DE19612742A1 - Thermovoltaische in-situ Spiegelzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Energieumwandlung, d. h. von Wärme in Elektrizität, und insbesondere auf die thermovoltaische Energieumwandlung, wo eine Wärmequelle durch Strahlung eine Festkörperhalb­ leiterenergie-Umwandlungsvorrichtung oder Vorrichtungen (beispielsweise photovoltaische Zellen) erhitzt, die sich ergebenden Photonen in Elektrizität umwandelt bzw. umwan­ deln.

Die thermovoltaische Energieumwandlung von Wärme in elek­ trische Leistung wird als eine Alternative zu den klassi­ schen Rankine Dampfzylen für diesen allgemeinen Zweck verwendet. Thermovoltaische Systeme sehen die Umwandlung von Wärme in thermische Strahlung und sodann in Elektri­ zität vor, und zwar durch die Wirkung von voltaische Halbleitern.

Eine Hochtemperatur-Wärmequelle, wie sie beispielsweise durch das Verbrennen von Verbrennungsgasen oder durch irgend ein anderes Hochtemperaturfluid dargestellt wird, erhitzt eine Emitteroberfläche, die durch Strahlung Infrarot (IR) Photonen emittiert, und zwar mit einem Spektrum charakteristisch für die Temperatur der Wärme­ quelle. Die Photonen werden auf eine thermovoltaische Zelle fokussiert, welche die Photonen absorbiert, und zwar primär durch die Elektronen/Loch- (e⁻h⁺) Erzeugung. Die IR Photonen müssen eine Energie besitzen, die größer ist als die Differenz zwischen den Leitungs- und Valenz- oder Wertigkeitsbändern des Gitters - was als der "Band­ spalt" oder "Bandabstand" (band gap) bezeichnet wird, um ein (e⁻h⁺) Paar zu erzeugen. Andernfalls wird das Photon parasitär absorbiert, was Wärme ohne elektrische Leistung erzeugt. Die mobilen Ladungsträger (e⁻h⁺) driften, bis sie in Kontakt mit der voltaischen Zwischenschicht (inter­ face) (p-n junction Feld) kommen, wobei an diesem Punkt die Träger beschleunigt werden, wodurch ein voltaisches Potential an der Zelle erzeugt wird, das zur Leistungs­ versorgung einer elektrischen Last verwendet werden kann.

Die Steuerung oder Kontrolle des IR Spektrums ist erfor­ derlich, um einen effizienten Betrieb eines thermovol­ taischen Systems zu erhalten, d. h. das Spektrum muß an die Zellenbandabstände oder "band gaps" bzw. Bandspalte angepaßt werden. Photonen mit einer Energie unterhalb der Bandabstandsenergie müssen für einen effizienten Betrieb zur Wärmequelle zurückgeführt werden oder nicht von der Wärmequelle emittiert werden. Photonen mit Energien, die wesentlich höher liegen als der Bandabstand werden noch Leistung erzeugen, aber nur der Bandabstandsenergiewert ist aus der einfallenden Energie des Photons wiederge­ winnbar und der Rest wird als Wärme verbraucht. Obwohl Hochenergiephotonen zur gesamten Ausgangsleistung beitra­ gen, vermindern sie etwas die relative Effizienz und wer­ den daher entweder unterdrückt oder mit eingeschlossen, abhängig von der speziellen Anwendung. Ein ideales Sy­ stem, was die Spektralanpassung des Zellenbandabstandes anlangt, verwendet eine mit Laserleistung versehene pho­ tovoltaische Energieumwandlung, wo die einfallende Photo­ nenenergie exakt gleich dem Zellenbandabstand eingestellt ist. Solche Systeme wurden für Raumanwendungsfälle ent­ wickelt und getestet; die Ineffizienz bei der Erzeugung des Laserstrahls (< 10%) überwiegt jedoch die hohe Effizi­ enz mit der die Zelle den spektral angepaßten einfallen­ den Strahl (≈ 60%) umwandeln kann und macht diese Systeme unattraktiv verglichen mit konventionelleren Systemen der Energieumwandlung. Trotzdem ist die Bedeutung der Anpas­ sung des Spektrums an den Zellenbandabstand klar.

