DE2639841C3 - Solarzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Solarzelle und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle, in deren Halbleiterkörper Zonen entgegengesetzter Dotierung
einen PN-Übergang bilden und jeweils mit einer Elektrode versehen sind. Die Erfindung betrifft ferner
ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle.
Eine Solarzelle der genannten Art ist aus der DE-OS 34 751 bekannt.
Solarzellen sind elektronische Halbleiterbauelemente, mit denen Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt
werden kann. Der Halbleiterkörper kann beispielsweise aus Silizium oder aus einer III-V-Verbindung wie
Galliumarsenid bestehen und ist auf seiner der Strahlung zugewandten Vorderseite durch Diffusion mit
einem großflächigen PN-Übergang versehen. Als Elektroden zur Abnahme des an einem solchen
Halbleiterkörper erzeugten Stromes dienen flächenhafte Metallkontakte auf der Rückseite und dünne
metallische Kontaktstreifen auf der Vorderseite. Am PN-Übergang wird im thermischen Gleichgewicht eine
in Diffusionsspannung erzeugt deren Höhe durch die Störstellenkonzentration in den angrenzenden Zonen
bestimmt wird. Sie bildet das innere Feld über der Raumladungszone der Grenzschicht Treten nun Lichtquanten
mit genügend großer Energie in einen solchen
is Halbleiterkörper ein, so werden beiderseits des
PN-Überganges zusätzlich Ladungsträgerpaare im Überschuß über das thermische Gleichgewicht erzeugt
Durch Diffusion bewegen sich dann die erzeugten Ladungsträger auf den PN-Übergang zu und werden in
dessen elektrischem Feld getrennt Diese Separation bedeutet eine Reduzierung des inneren Potentials. Die
Differenz zum Potential des thermischen Gleichgewichts erscheint als eine Fotospannung, wobei in einem
an den Halbleiterkörper angelegten äußeren Laststromkreis dann ein Ladungsausgleich unter Abgabe von
elektrischer Energie erfolgt
Solarzellen werden bekanntlich unter dem Gesichtspunkt
gestaltet, daß möglichst viele Photonen in den Halbleiterkörper eindringen können und daß die Zahl
jo der den PN-Übergang erreichenden Ladungsträger
sowie die abgebbare Leistung möglichst groß werden, die dem Licht zugewandte im allgemeinen N-leitende
Zone des Halbleiterkörpers, die weniger degradiert als eine P-leitende Zine, wird deshalb möglichst dünn
gewählt, damit ein hoher Prozentsatz des in der sehr dünnen N-leitenden Zone absorbierten Lichtes zur
Energieumwandlung beiträgt Die Konversionslänge ist dann ungefähr gleich der Diffusionslänge. Ferner wird
der Schichtwiderstand dieser N-leitenden Zone klein gewählt, damit nicht durch einen zu großen Serien- bzw.
Innenwiderstand der Wirkungsgrad der Solarzellen herabgesetzt wird. Außerdem wird zweckmäßig für den
Halbleiterkörper ein Ausgangsmaterial mit einem spezifischen Widerstand zwischen 1 und 10 Ohmcm
gewählt. Die aus solchen Halbleitermaterialien hergestellten Solarzellen degradieren unter Korpuskularstrahlung
nur wenig. Ferner ist dann die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger und somit die Diffusionslänge ausreichend groß, so daß ein erheblicher Anteil
der erst weiter innen auf der der Lichteinstrahlrichtung abgewandten Seite des PN-Überganges absorbierten
Lichtquanten Ladungsträger erzeugt, die den PN-Übergang noch erreichen können.
Von dem auf eine Halbleiteroberfläche einer Solar-
Von dem auf eine Halbleiteroberfläche einer Solar-
Tj zelle einfallenden Licht wird ein großer Anteil
reflektiert, der beispielsweise bei einer ebenen Siliziumoberfläche bis zu 32% betragen kann. Die bekannten
Solarzellen sind deshalb im allgemeinen mit Schichten von entsprechender Dicke und aus einem Material mit
ho einem angepaßten Brechungsindex versehen, um die
Reflexionsverluste auf einen vernachlässigbaren Betrag zu begrenzen (DE-OS 19 34 751).
