-type GaAs cap layer for the realization of low-resistance metal-semiconductor contacts
  • the semiconductor devices for the monitoring of high voltage power lines passive optical networks, energy supply to and from active implants, non-interfering electromagnetic field measurement, flashing wind turbine monitoring, explosion proof sensors in aircraft tanks, wireless power transmission, galvanically isolated power supply for sensors in high voltage environment, wireless charging of consumer Electronics, as well as the power supply used by underwater observatories.
  • the sequence of a variant of the method according to the invention namely an AI0.04 Ga0.96 As / Al0.02 Ga0.98 As / GaAs triple cell, is based on the following steps:
  • arsine and phosphine sources are used as group V precursors.
  • Trimethyl gallium, trimethylium and trimethyl aluminum are used as group II l precursors.
  • GaAs 3500 nm
  • Alo.02Gao.9sAs 916 nm
  • Al 0 .o4Ga 0th 96 ⁇ s (635 nm).
  • the uppermost window layer is made 400 nm thick in order to improve the current transport to the front side contacts as a transparent cross-conducting layer.
  • transparent tunnel diodes are formed, consisting of a heavily doped n-type AIGalnP and a highly doped p-type AIGaAs layer (doping> lxl0 19 cm "3 )
  • an AuGe or PdGe based metallization is deposited and photolithographically patterned, with a specific contact resistance after alloying in the range 1-6 ⁇ 10 "6 Qcm 2.
  • a full-surface TiPdAg or PdZnPdAu based metallization is applied
  • a two-layer, high-and-low reflection anti-reflection coating of TaO and MgF is deposited and photolithographically structured in such a way that the metallized contact surfaces (bus buses) on the front side become free and contactable
  • the individual components on the wafer are separated from one another by means of an unselective wet-chemical mesa etching process, ie the epitaxially grown semiconductor material is removed between the active cell surfaces.

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Halbleiterbauelement zur Konversion von monochromatischer Strahlungsleistung in elektrische Leistung mit mindestens einer der auf das Halbleiterbauelement einfallenden Strahlung zugewandten frontseitigen Teilzelle und einer rückseitigen Teilzelle, die aus miteinander verschalteten Halbleiterschichten gebildet sind. Die Materialien der Halbleiterschichten und/oder deren Schichtdicke werden so gewählt, dass mindestens eine Teilzelle eine gegenüber den anderen Teilzellen erhöhte Photonenabsorption zeigt. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung dieser photovoltaischen Halbleiterbauelemente. Verwendung finden die photovoltaischen Bauelemente als Strahlungsempfänger in der optischen Leistungsübertragung z.B. für die Überwachung von Hochspannungsleitungen, passive optische Netzwerke, Energieversorgung von und in aktiven Implantaten, störfreie Elektromagnetfeldmessung, blitzschlagsichere Überwachung von Windenergieanlagen, explosionssichere Sensorik in Flugzeugtanks, drahtlose Leistungsübertragung, galvanisch getrennte Leistungsversorgung für Sensorik in Hochspannungsumgebung, drahtloses Laden von Consumer Elektronik, sowie die Leistungsversorgung von Unterwasser-Observatorien.

Description

Photovoltaisches Halbleiterbauelement zur Konversion von Strahlungsleistung in elektrische Leistung, Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Halbleiterbauelement zur Konversion von monochromatischer Strahlungsleistung in elektrische Leistung mit mindestens einer der auf das Halbleiterbauelement einfallenden Strahlung zugewandten frontseitigen Teilzelle und einer rückseitigen Teilzelle, die aus miteinander verschalteten Halbleiterschichten gebildet sind. Die Materialien der Halbleiterschichten und/oder deren Schichtdicke werden so gewählt, dass mindestens eine Teilzelle eine gegenüber den anderen Teilzellen erhöhte Photonenabsorption zeigt. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung dieser photovoltaischen Halbleiterbauelemente. Verwendung finden die photovoltaischen Bauelemente als Strahlungsempfänger in der optischen Leistungsübertragung z.B. für die Überwachung von Hochspannungsleitungen, passive optische Netzwerke, Energieversorgung von und in aktiven Implantaten, störfreie Elektromagnetfeldmessung, blitzschlagsichere Überwachung von Windenergieanlagen, explosionssichere Sensorik in Flugzeugtanks, drahtlose Leistungsübertragung, galvanisch getrennte Leistungsversorgung für Sensorik in Hochspannungsumgebung, drahtloses Laden von Consumer Elektronik, sowie die Leistungsversorgung von Unterwasser-Observatorien.