Thermovoltaische Leistungssysteme litten klassischerweise weniger an parasitären Verlusten verbunden mit Photonen von Energie weniger als der thermovoltaische Ziel- oder Targetzellenbandabstand (im folgenden als "Niedrigener­ giephotonen" bezeichnet), und zwar abgestrahlt von der heißen "Emitter"-Oberfläche und absorbiert in den Zellen, was Abwärme gleich ihrer Energie erzeugt. Typischerweise sind 60 bis 80% der durch die Emitterobfläche abge­ strahlten Energie Niedrigenergiephotonen, abhängig von der Wahl des Bandabstandes-. Diese Photonen müssen in ef­ fizienter Weise zum Emitter zurückgeführt (recycled) werden und so nicht verschwendet werden, um akzeptable Systemwirkungsgrade zu erreichen. Klassicherweise wurden spektralempfindliche Filter verwendet, um diese Photonen an der Zellenoberfläche zurück zum Emitter zu reflektie­ ren. Die fundamentalen Begrenzungen oder Einschränkungen der reflektierenden Bandbreite solcher Filter haben sig­ nifikante parasitäre Absorptionseffizienzverluste zur Folge, da große Anteile des Spektrum Energien von weniger als dem Bandabstand besitzen. Der Emitter kann auch der­ art modifiziert werden, daß er seine Emission von solchen Niedrigenergiephotonen unterdrückt. Wenn jedoch die Emis­ sionsfähigkeit des Emitters in dem Niedrigenergiephoto­ nenbereich abnimmt, so steigt seine Reflektivität in kom­ plementärer Art und Weise an. Selbst wenn daher der Fil­ ter ein Niedrigenergiephoton zurück zum Emitter reflek­ tiert, kann das Photon vom Filter zurück zum Emitter re­ flektiert werden, und zwar wieder und wieder. Bei jedem Durchgang besteht eine Möglichkeit, daß das Photon para­ sitär entweder in der Zelle oder in den strukturellen Mitteln absorbiert wird. Somit werden die Vorteile der Modifikation der Emitteremissivität oder Emissionsfähig­ keit hinsichtlich der bevorzugten Unterdrückung von Nied­ rigenergiephotonenemissionen fast vollständig zu null ge­ macht. Dies könnte sich ändern, wenn extrem niedrige Emitteremissionsfähigkeiten für Niedrigenergiephotonen erreicht werden, aber dies ist derzeit jenseits des Stan­ des der Technik.

Ein Schlüsselproblem bei der thermovoltaischen Energieum­ wandlung unter Verwendung von niedrigen Bandabständen ist die Minimierung des "Dunkelstroms". Beim Dunkelstrom han­ delt es sich um den elektrischen Stromfluß in einer ther­ movoltaischen (oder Solar-) Zelle, der dem brauchbaren photonenerzeugten elektrischen Strom entgegengesetzt ist. Der photonenerzeugte Strom muß signifikant über den Dun­ kelstrom erhöht werden, um in der Zelle brauchbare Lei­ stung zu erzeugen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man den einfallenden Quellenphotonenfluß maximiert oder den Dunkelstrom minimiert. Der einfallende Photonenfluß ist exponentiell proportional zur Wärmequellentemperatur, was dem Systemkonstrukteur ein Verfahren an die Hand gibt, hohe Dunkelströme zu überwinden. Niedrigbandab­ standzellen haben von Natur aus höhere Dunkelströme, was höhere Einfallsphotonenflüsse nötig macht, um vergleich­ bare Wirkungsgrade zu erreichen. Diese Dunkelströme kön­ nen jedoch durch verschiedene Mittel reduziert werden. Zu diesen Mitteln gehört beispielsweise die Front- oder Vor­ deroberflächenpassivierung, um die Oberflächengeschwin­ digkeit abzusenken, und zwar unter Verwendung von hoch­ feinen Vorläufern, unter Verwendung von Heterostrukturen, und der gespiegelten Photonenrückführung, um die Strah­ lungsrekombination zu fördern. Im letztgenannten Fall ist die strahlungsmäßige oder radiative Rekombination ein Verlustmechanismus, wo photoerregte Ladungsträger degene­ rieren, und zwar unter Freigabe eines Photons (typischer­ weise gleich der Bandabstandsenergie), und zwar vor der Sammlung an der p-n-Grenzschicht (p-n junction). Dieser Dunkelstrombeitrag kann durch zeitaufgelöste Photolum­ ineszenz quantifiziert werden (time-resolved photolumi­ nescence = TRPL). Mechanismen, durch die radiative Re­ kombinationsphotonen rückgeführt werden (in der Zelle wieder absorbiert werden), zeigen erhöhte Ladungsträger- Lebenszeiten relativ zu Verfahren, die bei der Photonen­ rückführung oder dem Photonenrecycling ineffektiv sind.