Solarzellen enthalten im allgemeinen einen flachen Halbleiterkörper mit einer Dicke von einigen 100 μηι,
h) leispielsweise 350 μηι, aus einkristallinem, P-Ieitendem
Silizium, in dessen Oberseite eine dünne N-leitende Zone mit geringer Dicke von beispielsweise 0,3 μίτι
eindiffundiert ist. Die Herstellung solcher Siliziumblätt-
chen ist jedoch sehr aufwendig und kostspielig, so daß
die Energiegewinnung mit entsprechenden Zellen wesentlich teurer a]s andere Energiegewinnungsmethoden ist
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Solarzelle
der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß sie kostengünstiger produziert werden kann und ihr
Wirkungsgrad gegenüber dem Wirkungsgrad der bekannten Solarzellen weiter erhöht ist
Diese Ausgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der Halbleiterkörper aus einkristallinen HaIbleiterwhiskern besteht, die auf einer Oberfläche eines
Substrates aufgewachsen sind.
Unter einem Whisker ist dabei ein Fadenkristall hoher Festigkeit von einigen μτη Durchmesser und
Längen bis zu einigen cm zu verstehen. Seine Struktur ist in der Regel einkristallin mit nahezu idealem
Gitteraufbau.
Unter einem Substrat ist mindestens ein das Whiskerwachstum bzw. die Whiskerkeimbildung begünstigendes Material zu verstehen, auf dessen einer
Oberfläche in einem Reaktionsraum die Whisker gezüchtet werden können. Obwohl das Substrat in
Teilchenform, beispielsweise als Staub, Whiskerfragmente, oder einer anderen Form vorliegen kann, sind
bevorzugte Substrate hitzebeständige Materialien wie Aliminiumoxid oder -silikat, die üblicherweise in Blattoder Rohrform verwendet werden. Einzelheiten über
Whisker-Züchtitrigsverfahren sind beispielsweise dem
Buch »Whisker Technology«, New York, 1970, Hrsg. A.
P. Levitt, Verlag Wiley-Interscience, zu entnehmen.
Die Vorteile der Solarzelle nach der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß die für den Halbleiterkörper vorgesehenen Halbleiterwhisker einkristallin
sind und somit einen hohen Wirkungsgrad der « Solarzelle ermöglichen. Das große Verhältnis von
Oberfläche zu Volumen der Halbleiterwhisker, das zu einem besondere großflächigen PN-Übergang führt,
bewirkt eine hohe Steigerung der Quantenausbeute im Vergleich zu einem ebenen Halbleiterblättchen. Darüber hinaus können solche Halbleiterwhisker nahezu
reflexionsfrei die Strahlung absorbieren. Eine Antireflexionsschicht wie bei den bekannten Solarzellen ist
deshalb nicht erforderlich. Da die Absorptionstiefe etwa gleich der Diffusionslänge der Ladungsträgerpaare in
dem Whiskermaterial gewählt werden kann, ist damit eine Materialeinsparung bei Erhöhung der Quantenausbeute und des Wirkungsgrades verbunden. Ferner isi
eine Fertigung der Solarzellen nach der Erfindung am Band durch eine Hintereinanderschaltung aller dafür
vorzusehenden Prozesse möglich. Eine solche Fertigung ist verhältnismäßig kostengünstig.