Solarzellen nutzen den photovoltaischen Effekt zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Dieser Effekt ist nicht nur auf Sonnenlicht beschränkt, sondern kann auch zur Umwandlung von Licht - oder allgemeiner elektromagnetischer Strahlung - aus anderen Quellen verwendet werden. Zu nennen ist hier insbesondere die optische Leistungsübertragung (sog. "Power- by-Light"). Dabei werden photovoltaische Zellen mit künstlich erzeugter elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, i.d.R. monochromatische oder quasimonochromatische, d.h. schmalbandige, Strahlung mittels Lasern oder LEDs erzeugt wird, um Kleinverbraucher mit Energie zu versorgen.
Es kann also eine Leistungsübertragung ohne Metallkabel erfolgen und somit das Auftreten von Kurzschlüssen, elektromagnetischer Störung, oder Beschädigungen durch Überspannungen vermieden werden. Die Übertragung von künstlicher elektromagnetischer Strahlung zur photovoltaischen Zelle erfolgt dabei entweder über die Luft oder mittels dichter Medien wie zum Beispiel Glasfaserkabeln.
Eine wesentliche Herausforderung für die optische Leistungsübertragung ist die Bereitstellung einer ausreichend hohen Spannung für den Betrieb der durch die photovoltaische Zelle betriebenen elektrischen Verbraucher. Der Großteil der derzeit produzierten Solarzellen sind sogenannte Einfachsolarzellen, die aus nur einem pn-Übergang bestehen. Ihre Spannung wird wesentlich durch das verwendete Halbleitermaterial bestimmt. Vergleichsweise hohe Spannungen für Einfachzellen sind mit dem Halbleiter GaAs zu erreichen (E. Oliva et al., Photovoltaics: Research and Applications, 2008, 4(16), S. 289-295). Die offene Klemmenspannung liegt jedoch maximal im Bereich von 1,2 V und ist damit für den Betrieb von typischen elektronischen Schaltungen zu gering. Die bei diesen System eingesetzten DC/DC-Konverter müssen daher sehr hoch konvertieren.
Die Spannung und der Umwandlungswirkungsgrad von Solarzellen können bekanntlich mit monolithischen Mehrfachsolarzellen erhöht werden. Hierbei werden mehrere Teilzellen übereinander gestapelt. Die derzeit besten Solarzellen bestehen aus vier pn-Übergängen in unterschiedlichen Halbleitermaterialien, die intern über Tunneldioden seriell verschaltet sind (F. Dimroth, et al., IEEE Journal of Photovoltaics, 6(1), S. 343-349, 2016). Die nächste Generation von Mehrfachsolarzellen wird fünf oder mehr pn-Übergänge enthalten, um die Effizienz weiter zu steigern. Für die Umwandlung von Laserlicht wurden bereits Stapel von bis zu 20 Teilzellen realisiert (J . Schubert et al., IEEE Tran- sactions on Electron Devices, 56(2), S. 170 - 175, 2009; S. Fafard et al., Applied Physics Letters, 109(13), S. 131107, 2016). Dabei wurden die pn-Übergänge mit Tunneldioden seriell verschaltet und somit die Ausgangsspannung der
Bauteile im Vergleich zu Einfachzellen vervielfacht. Nach dem Stand-der- Technik werden die gestapelten Teilzellen dabei so ausgelegt, dass alle Teilzellen die gleiche Anzahl von Photonen absorbieren und somit den gleichen Strom erzeugen, sodass keine Teilzelle im Stapel den Gesamtstrom limitiert.