Ein weiteres wichtiges in Betracht zu ziehendes Gebiet sind die Kosten für die Zellen. Die bei der Herstellung von thermovoltaischen (oder Solar-) Zellen auftretenden Kosten können typischerweise in drei Hauptkathegorien aufgeteilt werden: Wafer-Kosten; Zellwachstumskosten; und Verarbeitungs- und Anordnungskosten. Was die ersteren an­ langt, so muß die Zelle auf eine Struktur hinreichender Festigkeit aufgewachsen werden, um die Handhabung für das Zellenwachstum und für die nach dem Wachstum erfolgende Bearbeitung (was unten erläutert wird), zu gestatten. Die Wafer sind typischerweise aus sehr hoch reinem kristalli­ nen Verbindungen hergestellt, und zwar mit Kristallgit­ terparametern (charakterische Einkristalldimensionen), die für die aktiven Zellschichten, die aus dem Wafer ge­ wachsen werden sollen, akzeptabel sind. Wafer stellen ty­ pischerweise zwischen 30-50% der Gesamtkosten dar, und zwar hauptsächlich infolge der Herstellungs- und Verar­ beitungstoleranzen. Was die Zellenwachstumskosten an­ langt, so werden die Zellen typischerweise auf die Wafer aufgewachsen, und zwar unter Verwendung irgendeiner Form der chemischen Dampfabscheidung. (Übliche Verfahren sind:
Bei Atmosphärendruck stattfindende teilorganische Dampf­ phasenepitaxie = Atmospheric Pressure Metalorganic Vapor Phase Epitaxy = APMOVPE und Molekularstrahlepitaxie = Mo­ lecular Beam Epitaxy = MBE). Die Zellenschichten haben typischerweise Dickentoleranzen von ± 10 Nanometer und ähnliche Anforderungen hinsichtlich Gleichförmigkeit, Reinheit und Dopiertoleranzen. Dieser Schritt benötigt typischerweise 30-50% der Gesamtzellenkosten. Die Ent­ wicklungskosten sind für neue Materialsysteme signifi­ kant.

Was die Verarbeitungs- und Anordnungskosten anlangt, so müssen nach dem Wachstum eines photovoltaischen Wafers elektrische Kontakte hinzugefügt werden (üblicherweise unter Verwendung der Photolithographie), die Wafers müs­ sen in einzelne Zellen zerschnitten werden, und die Zel­ len müssen in Anordnungen angeordnet und verdrahtet wer­ den. Dieser Schritt erfordert typischerwese bis zu 30% der Zellenkosten.

Thermovoltaische Spektralsteuerkosten (beispielsweise Filtration, Emissionsmodifikation und dergleichen) können einen beträchtlichen Anteil der Gesamtzellenkosten ausma­ chen, und zwar inbesondere für thermovoltaische und ther­ mophotovoltaische Systeme, wo die spektrale Steuerung oder Kontrolle für bis zu 200-300% der relativen Effi­ zienz- oder Wirkungsgraddifferenz verantwortlich ist, und weshalb Spektralsteuerverfahren des Standes der Technik erforderlich sind. Es wird jedoch erwartet, daß in einer Herstellungsbetriebsart die Spektralsteuerkosten 30% der Zellenkosten nicht übersteigen werden.

Aus einer Anzahl von Gründen hat die Anwendung der ther­ movoltaischen Direktenergieumwandlung wenig Aufmerksam­ keit erregt. Als erstes sind die begrenzten Anwendungs­ fälle zu nennen, was auf die hohen Kosten zurückzuführen ist, nämlich die Kosten verursacht durch die Zellen, die spektrale Steuerung, die strukturellen Elemente und die erforderliche Optik. Zum zweiten gab es keine schlag­ kräftigen Zellenmaterialien mit einem geringen Bandab­ stand, ein Zustand, der sich erst kürzlich geändert hat. Zum dritten gab es Probleme bei Energieverlusten, die in erster Linie mit der Absorption von Niedrigenergiephoto­ nen assoziiert waren, die keine Elektrizität erzeugen (schlechte spektrale Steuerung). Insbesondere benötigt ein typisches thermovoltaisches System, welches bei Tem­ peraturen (< 1500°C) arbeitet eine geringe Bandabstand­ sthermovoltaische Zelle (bei oder unter 0.6 eV), um an das relativ kühle Emitterspektrum angepaßt zu sein, und um dadurch sowohl eine hocheffiziente Umwandlung (< 25%) zu erreichen wie auch eine hohe Oberflächenleistungsdichte (< 1 amp/cm² aus der Zelle). Bislang wurden keine volta­ ischen Leistungszellen mit geringem Bandabstand erzeugt, die für diese Temperaturbereiche geeignet werden, obwohl mehrere herstellte Zellen nahe kommen (beispielsweise Germanium 0.67 eV, National Renewable Energy Lab (NREL), InGaAs 0.75 eV, und Boing Corporation GaSb 0.7 eV).

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird eine photovobltaische Zelle vor­ gesehen, und zwar zur Verwendung in einem thermovolta­ ischen oder thermophotovoltaischen Direktenergie-Umwand­ lungsgenerator, um Wärme in Elektrizität umzuwandeln, und zwar mit einer Anzahl von wichtigen Vorteilen verglichen mit dem Stand der Technik.