Bei den bekannten Solarzellen dienen als Elektrode auf der Lichtseite des Halbleiterkörpers Fingerkontakte, die eine möglichst, große Oberfläche für den
Lichtdurchtritt freilassen (DE-OS 20 48 451). Solche fingerförmigen Kontakte werden bei der Solarzelle
nach der Erfindung zweckmäßigerweise nicht angewandt, da mit diesen Kontakten die gesamte Oberfläche
aller Halbleiterwhisker nichi erfaßt werden kann. t>o
Gemäß einer Weiterbildung der Solarzelle nach der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß die Oberflächen
der Halbleiterwhisker mit einer Schicht aus einem transparenten, elektrisch gut leitenden Material versehen sind. Geeignete Materialien hierfür sind beispiels- b5
weise mit Antimon dotiertes Zinnoxid SnO2(Sb) oder mit Zinn dotiertes Indiumoxid In2O^Sn). Ihre Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich des Spektrums beträgt
mehr als 80%. Da bei den Halbleiterwhiskern keine Antireflexschichten erforderlich sind, ist eine Anwendung solcher transparenter Elektrodenschichten möglich. Die Halbleiterwhisker können zumindest großenteils mit diesen Schichten überzogen werden, so daß ein
entsprechend hoher Prozentsatz der an die Oberfläche gelangenden Ladungsträger erfaßt wird.
Diese lichtdurchlässigen, elektrisch gut leitenden
Schichten, die als eine der beiden Elektroden der Solarzelle dienen, können vorteilhaft durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), Bedampfen oder Ionenplattieren auf die Oberflächen der Halbleiterwhisker
aufgebracht werden. Mit diesen Verfahren läßt sich eine verhältnismäßig gleichmäßige Schichtdicke auf der
gesamten Whiskeroberfläche, so insbesondere an den Spitzen der Halbleiterwhisker, erreichen.
Gemäß einer Weiterbildung der Solarzelle nach der Erfindung kann vorteilhaft das Substrat oder ein Träger,
auf dem das Substrat aufgebracht ist, aus einem elektrisch gut leitenden Material bestehen. Das Substrat
bzw. der Träger kann dann zugleich als Elektrode auf der der Strahlung abgewandten Seite der Solarzelle
dienen.
Ferner kann vorteilhaft für Solarzellen mit Silizium-Halbleiterwhiskern als Substrat polykistallines Silizium
vorgesehen sein. Auf diesem verhältnismäßig kostengünstigen Material lassen sich besonders defektfreie,
einkristalline Silizium-Halbleiterwhisker züchten.
Zum Züchten der Halbleiterwhisker einer Solarzelle nach der Erfindung kann vorteilhaft das sogenannte
Vapor-Liquid-Solid- Verfahren (»VLS-Mechanismus«) vorgesehen werden, das aus der Zeitschrift »Transactions of the Metallurgical Society of AIME«, Band 233,
Juni 1965, Seiten 1053 bis 1064 bekannt ist. Gemäß diesem Kristallzüchtungsverfahren wird das zu kristallisierende Halbleitermaterial aus der Gasphase in einer
vorbestimmten Menge eines auf dem Substrat aufgebrachten Metalls, in welchem das zu kristallisierende
Material löslich ist und das als Agens bezeichnet wird, aufgenommen. Während der Abscheidung wird bei
einer entsprechenden vorgegebenen Temperatur mit dem zu kristallisierenden Halbleitermaterial eine
Legierung gebildet, die sich bei weiterer Abscheidung dieses Halbleitermaterial sättigt. Es kommt so zu einer
Übersättigung und Ausscheidung des Halbleitermaterials auf dem Substrat und schließlich zum Wachstum
der Halbleiterwhisker mit dem flüssigen Agens auf deren Spitzen.
Das Kristallwachstum ist dabei stark anisotrop, d. h. es erfolgt nahezu in einer Richtung senkrecht zur
Substratoberfläche, weil die Aufnahme des kristallisierenden Halbleitermaterials bzw. seiner Bestandteile aus
der Gasphase bevorzugt an der freien Oberfläche der flüssigen Metallphase stattfindet, während die Abscheidung aus der flüssigen Metallphase nur an der
Grenzfläche zwischen Tropfen und Substrat erfolgt.