Die Verschaltung der in Serie geschalteten pn-Übergänge in Mehrfachzellen mit übereinander angeordneten Teilzellen nach dem Stand der Technik kann monolithisch oder auch mechanisch erfolgen. Die pn-Übergänge bestehen aus Halbleitermaterialien, insbesondere aus sogenannten lll-V- Verbindungshalbleitern, bei denen es sich um Materialkompositionen der
Elemente der III. und V. Hauptgruppe aus dem Periodensystem handelt, zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Galliumindiumarsenid (GalnAs) oder
Galliumindiumphosphid (GalnP), Galliumindiumarsenidphosphid (GalnAsP) bzw. anderen Halbleitern, wie Il-Vl-Verbindungshalbleitern, Germanium oder Silizium. Mehrfachzellen werden häufig als monolithische Stapel realisiert. Die verschiedenen Halbleiterschichten werden also direkt übereinander gewachsen bzw. gestapelt. Dies ist beispielsweise durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, Metall Organic Vapor Phase Epitaxy) oder andere epitaktische Verfahren, wie beispielsweise LPE (Liquid Phase Epitaxy) oder MBE (Molecular Beam Epitaxy), auf ein dotiertes oder undotiertes Substrat in kristallinen Schichten aufgewachsen. Damit entsteht eine serielle Verschaltung der Teilzellen, bei der - wie nachstehend erläutert - der Gesamtstrom des Schichtstapels durch die Teilzelle mit dem geringsten Strom limitiert wird. Als Substrat können zum Beispiel Wafer aus Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder Indiumphosphid eingesetzt werden. Auf der Vorderseite einer monolithischen Mehrfachzelle wird im Regelfall eine partielle Metallisierung aufge- bracht - das Kontaktgitter. Die Rückseite wird in der Regel ganzflächig metallisiert. Diese Metallisierungen dienen als Vorder- und Rückseitenkontaktierung. Mit diesen Metallisierungen kann Kontaktierung oder auch eine Verschaltung mehrerer einzelner Zellen erfolgen. Dazu werden meist metallische Verbinder, wie Drahtbonds oder Metallbänder, verwendet.
Bei gestapelten Mehrfachzellen, bei denen mehrere Zellen parallel zur Einstrahlungsrichtung übereinander gestapelt werden, ist eine Optimierung der Schichtdicken hinsichtlich der eingestrahlten Wellenlänge, des gewählten Ma- terials und der Umgebung - z.B. der Temperatur - zwingend erforderlich. Die optimalen Schichtdicken werden so gewählt, dass alle Teilzellen den gleichen Photostrom generieren. Bereits bei geringen Abweichungen von der optimalen Schichtdicke kommt es zu einer Verringerung des Wirkungsgrades.
Eine weitere Alternative für die Realisierung von photovoltaischen Bauelementen mit erhöhter Ausgangsspannung stellen Multi-Segment-Zellen dar, wie sie beispielsweise aus US 5,342,451 bekannt sind. Diese basieren auf einer monolithischen seriellen Verschaltung von mehreren PV-Zellen in der Ebene, die auf einem isolierenden Substrat zur elektrischen Trennung der Segmente angeordnet sind. Mit diesem System ist eine Vervielfachung der Ausgangsspannung möglich. Allerdings zeigen derartige Multi-Segment-Zellen den Nachteil, dass hohe Anforderungen an die Justage gestellt werden müssen, da kleine Abweichungen sich stärker als bei Einzelzellen auswirken. Außerdem treten Flächenverluste aufgrund der Verschaltung durch die hierbei erforderlichen Isolationsgräben auf. Insoweit ist für diese Systeme eine deutlich aufwändigere Prozessierung mit mehr Photolithografie-Schritten notwendig, was auch mit höheren Herstellungskosten verbunden ist.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und photovoltaische Halbleiterbauelemente mit verbessertem Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das photovoltaische Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 15 werden erfindungs- gemäße Verwendungen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein photovoltaisches Halbleiterbauelement bereitgestellt, zur Konversion von monochromatischer Strahlungsleistung in elektri- sehe Leistung mit mindestens einer der Strahlung zugewandten frontseitigen
Teilzelle (1) und einer rückseitige Teilzelle (3), wobei die aus Halbleiterschichten gebildeten Teilzellen miteinander verschaltet sind und die Materialien der Halbleiterschichten und/oder die Schichtdicken der Halbleiterschichten so gewählt sind, dass mindestens eine Teilzelle eine gegenüber den anderen Teil- zellen erhöhte Photonenabsorption zeigt, durch die ein Lumineszenz- kopplungsprozess zur Umverteilung der durch die Strahlung generierten Ladungsträger in die anderen Teilzellen hervorgerufen wird, welcher ausgleichend bezüglich der ursprünglich ungleichen Absorption wirkt. Unter quasi-monochromatischer Strahlung wird im Rahmen der vorliegenden
Anmeldung Strahlung mit schmaler spektraler Bandbreite, wie sie z.B. von LEDs oder Lasern typischerweise emittiert wird, verstanden.