Gemäß der Erfindung wird eine hochreflektierende Schicht innerhalb der thermovoltaischen Zelle inkorporiert, und zwar zwischen dem Substrat der Zelle und den aktiven Schichten davon, wobei diese Schicht als ein Spiegel dient, um Niedrigenergiephotonen zurück zum Emitter des Systems zu reflektieren, und zwar zum Zwecke der Reab­ sorption durch den Emitter, und um so ein Recycling der Photonen vorzusehen. Die reflektierende oder Spiegel­ schicht reflektiert einen sehr hohen Anteil (vorzugsweise mehr als 95%) der Photonen die "nach unten" laufen, und zwar durch die aktiven Zellenschichten zurück "nach oben" durch diese aktiven Zellenschichten für einen zweiten Durchlauf. Wenn irgendeines dieser reflektierten Photonen Energien größer als den Bandabstand besitzt, so haben diese Photonen eine zweite Möglichkeit, absorbiert und in brauchbare Leistung umgewandelt zu werden. Wenn jedoch die Energien der reflektierten Photonen geringer sind als die Bandabstände, so laufen die Photonen aus der Zelle heraus (durch einen Antireflektionsüberzug) und werden durch den Emitter absorbiert (es sei ein "schwarzer" Emitter angenommen), und sie werden dadurch recycled.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sehen die akti­ ven Schichten einen p-n Übergang vor und weisen vorteil­ hafterweise eine aktive Zellschicht des n-Typs auf, eine aktive Zellschicht des p-Typs und eine Pufferschicht in einer Sandwichkonstruktion, wobei alle drei Schichten epitaxiale Zellenschichten sind.

In einem Ausführungsbeispiel wird die Spiegelschicht in die Zelle unter Verwendung mechanischer Zellenverarbei­ tung eingebaut, während in einem vorteilhaften alternati­ ven Ausführungsbeispiel eine Direktabschaltungsmethode verwendet wird, wo die reflektierende Schicht modifiziert (beispielsweise dotiert) wird, um die kristallinen Eigen­ schaften des Substrats beizubehalten, wodurch die epi­ taxiale Abschaltung der reflektierenden (Spiegel-) Schicht ermöglicht wird und auf diese reflektierende Schicht aufgewachsen wird.

Neben weiteren Vorteilen der Erfindung (von denen einige weiter unten im einzelnen diskutiert werden), sieht die Erfindung signifikante direkte Vorteile bezüglich der Ef­ fizienz des thermovoltaischen Systems vor und möglicher­ weise hinsichtlich der Kostenreduzierung solcher Systeme durch Eliminieren teurer Filter und anderer spektraler Steuerverarbeitungsmittel und ferner auch dadurch, daß das Recyceln des Substrats möglich wird. Obwohl die Zel­ lenfabrikation komplizierter wird, was mit entsprechenden Kostenerhöhungen einher geht, so kann dies während der tatsächlichen Herstellung ausgeglichen werden und bildet keinen Faktor hinsichtlich der Epitaxialabscheidung der reflektierenden Schicht.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzug­ ten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung: Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen in situ Spiegel­ zelle.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Bezugnehmend auf die einzige Figur der Zeichnung sei be­ merkt, daß dort ein Querschnitt einer thermovoltaischen in-situ Spiegelzelle dargestellt ist, die im ganzen mit 10 bezeichnet ist und die gemäß einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung aufgebaut ist. Die Zelle 10 weist ein Zellengitter auf einer Oberfläche 12 auf, die den Zellenvorderkontakt bildet, eine n-Typ aktiv Zellen­ schicht 14, eine p-Typ aktiv Zellenschicht 16, eine Puf­ ferschicht 18, ein ohmsches bandreflektierendes Interface oder eine Spiegelschicht 20 und ein Substrat 22, welches den Zellenrückkontakt bildet. Die Schichten 14, 16 und 18 sind epitaxiale Zellenschichten in diesem Ausführungsbei­ spiel, während das Substrat 22 oder das endgültige oder schließliche Substrat nach dem Zellenwachstum zugefügt wird.

Obwohl diese Dickenangaben beispielhaft und nicht ein­ schränkend sind, sei bemerkt, daß bevorzugte Nominal­ dicken und zwar ausgedrückt in Mikrometer (10^-6 Meter) die folgenden sind: Die n-Typ Aktivzellenschicht 14 ist kleiner als 0,1; die p-Typ Aktivzellenschicht 16 liegt zwischen 5 bis 10; die Pufferschicht 18 liegt zwischen 3 bis 8; die ohmsche bandreflektierende Zwischenschicht 20 ist kleiner als 0,1 und das Substrat 22 ist 100 bis 200.