Mit dem genannten Verfahren kann vorteilhaft eine große Fläche des Substrats mit Halbleiterwhiskern
versehen werden. Die Herstellung der Solarzellen nach der Erfindung ist dementsprechend kostengünstig.
Zur Herstellung von Solarzellen nach der Erfindung mit Halbleiterwhiskern aus einer Ill-V-Verbindung oder
aus einer ternären Legierung mit den Partnern einer solchen Verbindung kann vorteilhaft als Agens der erste
Partner dieser Verbinung bzw. Legierung verwendet werden. Solche Verbindungen können insbesondere die
Gallium-Verbindungen Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP) oder die ternäre Verbindung
Galliumarsenidphosphid (GaAsi-,Ρ,) sowie die Verbindungen
Indiumphosphid (InP), Cadmiumtellurid (CdTe), Aluminiumantimonid (AlSb) und Cadmiumsulfid (CdS)
sein. Mit Halbleiterkörpern aus diesen Materialien lassen sich Solarzellen herstellen, deren Wirkungsgrade
höher als vergleichsweise der Wirkungsgrad der Solarzellen mit Siliziumhalbleiterwhiskern ist, da die
Bandlücke dieser Halbleitermaterialien näher bei der für Solarzellen optimalen Bandlücke von etwa 1,5 eV
liegt als die Bandlücke von Silizium. Da der erste ι α Partner dieser Verbindungen zugleich als Agens dienen
kann, ist die Gefahr gering, daß in die Halbleiterwhisker Fremssubstanzen, die zu einer Verringerung des
Wirkungsgrades der Solarzellen führen, eingebaut werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen
wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur schematisch eine »Whiskersolarzelle« veranschaulicht
ist.
Die als Querschnitt nur teilweise in der Figur gezeigte Solarzelle enthält ein Substrat 2, auf dem eine Vielzahl
von einkristallinen Halbleiterwhiskern steht. In der Figur sind nur acht parallel nebeneinander angeordnete,
gleichgroße Halbleiterwhisker 4 dargestellt. Ihre Höhen und ihre Durchmesser, die beispielsweise in der
Größenordnung von 100 μηι bzw. einigen μηι liegen,
können jedoch unterschiedlich sein. Darüber hinaus können die Halbleiterwhisker auch einen, über ihre
Höhe gesehen, veränderlichen Querschnitt aufweisen. jo
Die Solarzelle ist bezüglich einer durch einzelne Pfeile 5 dargestellten einfallenden Sonnenlichtstrahiung
so ausgerichtet, daß ihre Halbleiterwhisker 4 im wesentlichen entgegen der Einfallsrichtung dieser
Strahlung gerichtet sind. Es wird so erreicht, daß die J5
Strahlung praktisch vollständig von den Halbleiterwhiskern absorbiert werden kann.
Aufgrund der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichts müßte die optimale Bandlücke des für die
Solarzelle verwendeten Whisker-Materials, in Elektronenvoit
(eV) gemessen, bei ungefähr 1,5 eV liegen. Die Bandlücke des Siliziums ist ungefähr 1,1 eV, so daß die
von einer Silizium-Solarzelle hervorgerufene Ausgangsspannung entsprechend klein ist und der Wirkungsgrad
der Energieumwandlung einer solchen Zelle in der Größenordnung von etwa 11% liegt Man ist deshalb
bekanntlich bestrebt, für Solarzellen Halbleitermaterialien mit größeren Bandlücken zu verwenden. Solche
Halbleitermaterialien sind beispielsweise bestimmte haibieitende ΙΠ-V-Verbindungcn oder auch iernärc
Legierungen aus solchen Verbindungen. So hat z. B. Gallium-Arsenid eine Bandlücke von ungefähr 1,4 eV.