Es ist bevorzugt, dass sich die Absorbermaterialien von mindestens zwei Teil- zellen hinsichtlich der Bandlücke unterscheiden, wobei diese Materialien zueinander gitterangepasst sind oder die Halbleiterschichten durch eine metamorphe Pufferschicht, welche Gitterversetzungen aufgrund von Gitterfehlanpassung der Materialien kompensiert und die für die einfallende Strahlung transparent ist, verbunden werden können.
Gemäß dem Stand der Technik ist es eine gängige Herangehensweise des Fachmanns, dass die Schichtdicke der Halbleiterschichten so gewählt werden, dass alle Teilzellen einer Mehrfachzelle die gleiche Photonenzahl absorbieren und damit den gleichen Photostrom generieren. Zur Vereinfachung der Her- Stellung würde der Fachmann dann Teilzellen aus dem gleichen Material wählen. Das einzusetzende Material der Halbleiterschichten hängt dabei von der Wellenlänge der monochromatischen Strahlung ab. Allerdings gibt es hinsichtlich des Materials limitierende Faktoren, wie z. B. die maximal mögliche Schichtdicke oder das Temperaturfenster für die Anwendung. Der Fachmann wird somit ein Material auswählen und dann die Schichtdicke so wählen, dass alle Teilzellen die gleiche Photonenzahl absorbieren. Von dieser bekannten Herangehensweise wendet sich die vorliegende Erfindung nun ab, d. h. es wird eben nicht der Grundsatz verfolgt, dass alle Teilzellen die gleiche Photonenzahl absorbieren müssen. Vielmehr wird gezielt das System so eingestellt, dass einige Teilzellen mehr Licht absorbieren, so dass mindestens eine der Teilzellen den Strom der Mehrfachzelle limitiert. Am Beispiel einer Dreifachzelle soll die erfindungsgemäße Vorgehensweise beim Design der Mehrfachzelle verdeutlich werden.
M(l) = M(2) = M(3) = Mwunsch
1
A(l) = A{2) = - - 110 %
A _3) = - - 80 %
Diese Dreifachzelle besteht aus drei Teilzellen, wobei die beiden oberen Teilzellen einen Stromüberschuss von jeweils 10% generieren, während die unterste Zelle einen um 20 % geringeren Strom zeigt - jeweils im Vergleich zur stromangepassten Situation.
Die daraus resultierende Strombegrenzung der Dreifachzelle durch die unterste Teilzelle wird durch den Effekt der Lumineszenz-Kopplung im Wesentlichen ausgeglichen - daher kann auch von einer„ursprünglichen Strombegrenzung" gesprochen werden, tatsächlich wird diese durch Photonenaustausch (weitgehend) kompensiert. Dabei verändern sich die Arbeitspunkte der oberen beiden Teilzellen, was zu einem Anstieg des Füllfaktors der Gesamtkennlinie führt und damit in Summe mit dem minimalen Stromverlust (aufgrund nicht idealer Kopplung) die Effizienz des Systems, d. h. den Wirkungsgrad der Mehrfachzelle verbessert. Erfindungsgemäß kann somit durch ein gezieltes Abweichen von der üblichen Designvorschrift der Wirkungsgrad des Systems erhöht werden.
Um die Lumineszenz-Kopplung zu verbessern und zusätzlich die Spannung der Mehrfachzelle zu erhöhen, kann für die oberen Teilzellen ein Material mit erhöhter Bandlücke gewählt werden, z.B. eine Dreifachzelle aus
Alo.04Gao.96As/Alo.02Gao.9sAs/GaAs (Bandlücken Eg= 1,446/1,433/1,424 eV). In diesem Fall wird erfindungsgemäß eine Designvorschrift angewandt, bei der zwei freie Parameter, d. h. die Schichtdicke der Teilzellen und die Materialwahl der (oberen) Teilzellen abgestimmt werden. Die unterste Teilzelle würde in diesem Fall aus dem für die Wellenlänge optimierten Material bestehen. Am Beispiel der oben genannten Dreifachzelle wird erfindungsgemäß folgende Designvorschrift verwendet: (l) = Material mit höherer oder gleicher Bandlücke als MWunsch (2) = Material mit höherer oder gleicher Bandlücke als MWunsch
(3) = MWunsch
1
A l) = .4(2) = - · 110% 1
A(3) = -■ 80%
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Strahlung absorbierenden Halbleiterschichten aller Teilzellen aus dem gleichen Material mit gleicher Bandlücke oder aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher Bandlücke bestehen, wobei die Schichtdicke der rückseitigen Teilzelle größer als die Schichtdicke(n) der frontseitigen Teilzelle(n) ist/sind, insbesondere ist die Schichtdicke jeder Teilzelle größer oder gleich der Schichtdicke der darüber befindlichen Teilzelle.