Wie oben diskutiert betrifft ein Schlüsselfaktor der Er­ findung den Einbau der dünnen (weniger als 10 Mikrometer) Spiegelschicht 20 in der Zelle 10 zwischen dem photovol­ taischen Zellensubstrat 22 und den aktiven (p-n Übergang) Schichten 14, 16 der Zelle. Die Spiegelschicht 20 die vorzugsweise aus Gold oder einer Goldlegierung oder ir­ gend einem anderen chemisch inerten hochreflektierenden Material besteht, kann in geeigneter Weise für die Halb­ leiterschichten, die sie kontaktiert dotiert sein und zwar unter Verwendung üblicher oder genormter Gitterab­ scheidungstechnologie. Die obere Oberfläche (Oberseite) der Spiegelschicht 20 (benachbart zu den p-n Übergangs­ gebildeten Schichten 14 und 16 und unmittelbar neben der Pufferschicht 18) sollte glatt sein, um eine gute IR Re­ flektivität vorzusehen. Die Halbleiterschichten 14, 16 und 18 benachbart zur Spiegelschicht 20 sollten hoch do­ tiert sein, um die Bildung einer Schottky-Barriere auszu­ schließen und somit zugehörige elektrische Verluste zu vermeiden.

Die Abscheidung einer Spiegelschicht 10 zwischen dem Zellensubstrat 22 und den aktiven Schichten kann unter Verwendung des unten beschriebenen Verfahrens erreicht werden, obwohl auch andere Verarbeitungsverfahren zum Er­ reichen des gleichen Endprodukts verwendet werden können. Drei Beispiele seien in Betracht gezogen.

Verfahren 1:

• i) Wachse die aktiven Zellenschichten 14, 16 und 18 (einzeln oder in Tandem, jedes gewünschte Design) auf ein epitaxial angepaßtes Einkristallsubstrat mit einer sakrifitialen oder Opferschicht (nicht ge­ zeigt) auf und zwar aus einem unterschiedlichen Ma­ terialsystem und ferner an einem gewünschten Tren­ nungspunkt, vorzugsweise zwischen irgendwelchen ge­ trennten (grated) Schichten und der stark dotierten Pufferschicht 18. Es sei bemerkt, daß die Substrat­ zu-Aktivschicht-Gitter-Fehlanpassung mit den unter­ teilten (grated) Schichten aufgenommen werden kann.
• ii) Bringe eine temporäre Handhabungsscheibe an der Oberseite 12 des Wafers an und zwar unter Verwendung eines ätzmittelbeständigen Klebemittels, beispiels­ weise Apiezion Schwarzwachs.
• iii) Ätze selektiv (beispielsweise unter Verwendung von verdünntem HF oder Essigsäure) die Opferschicht weg, was das Zellensubstrat von den Aktivschichten trennt. Stelle sicher, daß die freiliegende Oberflä­ che sauber wenn nicht sogar poliert ist.
• iv) Scheide eine aus Gold (oder einem anderen hoch re­ flektierten Material bestehende) Schicht entspre­ chend der Schicht 20 auf der stark dotierten frei­ liegenden Pufferschicht 18 ab. Die Spiegelschicht 20 sollte dick genug sein, um die Photonen-Transmission zu verhindern (Nominalgröße 2 Mikrometer).
• v) Bringe ein entsprechendes Substrat 22 an der Spie­ gelschicht 10 an. Das Substrat kann entweder Halb­ leitermaterial beispielsweise dotiertes Silizium oder ein Metall sein abhängig von den schließlich und endlich verwendenden Zellentrenn- oder Sepera­ tionstechniken.
• vi) Löse das Klebemittel (schwarzes Wachs = Black Wax) auf und entferne die zeitweise Handhabungsscheibe.
• vii) Scheide Anti-Reflektionsüberzüge (nicht gezeigt) der Abdeckgläser (nicht gezeigt) nach Wunsch ab. Es sei bemerkt, daß dies im Schritt i) wenn gewünscht getan werden kann.

Verfahren 2:

• i) Wachse die aktiven Zellenschichten (einzeln oder in tandem, mit irgendeinem gewünschten Muster) in einer invertierten Art und Weise (beispielsweise die Ober­ schicht 14 als erstes) auf einem epitaxial angepaß­ ten Einkristallsubstrat auf und zwar endend mit ei­ ner stark dotierten Pufferschicht entsprechend der Schicht 18. Die Substrat-zu-Aktivschicht-Gitter- Fehlanpassung kann dadurch ausgeglichen oder aufge­ nommen werden, daß man geteilte (grated) Schichten vorsieht und zwar bei der Abscheidung der endgülti­ gen Zellenoberschicht, obwohl dann, wenn geteilte (grated) Schichten verwendet werden, diese von dem endgültigen Waferprodukt weggeätzt werden müssen. Unterteilte (grated) Schichten sind nicht zwischen den Zellenbodenschichten und der abzuscheidenden Spiegelschicht (Schicht 20) erforderlich. Wiederum ist eine Opfer- oder zu entfernende Schicht (nicht gezeigt) zwischen irgendwelchen geteilten (grated) Schichten und der Emitterschicht (oder vorderen Oberflächenpassivierung) vorgesehen.
• ii) Scheide eine Gold- (oder andere hoch reflektierende) Schicht (entsprechend der Schicht 20) auf der frei­ liegenden Pufferschicht 18 ab. Die Spiegelschicht 20 sollte dick genug sein, um die Photonen-Transmission oder Übertragung zu verhindern (Nominalgröße 2 Mi­ krometer).
• iii) Bringe ein geeignetes Substrat 22 an der Spiegel­ schicht an. Dies kann wiederum entweder ein Halblei­ termaterial beispielsweise ein stark dotiertes Sili­ zium oder ein Metall sein.
• iv) Ätze selektiv (beispielsweise unter Verwendung einer geeigneten Säurelösung) die Opferschicht weg, bis die Zellenoberschichten freigelegt sind (und die ge­ teilten (grated) Schichten entfernt sind). Stelle sicher, daß die Oberfläche sauber ist.
• v) Scheide Anti-Reflektionsüberzüge oder Abdeckgläser nach Wunsch ab.

Verfahren 3:

• i) Wachse eine stark dotierte Schicht entsprechend der Schicht 20 auf einem Epitaxialsubstrat auf.
• ii) Scheide die Spiegelschicht 20 stark dotiert mit ei­ nem epitaxialen kristallinen Dotiermittel ab, bis eine IR (infrarot) Spiegelschicht von experimentell bestimmter effektiver Dick aufgebaut ist. Die Do­ tiermittelkonzentration muß oberhalb eines Minimal­ werts beibehalten werden, unterhalb von dem die Schicht ihre Kristallinität verlieren wird.
• iii) Scheide eine stark dotierte Pufferschicht 18 auf der stark dotierten kristallinen Spiegelschicht 20 ab und vollende das Zellenwachstum entsprechen der nor­ malen Verarbeitung.

Es sei bemerkt, daß Temperaturveränderungen während der Verarbeitung erforderlich sein können, um zu verhindern, daß die Spiegelschicht-Metalle in die aktiven Zellschich­ ten diffundieren.

Einer der wichtigen Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die thermovoltaische Umwandlungseffi­ zienz verglichen mit dem Stand der Technik auf verschie­ dene Arten und Weisen erhöht wird. Die Erfindung führt die niedrige Energie besitzenden Photonen effizienter zu­ rück als dies bei Blockierfiltern der Kurzdurchlaufart des Standes der Technik der Fall ist oder bei derart konstruierten Emittern, die eine niedrige Energie Photo­ nenemission verhindern, oder auch bei Kombinationen die­ ser Beiden. Ferner eliminiert die Erfindung den Dunkel­ strombeitrag, der bei geteilten (grated) Schichten auf­ tritt angeordnet zwischen nicht epitaxial angepaßten Substraten und aktiven Zellenschichten. Die p-n Über­ gangsschichten am dichtesten an der Spiegelschicht können in ihrer Dicke bis hinauf zur Hälfte vermindert werden, da die brauchbaren Hochenergie-Photonen, die durch die Grenzschicht oder den Übergang laufen, zurückreflektiert werden für einen zweiten Durchgang. Der Zwei-Durchgangs- Vorteil steigt nahe der Bandabstandsphotonenabsorption an (und somit auch die Quanteneffizenz und die Gesamteffizi­ enz), da der Zellenspektralphotonenabsorptionskoeffizient nahe dem Bandabstand abfällt. Die in-situ Spiegelzelle der Erfindung wird ferner den Dunkelstrom verringern und zwar durch das Strahlungsrekombinationsphotonenrecyclen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kosten. Die Erfindung senkt die Kosten bezüglich des Standes der Technik ab und zwar unter anderem aus folgen­ den Gründen: kostspielige Filter werden eliminiert; es wird eine Spektralsteuerung mit hoher Effizienz erreicht, wodurch die gesamte Zykluseffizienz verbessert wird, was die Konstruktions- und Entwurfskosten verringert und die auch die Systembrennstoffkosten einspart; die kostspie­ lige Konstruktionsarbeit bei der Auslegung des Emittere­ missionsvermögens wird eliminiert. Die Erfindung schließt zudem die mögliche Notwendigkeit hinsichtlich epitaxialer Anpassung der Wafersubstrate und der aktiven p-n Grenz­ schicht oder Übergangszellenschichten aus, wodurch die Verwendung der preiswertesten Wafer (oder Metall) möglich ist, die erhältlich sind (typischerweise Silizium). Dies stellt sicher, daß eine unterteilte (grated) Schicht ver­ wendet werden kann, um irgendwelche Gitterfehlanpassungen während des Wachstumsvorgangs auszugleichen, und daß die aufgeteilten (grated) Schicht während der Verarbeitung weggeätzt werden kann.