Die Züchtung der Halbleiterwhisker A_ auf dem
Substrat 2 erfolgt vorteilhaft nach dem bekannten VLS-Verfahren. Dieses Verfahren ist beispielsweise für
Si und insbesondere auch für GaAs, GaAsi-,Ρ,
anwendbar. Während im Falle des Siliziums als Agens Au, Pt, Pd, Ni, Cu oder Ag verwendet werden kann,
dient bei den genannten Gallium-Verbindungen vorteilhaft das Ga selbst als Agens. Weitere Halbleiterverbin- to
düngen mit großen Bandlücken sind InP, AlSb, CdTe und CdS, auf die ebenfalls das VLS-Verfahren
anwendbar ist. Auch bei diesen Halbleiterverbindungen ist ein Fremdmaterial-Agens nicht erforderlich, so daß
als Agens der erste Verbindungspartner, d. h. In, Cd, Al b5
bzw. Cd dienen kann. Ferner lassen sich mit dem bekannten Verfahren auch Ge-Halbleiterwhisker züchten,
wobei ebenfalls Au als Agens verwendet wird.
Bei dem bekannten VLS-Verfahren sind die Wachstumsbedingungen der Halbleiterwhisker in einem dazu
vorgesehenen Reaktionsraum stark von der Substrattemperatur abhängig. Ebenso starken Einfluß hat auch
die Aufdampfrate oder der Grad der Übersättigung des Dampfes in dem Reaktionsraum. Der Whiskerdurchmesser
hängt im wesentlichen von der Teilchengröße des Agensmaterials und der Temperatur ab. So führen
steigende Temperaturen aufgrund besserer Benetzung der Substratfläche zu größeren Whiskerdurchmessern.
Das Agensmaterial kann beispielsweise durch Masken an spezielle Punkte auf der Substratoberfläche aufgebracht
oder auch in einfacher Weise auf das Substrat aufgedampft werden. Während des Aufdampfens oder
des Aufheizens des Substrates bilden sich dann kleine Tropfen auf der Substratoberfläche. Die Tropfengröße
ist z. B. abhängig von der Schichtdicke des aufgedampften Agensmaterials.
Mit dem bekannten VLS-Verfahren lassen sich Whiskerdichten von beispielsweise 104Cm-2 bis
106cm-2 erreichen. Dies entspricht einer mittleren
Whiskerdistanz zwischen 100 μιτι und 10 μιη bei einer
rechtwinkligen Anordnung.
Als Material für das Substrat 2 sind alle das Whiskerwachstum bzw. die Whiskerkeimbildung begünstigenden
Stoffe geeignet So können beispielsweise zur Züchtung von Silizium-Whiskern ein- oder auch
polykristalline Silizium-Substrate vorgesehen werden. Wie in der Figur dargestellt ist, sind solche elektrisch
nicht gut leitenden Substrate vorteilhaft auf einem elektrisch gut leitenden Träger 6 aufgebracht, der
zugleich als Elektrode dienen kann. Vorteilhaft können auch elektrisch leitende Metallbänder als Substrat und
zugleich als Elektrode vorgesehen werden. Im Falle einer Siliziumwhiskerzüchtung kann ein solches Metallband
beispielsweise aus einem kohlenstofffreien Stahl bestehen.
Eine Dotierung der nach dem VLS-Verfahren gezüchteten Halbleiterwhisker läßt sich gemäß bekannter
Verfahren ausführen. So kann beispielsweise eine P-Dotierung von Silizium-Halbleiterwhiskern nach
deren Züchtung oder gegebenenfalls auch während ihrer Züchtung mit Bor oder Aluminium erfolgen. Daran
anschließend wird zur Ausbildung einer N-leitenden Oberflächenzone 8 dieser nunmehr P-leitenden Silizium-Halbleiterwhisker
eine Dotierung entgegengesetzten Typs vorgenommen, beispielsweise durch Eindiffusion
von Phosphor aus der Gasphase in die Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa der Diffusionslänge. Die
verbleibenden P-leiienden Zonen der Siliziuni-Halbleiterwhisker
sind in der Figur mit 9 bezeichnet Der zwischen den N- und P-leitenden Zonen 8 und 9
ausgebildete PN-Übergang ist in der Figur durch eine gestrichelte Linie 10 angedeutet Die Tiefenlage dieses
PN-Übergangs 10 läßt sich in bekannter Weise durch die Diffusionsbedingungen, beispielsweise durch die
Diffusionszeit, die Diffusionstemperatur oder der Gasstrom einstellen.