Vorzugsweise kann das Absorbermaterial der rückseitigen Teilzelle eine geringere Bandlücke als die Materialien der frontseitigen Teilzelle aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Absorption der einfallenden Strahlen in den einzelnen Teilzellen im Idealfall von monochromatischen Strahlung über folgende Formel eingestellt, wenn man bei den Teilzellen von jeweils einem Lichtdurchlauf ausgehen kann, was insbesondere bei monotlithisch gestapelten Mehrfachzellen auf Substrat eine gute Annahme darstellt. A(l) = 1 - exp (-a(AL, M(l)) · d(l))
n-l
Λ(η) = (1 - ^ -4(i)) ■ (1 - exp (-a( L, M{n)) · d(n))
t = l mit: n = Anzahl der Teilzellen
λ|_ = Wellenlänge der einfallenden Strahlung
d(n) = Schichtdicke der absorbierenden Halbleiterschicht der Teilzelle n M(n) = Material der absorbierenden Halbleiterschicht der Teilzelle n α (λι, M) = Absorptionskoeffizient des Materials M bei der Wellenlänge
A(n) = Absorption in der Teilzelle n.
Im Falle von schmalbandiger Strahlung wird die Absorption über folgende Formel eingestellt:
_ IÄL [l - exp (-a(AL, M(l)) · d(l))] · PF(AL)dAL
jÄL PF(AL)dAL
Figure imgf000009_0001
mit:
PF(AL) = Photonenfluss in Abhängigkeit der Wellenlänge der genutzten Lichtquelle
Bei komplexeren Systemen, bei denen sich z.B. ein Spiegel auf der Rückseite der aktiven Schichten befindet, ändert sich die Berechnung der Absorption, da dann nicht mehr diese einfache Vorschrift genutzt werden kann. Für die Absorption der Teilzellen könnte man dann auf eine Transfermatrix, bzw. Streumatrixmethode zurückgreifen. Die folgende Designvorschrift für die gewünschten Verhältnisse der einzelnen Absorptionen ändert sich jedoch nicht. Die Materialien und Dicken sind so gewählt, dass die Absorption des von au- ßen einfallenden Lichts mindestens einer Teilzelle größer ist als in den anderen Teilzellen, insbesondere in (n - 1) Teilzellen größer ist als in einer Teilzelle. Somit gilt nicht die generelle Regel:
1
.4(1) = .4(2) = ··· = A n) = - n
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass eine Teilzelle eine geringere Absorption als die frontseitige(n) Teilzelle(n) aufweist, wobei die daraus resultierende Differenz im erzeugten Photostrom durch die auftretende Lumineszenzkopplung weitgehend ausgeglichen wird, z.B. zu 50%, bevorzugt zu 75%. Durch dieses Design kann der Füllfaktor der Kennlinie verbessert werden, was den geringen Stromverlust durch die nicht perfekte Kopplung überkompensieren kann und somit insgesamt zu einer höheren Systemeffizienz führt.
Es ist bevorzugt, dass die Teilzelle mit geringerer Absorption eine Fehlanpassung gegenüber einer gleichen Absorption in allen Teilzellen von 2 bis 25%, bevorzugt von 5 bis 20% gegenüber der/den anderen Teilzelle(n) aufweist.
Vorzugsweise ist das Material der Halbleiterschicht der Teilzelle mit geringerer Absorption GaAs und das Material der anderen Teilzelle(n) AlxGai_xAs mit x= 0,01 bis 0,3.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Material der Halbleiterschicht der Teilzelle mit geringerer Absorption lnO.53GaO.47As und das Material der anderen Teilzelle(n) lnxGai-xAsyPi-y ist, wobei die Komposition (x,y) so gewählt ist, dass das Material gitterangepasst ist zu InP.
Die Teilzellen sind vorzugsweise über Tunneldioden miteinander verschaltet.