Es sei bemerkt, das daß durch die Erfindung vorgesehene Niedrigphotonrecyceln dem auf thermovoltaischen Zellen basierenden "Rückkontaktreflektor" = back contact refe­ lector (BCR) überlegen ist. BCR Zellen vertrauen auf ihre metallischen Rück- oder hinteren elektrischen Kontakte um als Spiegel zu wirken und zwar in einer allgemein ähnli­ chen Art und Weise wie der Spiegel der Erfindung, wobei die Niedrigenergiephotonen von dem hinteren oder Rückkon­ takt reflektiert werden und durch die Zelle laufen und zur Mitte hin gelangen. Es wird jedoch angenommen, daß die BCR Zellen des Standes der Technik um das Mehrfache weniger effektiv hinsichtlich des Recyclens (Rückführen) der Photonen sind als dies die Zellen der Erfindung sind. Dies ist so aus einer Anzahl von Gründen.

Erstens ist der Abstand, den ein Niedrigengeriephoton (kleiner als der Bandabstand) durchlaufen muß um in er­ folgreicher Weise zurück zum Emitter recycled zu werden der doppelte Abstand zwischen der Zellenoberfläche (Ein­ trittspunkt) und der Spiegelschicht. Der Unterschied in diesem Abstand zwischen der BCR und der insitu Spiegel­ zelle der Erfindung ist die Dicke des Substrats, da die Spiegelschicht 20 der Erfindung zwischen dem Substrat 22 und in aktiven Schichten 14, 16 und 18 abgeschieden wird. Das Substrat (welches typischerweise ungefähr 300 Mikro­ meter dick ist) ist ungefähr zwei Größenordnung dicker als die aktiven Zellschichten (typischerweise ungefähr 3 Mikrometer). Da das Produkt des Niedrigenergiephotonen­ absorptionseffizienten und des Laufabstandes logarith­ misch proportional zur Gesamtabsorption ist, ist somit die erfindungsgemäße Zelle bis zu drei Mal effizienter hinsichtlich des Recyclens der Photonen als auf BCR ba­ sierende Zellen.

Zum zweiten ist die Substratschicht zur Absenkung ihres Widerstandswertes stark dotiert und-somit werden auch die gesamten elektrischen Schaltungsverluste abgesenkt, wo­ hingegen die aktiven Schichten um eine oder zwei Größen­ ordnungen weniger dotiert sind um die Ladungsträger Le­ benszeiten zu optimieren (wodurch die Lebensdauer der er­ findungsgemäßen Zelle möglicherweise um das drei- bis zehnfache erhöht wird wie zuvor für Solarzellen demon­ striert), und somit wird auch der Sammel- oder Kollektor- Wirkungsgrad erhöht. Der Niedrigenergiephotonenabsorpti­ onskoeffizient ist jedoch proportional zum Dotieren in den Zellschichten durch die die Photonen laufen. Daher muß bei den meisten Zellenarchitekturen das Substrat ei­ nen höheren Absorptionskoeffizienten besitzen als die ak­ tiven Schichten, was den BCR-Niedrigenergiephotonen­ recycle Wirkungsgrad verglichen mit der Erfindung weiter reduziert. Ferner kann das Substrat gemäß der Erfindung metallischer Natur sein, ohne daß ein optischer Nachteil auftritt.

Die Erfindung sieht auch wichtige Vorteile gegenüber ge­ filterten Systemen vor. Solche gefilterten Systeme wurden für thermovoltaische Anwendungen seit 1970 getestet und zeigten signifikante Wirkungsgradverluste wegen der Nied­ rigenergiephotonenabsorption. Insbesondere sei bemerkt, daß Interferenzfilter derart konstruiert werden können, daß sie sowohl Hochenergiephotonen durchlassen als auch Niedrigenergiephotonen reflektieren, wobei der Übergang auf einer bestimmten Wellenlänge zentriert ist, und zwar typischerweise entsprechend dem Zellenbandabstand. Die physikalischen Regeln für Interferenzfilter begrenzen je­ doch die verfügbaren Bandbreiten für den effizienten Durchtritt oder das Blockieren irgendeines Teils des Spektrums. Typischerweise sind solche Filter sehr effi­ zient was den Durchtritt von Photonen mit Wellenlängen zwischen dem Zellbandabstand (λ_Bandabstand) und 1/2 λ_Bandabstand anlangt und sie sind sehr effizient hinsicht­ lich der Reflektion von Photonen zwischen λ_Bandabstand und 2λ_Bandabstand Photonen mit Energien unter 2λ_Bandabstand werden in die Zelle übertragen und werden parasi­ tär absorbiert. Der Anteil des Gesamtemitter-Spektrums unterhalb 2λ_Bandabstand kann bis zur Hälfte des Anteils mit einer Energie größer als λ_Bandabstand gehen, was in effektiver Weise den Gesamtwirkungsgrad des Systems hal­ biert oder aber noch schlechter macht.