Obwohl von einer N-Dotierung der Oberflächenzone 8 und einer P-Dotierung der darunterliegenden Zone 9
ausgegangen ist, kann in bekannter Weise der Dotierungstyp der beiden Zonen auch umgekehrt
gewählt werden. ·
Zur Ausbildung einer dem einfallenden Licht zugewandten Elektrode der Solarzelle ist die Oberfläche
der Halbleiterwhisker A mit einer Schicht 12 aus einem lichtdurchlässigem Material überzogen, das
zugleich elektrisch gut leitend ist Vorteilhaft werden
7 8
solche Materialien vorgesehen, die nur einen geringen Heft 1, Seiten 1 bis 11 beschrieben ist. Die
Bruchteil der Energie der eingefallenen Strahlung Elektrodenschichten können auch aufgedampft oder
absorbieren. Solche Materialien sind beipielsweise mit mittels Ionenplattieren aufgebracht werden, wobei die
Antimon dotiertes Zinnoxid SnO^Sb) oder auch mit Elektrodenmaterialien verdampft werden, der Dampf
Zinn dotiertes Indiumoxid In2O3(Sn). Ein geeignetes ri durch eine Plasmaentladung teilweise ionisiert und der
Verfahren zum Aufbringen dieser Elektrodenschichten ionisierte Anteil des Dampfes auf elektrostatischem
ist z. B. das sogenannte Kathodenzerstäuben (Sputtern), Wege zusammen mit dem neutralen Dampf abgeschie-
das in der Zeitschrift »Vakuumtechnik«, 24. Jg., 1975, den wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Solarzelle, in deren Halbleiterkörper Zonen entgegengesetzter Dotierung einen PN-Übergang
bilden und jeweils mit einer Elektrode versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper
aus einkristallinen Halbleiterwhiskern (4) besteht, die auf einer Oberfläche eines Substrates
(2) aufgewachsen sind.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Elektrode eine auf den Oberflächen der Halbleiterwhisker (4) gebildete Schicht (12)
aus einem transparenten, elektrisch gut leitenden Material ist
3. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrodenscnicht (12) aus mit Antimon dotiertem Zinnoxid oder aus mit Zinn
dotiertem Indiumoxid besteht
4. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Silizium-Halbleiterwhiskem, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (2) eine auf einem Träger (6) aufgebrachte Siliziumschicht ist
5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Silizium-Halbleiterwhiskem, dadurch gekennzeichnet,
daß als Substrat (2) polykristallines Silizium vorgesehen ist
6. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß das Substrat (2) oder
der Träger (6), auf dem das Substrat (2) aufgebracht ist aus einem elektrisch gut leitenden Material
besteht
7. Verfahren zur Herstellung von Solarzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterwhisker nach dem Vapor-Liquid-Solid-Verfahren gezüchtet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7 mit Halbleiterwhiskern aus einer III-V-Verbindung oder einer ternären
Legierung mit den Partnern einer III-V-Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß als Agens der erste
Partner dieser Verbindung bzw. Legierung verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gezüchteten, noch undotierten
Halbleiterwhisker zunächst P- oder N-dotiert und daran anschließend in einer Oberflächenzone bis
zu einer Tiefe von der Diffusionslänge N- bzw. P-dotiert werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß als eine Elektrode auf den Oberflächen der Halbleiterwhisker eine elektrisch
gut leitende Schicht durch Kathodenzerstäubung, Bedampfen oder lonenplattieren aufgebracht
wird.
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