Das Halbleiterbauelement ist vorzugsweise eine monolithisch gestapelte Mehrfachzelle, wobei die Stapelrichtung parallel zur einfallenden Laserstrahlung zeigt. Es ist weiterhin bevorzugt, dass auf der rückseitigen Teilzelle ein Reflektor angeordnet ist, insbesondere ein dielektrisch-metallischer Reflektor, ein metallischer Reflektor, ein dielektrischer Reflektor oder ein Bragg- Reflektor. Vorzugsweise ist auf der frontseitigen Teilzelle eine funktionelle Schicht angeordnet, die bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Antirefle- xionsschichten, Filterbeschichtungen oder Kombinationen hiervon, mit der Funktion die einfallende Strahlung möglichst gut in das Bauelement einzukoppeln oder durch strahlende Rekombination im Bauelement erzeugte Photonen möglichst gut im Bauelement einzufangen oder eine Kombination von beiden Effekten.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung des photovoltai- schen Halbleiterbauelementes zur Konversion von monochromatischer Strahlungsleitung in elektrische Leistung bereitgestellt, bei dem die Materialien der Halbleiterschichten der Teilzellen und/oder die Schichtdicken der Halbleiterschichten der Teilzellen so gewählt sind, dass mindestens eine Teilzelle eine von den anderen Teilzellen abweichende Photonenabsorption zeigt, durch die ein Lumineszenzkopplungsprozess zur Umverteilung der photogenerierten Ladungsträger in die anderen Teilzellen hervorgerufen wird, welcher ausgleichend bezüglich der ursprünglich ungleichen Absorption wirkt.
Der Ablauf des Verfahrens basiert bevorzugt auf folgenden Schritten:
• Epitaktisches Wachstum der Halbleiterschichten auf einem Substrat, z.
B. MOVPE-Wachstum einer n/p GaAs Unterzelle auf einem p-Typ GaAs Substrat
• alternierend Wachstum transparenter Tunneldioden und (gitterange- passte) n/p AIGaAs-Zellen gemäß der zuvor beschriebenen Designvorschrift
• nach Wachstum der obersten Teilzelle Abschluss Wachstum einer transparenten gitterangepassten n-Typ GalnP-Fensterschicht, welche zusätzlich den lateralen Ladungsträgertransport zu den Metallkontakten unterstützt
• als letzte Schicht folgt eine hochdotierte n-Typ GaAs Deckschicht für die Realisierung von niederohmschen Metall-Halbleiterkontakten
• Reinraum-Prozessierung mit photolithographischer Strukturierung:
Abscheidung und Strukturierung einer geeigneten Metallabfolge für das Vorderseiten-Kontaktgrid
• anschließendes Annealing zur Erzeugung eines niederohmschen Vor- derseitenkontakts
• Ätzen der Deckschicht an den nicht-metallisierten Flächen
• Abscheidung und Strukturierung einer Antireflexbeschichtung z. B.
zweilagig hoch- und niederbrechend aus TaO und MgF, so dass die Vorderseitenmetallisierung kontaktierbar ist.
• Mesa-Ätzen zur elektrischen Trennung einzelner Photovoltaikzellen voneinander
• flächige Rückseiten-Metallisierung und Annealing zur Realisierung eines niederohmschen Rückseitenkontakts.
Erfindungsgemäß werden die Halbleiterbauelemente für die Überwachung von Hochspannungsleitungen, passive optische Netzwerke, Energieversorgung von und in aktiven I mplantaten, störfreie Elektromagnetfeldmessung, blitzschlagsichere Überwachung von Windenergieanlagen, explosionssichere Sensorik in Flugzeugtanks, drahtlose Leistungsübertragung, galvanisch getrennte Leistungsversorgung für Sensorik in Hochspannungsumgebung, drahtloses Laden von Consumer Elektronik, sowie die Leistungsversorgung von Unterwasser-Observatorien verwendet.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Ausführungsform exemplarisch beschrieben, ohne das Verfahren auf den hier beschriebenen spezifischen Ablauf einschränken zu wollen.