Die Effizienz oder der Wirkungsgrad mit der die Erfindung Niedrigenergiephotonen rückführt (recycelt) ist primär eine Funktion der Reflektivität der Spiegelschicht. Gold ist hochreflektiv in der IR Region mit Werten oberhalb 98%, wobei Silber und Aluminium vergleichbar sind.

Obwohl eine Leistungsverbesserung dadurch realisiert werden kann, daß man einen zugeschnittenen oder speziell konstruierten Emitter verwendet (beispielsweise zuge­ schnitten unter Verwendung der ionenstrahlunterstüzten Abscheidung = Ion Beam Assisted Deposition = IBAD) mit einem Filter, so wird auch angenommen, daß die Nettolei­ stungsfähigkeit schlechter ist als bei Einsatz der Erfin­ dung allein. Ferner muß sowohl die Filter als auch die IBAD-Technologie über den Stand der Technik hinaus ent­ wickelt werden, um mit der Reflektivität oder dem Reflek­ tionsvermögen vorgesehen durch die erfindungsgemäße ther­ movoltaische Zelle konkurrieren zu können. Dies würde entsprechende Kosten verursachen was sich beim Einbau dieser beiden Technologien in das System auswirken würde.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Eine photovoltaische Zelle zur Verwendung in einem Direk­ tenergieumwandlungsgenerator zur Umwandlung von Wärme in Elektrizität weist eine reflektierende Schicht auf, die in der Zelle zwischen den aktiven Schichten der Zelle und dem Zellensubtrat angeordnet ist. Die reflektierende Schicht reflektiert photonenniedrige Energie zurück zu einem Photonen erzeugenden Emitter zum Zwecke der Reab­ sorption durch den Emitter. Oder aber die reflektierende Schicht reflektiert Photonen mit einer Energie größer als dem Zellenbandabstand zurück in die aktiven Schichten der Zelle zur Umwandlung in Elektrizität. Die reflektierende Schicht kann ein reflektierendes Metall wie beispielswei­ se Gold aufweisen, wohingegen das Substrat ein stark do­ tiertes Silizium oder ein Metall ist.

Claims (11)

1. Eine photovoltaische Zelle zur Verwendung in ei­ nem Direktenergieumwandlungsgenerator zur Umwandlung von Wärme in Elektrizität wobei der Generator einen Emitter zum emittieren von Photonen aufweist, die durch die Zelle empfangen werden, und wobei die Zelle einen Zellenbandab­ stand besitzt und folgendes aufweist:
eine Vielzahl von aktiven Schichten;
ein Substrat; und
ein reflektierende Schicht angeordnet innerhalb der Zelle zwischen den aktiven Schichten und dem Substrat um Photonen mit Niedrigenergie zurück zum Emitter zu re­ flektieren und zwar zur Reabsorption durch diesen und um Photonen mit einer Energie größer als den Zellenbandab­ stand zurück zu den aktiven Schichten zu reflektieren zur Umwandlung in Elektrizität.

2. Zelle nach Anspruch 1, wobei die aktiven Schich­ ten einen p-n Übergang aufweisen.

3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die aktiven Schichten ferner eine Pufferschicht aufweisen und zwar zwischen der reflektierenden Schicht und dem p-n Über­ gang.

4. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1 , wobei die reflektierende Schicht ein reflektives Metall aufweist oder aus einem reflektierenden Metall besteht.

5. Zelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die re­ flektierende Schicht ein Metall aufweist oder aus diesem besteht welches aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Gold Silber, Platin, Kupfer, Palladium, Aluminium und Le­ gierungen daraus.

6. Zelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 5, wobei die reflektie­ rende Schicht eine Goldschicht aufweist oder eine Gold­ schicht ist.

7. Zelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die aktiven Schichten folgendes aufweisen: eine äußere n-Typ Aktivschicht, eine p-Typ Aktivschicht in Kontakt mit der n-Typ Aktivschicht und eine dotierte Puf­ ferschicht in Kontakt mit der p-Typ Aktivschicht und mit der reflektierenden Schicht.

8. Zelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 7, wobei die Aktiv­ schichten in einer Größenordnung dotiert sind was die Bildung einer Schottky-Barriere ausschließt.

9. Zelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dicke der reflektierenden Schicht kleiner als 10 Mikrometer ist.

10. Zelle nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat stark dotiertes Silizium auf­ weist oder aus stark dotiertem Silizium besteht.

11. Zelle nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat ein Metall aufweist oder aus einem Metall besteht.