Der Ablauf einer Variante des erfindungsgemäßen des Verfahrens, nämlich einer AI0.04Ga0.96As/AI0.02Ga0.98As/GaAs Dreifachzelle, basiert auf folgenden Schritten:
Epitaktisches Wachstum der Halbleiterschichten mittels MOVPE auf einem p- Typ GaAs Substrat mit 2-6° Verkippung nach <111>. Für das epitaktische Wachstum werden Arsin- und Phosphin-Ouellen als Gruppe V-Precursoren verwendet. Trimethyl-Gallium, Trimethyl-I ndium und Trimethyl-Aluminium werden als Gruppe Il l-Precursoren verwendet. Für die n/p Teilzellen werden von unten nach oben unterschiedlichen Kompositionen und Teilzelldicken hergestellt: GaAs (3500 nm), Alo.02Gao.9sAs (916 nm), Al0.o4Ga0.96As (635 nm). Die p-Typ Basis der Teilzellen wird jeweils mit Dimethyl-Zink auf p=l-4xl017 cm"3 dotiert, der n-Typ Emitter mittels Silan auf n=2xl018 cm"3. Das Rücksei- tenfeld und das Vorderseitenfeld (Fensterschicht) werden jeweils als gitteran- gepasstes p-Typ bzw. n-Typ GalnP (p-dotiert mit Dimethyl-Zink auf p=lxl018 cm"3 bzw. n-dotiert mit Silan auf n=5xl018 cm"3) ausgeführt mit einer Dicke von je 50 nm. Die oberste Fensterschicht wird 400 nm dick ausgeführt, um als transparente Querleitschicht den Stromtransport zu den Vorderseitenkontakten zu verbessern. Zwischen den Teilzellen werden transparente Tunneldioden ausgeführt bestehend aus einer hochdotierten n-Typ AIGalnP und einer hochdotierten p-Typ AIGaAs Schicht (Dotierung jeweils >lxl019cm"3). Über der obersten Fensterschicht wird eine mittels Silan hochdotierte n-Typ GaAs Deckschicht (n=5xl018 cm"3) gewachsen, um einen niederohmschen Kontakt zu ermöglichen. Als Vorderseitenkontakt wird eine AuGe oder PdGe basierte Metallisierung abgeschieden und photolithographisch strukturiert, mit einem spezifischen Kontaktwiderstand nach Einlegieren im Bereich 1-6χ10"6 Qcm2. Als Rückseitenkontakt wird eine vollflächige TiPdAg oder PdZnPdAu basierte Metallisierung aufgebracht. Die Deckschicht wird überall, wo keine Vorderseitenmetallisierung aufgebracht wurde mittels eines nasschemischen Ätzprozesses entfernt. Um die Reflexion zu minimieren wird im Anschluss eine zwei- lagige hoch- und niederbrechende Antireflexbeschichtung aus TaO und MgF abgeschieden und photolithographisch so strukturiert, dass die metallisierten Kontaktflächen (Sammelbusse) auf der Vorderseite frei und kontaktierbar bleiben. Abschließend werden die einzelnen Bauelemente auf dem Wafer mittels eines unselektiven nasschemischen Mesa-Ätzprozesses voneinander getrennt, d.h. das epitaktisch gewachsene Halbleitermaterial zwischen den aktiven Zellflächen entfernt.

Claims

Patentansprüche
Photovoltaisches Halbleiterbauelement zur Konversion von schmal- bandinger oder monochromatischer Strahlungsleistung in elektrische Leistung mit mindestens einer der Strahlung zugewandten frontseitigen Teilzelle (1) und einer rückseitige Teilzelle (3), wobei die aus Halbleiterschichten gebildeten Teilzellen miteinander verschaltet sind und die Materialien der Halbleiterschichten und/oder die Schichtdicken der Halbleiterschichten so gewählt sind, dass mindestens eine Teilzelle eine gegenüber den anderen Teilzellen erhöhte Photonenabsorption zeigt, durch die ein Lumineszenzkopplungsprozess zur Umverteilung der durch die Strahlung generierten Ladungsträger in die anderen Teilzellen hervorgerufen wird, welcher ausgleichend bezüglich der ursprünglich ungleichen Absorption wirkt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Materialien von mindestens zwei der Strahlung absorbierenden Halbleiterschichten hinsichtlich der Bandlücke unterscheiden, wobei diese Materialien zueinander gitter- angepasst sind oder die Halbleiterschichten durch eine metamorphe Pufferschicht, die für die einfallende Strahlung transparent ist, getrennt sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung absorbierenden Halbleiterschichten aller Teilzellen aus dem gleichen Material mit gleicher Bandlücke oder aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher Bandlücke bestehen, wobei die Schichtdicke der rückseitigen Teilzelle größer als die Schichtdicke(n) der frontseitigen Teilzelle(n) ist/sind, insbesondere ist die Schichtdicke jeder Teilzelle größer oder gleich der Schichtdicke der darüber befindlichen Teilzelle. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorbermaterial der rückseitigen Teilzelle eine geringere Bandlücke als die Materialien der frontseitigen Teilzelle(n) aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption der einfallenden Strahlung in den einzelnen Teilzellen im Idealfall von monochromatischer Strahlung über die Formel :
A(l) = 1 - exp (-a(AL, M(l)) · d(l))
A(n) = - _4(i) ■ (l - exp (-a(lL, M(n)) · d(n)))
Figure imgf000015_0001
und im Falle von schmalbandiger Strahlung über die Formel JÄL [l - exp (-a(AL, M(l)) · d(l))] · PF(AL)dAL
jÄL PF(AL)dAL
Figure imgf000015_0002
eingestellt wird, wobei: n = Anzahl der Teilzellen
λ|_ = Wellenlänge der einfallenden Strahlung
d(n) = Schichtdicke der absorbierenden Halbleiterschicht der Teilzelle n M(n) = Material der absorbierenden Halbleiterschicht der Teilzelle n α(λ|_, M) = Absorptionskoeffizient des Materials M bei der Wellenlänge λ PF(AL)= Photonenfluss in Abhängigkeit der Wellenlänge der genutzten Lichtquelle und
A(n) = Absorption in der Teilzelle n und wobei die Materialien und Dicken so gewählt werden, dass die ursprüngliche Absorption in mindestens einer Teilzelle größer ist als in den anderen Teilzellen, insbesondere in (N-1) Teilzellen größer ist als in einer Teilzelle.
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilzelle eine ursprünglich geringere Absorption als die frontseitige(n) Teilzelle(n) aufweist, wobei die daraus resultierende Differenz im erzeugten Photostrom durch die auftretende Lumineszenzkopplung ausgeglichen wird.
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilzelle(n) mit ursprünglich geringerer Absorption eine Fehlanpassung im generierten Photostrom von 2 bis 25%, bevorzugt von 5 bis 20% gegenüber der/den anderen Teilzel- le(n) aufweist.
8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Halbleiterschicht der Teilzelle mit ursprünglich geringerer Absorption GaAs und das Material der anderen Teilzelle(n) AlxGai_xAs mit x= 0,01 bis 0,3 ist.
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Halbleiterschicht der Teilzelle mit geringerer Absorption ln0.53Ga0.47As und das Material der anderen Teilzelle(n) lnxGai-xAsyPi-y ist, wobei die Komposition (x,y) so gewählt ist, dass das Material gitterangepasst zu InP ist.
10. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilzellen über Tunneldioden miteinander verschaltet sind.
11. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine monolithisch gestapelte Mehrfachzelle ist, wobei die Stapelrichtung bevor- zugt parallel zur Laserstrahlung zeigt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der rückseitigen Teilzelle ein Reflektor angeordnet ist, insbesondere ein dielektrisch-metallischer Reflektor, ein metallischer Reflektor, ein dielektrischer Reflektor oder ein Bragg-Reflektor.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der frontseitigen Teilzelle ein funktionelle Schicht angeordnet ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Antireflexionsschichten, Filterbeschichtungen oder Kombinationen hiervon, mit der Funktion die einfallende Strahlung möglichst gut in das Bauelement einzukoppeln oder durch strahlende Rekombination im Bauelement erzeugte Photonen möglichst gut im Bauelement einzufangen oder eine Kombination von beiden Effekten.
Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Halbleiterbauelements zur Konversion von monochromatischer Strahlungsleistung in elektrische Leistung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Materialien der Halbleiterschichten der Teilzellen und/oder die Schichtdicken der Halbleiterschichten der Teilzellen so gewählt sind, dass mindestens eine Teilzelle eine von den anderen Teilzellen abweichende Photonenabsorption zeigt, durch die ein Lumineszenz- kopplungsprozess zur Umverteilung der photogenerierten Ladungsträger in die anderen Teilzellen hervorgerufen wird, welcher ausgleichend bezüglich der ursprünglich ungleichen Absorption wirkt.
Verwendung des photovoltaischen Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere als optischer Empfänger in Optokopplern, für die Überwachung von Hochspannungsleitungen, passive optische Netzwerke, Energieversorgung von und in aktiven Implantaten, störfreie Elektromagnetfeldmessung, blitzschlagsichere Überwachung von Windenergieanlagen, explosionssichere Sensorik in Flugzeugtanks, drahtlose Leistungsübertragung, galvanisch getrennte Leistungsversorgung für Sensorik und Elektronik in Hochspannungsumgebung, galvanisch getrennte Leistungsversorgung für Sensorik und Elektronik in Magnetfeldumgebung, drahtloses Laden von Consumer Elektronik, sowie die Leistungsversorgung von Unterwasser- Observatorien.
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