DE2632987C3 - Fotovoltaisches Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein fotovoltaisches Halbleiterbau­ element nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Fotovoltaische Halbleiterbauelemente bzw. Fotoelemente, wie Solarzellen, sind geeignet, Sonnenstrahlen in elek­ trische Energie umzuwandeln. Ein Nachteil bekannter Bauele­ mente besteht darin, daß die aus Solarzellen gewonnene elek­ trische Energie von den Produktionskosten her oft nicht mit auf andere Weise erzeugter elektrischer Energie wett­ bewerbsfähig ist. Einige fotovoltaische Halbleiterbauelemente eingangs genannter Art werden in "Journal of luminescense", Band 7, 1973, Seiten 390 - 414 beschrieben. Es handelt sich hierbei vor allem um empfindliche Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren zum Demodulieren von Licht aus dem sichtbaren und nahen infraroten Bereich.

Der größte Teil der Kosten zum Herstellen fotovoltaischer Halbleiterbauelemente entfällt auf deren aktiven Bereich. In Solarzellen werden beispielsweise dicke, einkristalline, aktive Schichten von ungefähr 20 Mikrometern Dicke und mehr benötigt, wenn eine ausreichende Absorption der umzuwandeln­ den Sonnenstrahlung sichergestellt werden soll. Um den Her­ stellungsaufwand zu vermindern, wurde schon versucht, eine Schottky-Sperrschicht-Solarzelle mit polykristalliner Sili­ zium-Dünnschicht, wie sie in "Journal of Applied Physics", Band 45, Nr. 9, September 1974, Seiten 3913 - 3915, beschrie­ ben wird, einzusetzen. Auch bei Verwendung polykristallinen Siliziums können jedoch nur Leistungs-Kostenverhältnisse erzielt werden, die weit unter denjenigen herkömmlicher Energiequellen liegen.

Für den Einsatz zur Lichtmessung wurden fotovoltaische Halbleiterbauelemente geschaf­ fen, die einen aktiven Bereich aus amorphem Haltleitermate­ rial besitzen (Journal of Non-Crystalline Solids, 8-10, 1972, Seiten 336- 340). Das Halbleitermaterial dieser Bauele­ mente ist beispielsweise ein Chalcogen-Legierungsglas der Formel Ge₁₆As₃₅Te₂₈S₂₁.

Schließlich sind fotoleitende Bauelemente aus "Journal of Non-Crystalline Solids", Band 13, 1973/74, Seiten 55-68, bekannt geworden, deren aktiver Bereich aus einem durch Glimmentladung hergestellten amorphen Silizium besteht.

Fotoleitende Bauelemente sind auch bekannt aus "Journal of the Electrotechnical Society", Vol. 116, No. 1, 77-81 (1969). In dieser Druckschrift wird das Abscheiden von amorphem Silizium durch Hochfrequenz-Glimmentladung in Silan auf Glassubstrate für verschiedene Abscheidetempe­ raturen offenbart. Es wurden auch Experimente ausgeführt, um die elektrische Wirkung zu ermitteln, die sich durch Hinzufügen von Phosphor zu dem amorphen Silizium ergibt. Es wird in dieser Veröffentlichung festgestellt, daß das Hinzufügen von Phosphor keineswegs zu den dramatischen Änderungen des spezifischen Widerstandes führt, die sich normalerweise bei solchen Dotierniveaus in einkristallinem Silizium einstellen würden.

Weiterhin wird in "Thin Solid Films", Vol. 17, 223-229 (1973), die spektrale Abhängigkeit der Fotoleitung amorpher Siliziumfilme offenbart. Diese Filme waren durch Aufdampfen bei verschiedenen Abscheidebedingungen auf Substrate niedergeschlagen worden. Die Verfasser geben an, einen fotovoltaischen Effekt in amorphen Silizium- Sandwich/Strukturen, bei denen der Siliziumkörper zwischen einer Chrom- und einer Gold-Elektrode angeordnet war, beobachtet zu haben. Eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften von amorphem Silizium durch Hinzufügung von Verunreinigungen wird in dieser Druckschrift aber ausgeschlossen.

Auch in einem Bericht über Feldeffekt-Experimente mit durch Glimmentladung in Silan hergestellten amorphen Si­ liziumfilmen wird in "Journal of Non-Crystalline Solids", Vol. 8-10, 727-738 (1972), nichts von einer die elek­ trischen Eigenschaften des Siliziums verändernden Dotie­ rung gesagt. Schon früher wurde in derselben Zeitschrif­ tenreihe, nämlich in "Journal of Non-Crystalline Solids", Vol. 2, 52-62 (1970), mitgeteilt, es sei eine wichtige Eigenschaft amorpher Halbleiter, daß deren elektrische Eigenschaften im wesentlichen unempfindlich gegen das Hinzufügen chemischer Verunreinigungen sind.

Fotoelektrische Halbleiterbauelemente unter Verwendung amorphen Siliziums für einen Hetero-Übergang zwischen einkristallinem und amorphem Silizium sind aus "Tetrahedrally Bonded Amorphous Semiconductors", American Institute of Physics, Nr. 20, 345-350 (1974) bekannt sowie ein Hetero-Übergang zwischen amorphem Silizium und einem Elektrolyten (vgl. "Applied Physics Letters", Vol. 25, No. 7, 1974, 399-400). In beiden Fällen kann ein amorpher Siliziumkörper, so wie er ist, also ohne beson­ dere Dotierung, eingesetzt werden, weil der PN-Übergang an der Außenfläche des amorphen Materials, das heißt an der Grenze zu dem einkristallinen Silizium bzw. an der Grenze zu dem Elektrolyten, entstehen soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fotovol­ taisches Halbleiterbauelement mit gegenüber bekannten Foto­ elementen verbesserter Leistungs-Kostenrelation zu schaffen. Die erfindungsgemäße Lösung ist im Kennzeichen des Hauptanspruches angegeben.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von amorphem Silizium z. B. anstelle der amorphen Chalcogen-Glaslegierung gemäß "Jour­ nal of Non-Crystalline Solids", Band 8-10, 1972, Seiten 336-340, und den Einbau eines pn-Übergangs in dem amorphen Silizium gelingt es überraschenderweise, aus einem Meßele­ ment ein Leistungs-Fotoelement so kostengünstig herzustel­ len, daß bei ähnlichem Wirkungsgrad wie bei Solarzellen aus einkristallinem Silizium ein gegenüber bekannten Bauelemen­ ten deutlich verbessertes Leistungs-/Kostenverhältnis erhal­ ten wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nach­ stehend näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt eines fotovoltaischen Halbleiterbauelements;

Fig. 2 ein Diagramm eines Vergleichs des Absorptionskoeffi­ zienten von einkristallinem Silizium gegenüber durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium als Funktion der Wellenlänge des sichtbaren Lichts;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Geräts zur Herstel­ lung von amorphem Silizium durch eine Glimmentladung in Silan;

Fig. 4 einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 5 einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 wird ein Halbleiterbauelement 10, speziell eine Schottky-Sperrschicht-Solarzelle, dargestellt. Das fotoelek­ trische Bauelement 10 umfaßt ein Substrat 12 eines Mate­ rials mit sowohl guten elektrischen Leitungseigenschaften als auch der Fähigkeit, einen ohmschen Kontakt zu durch Glimmentladung aufgebrachtem amorphem Silizium zu bilden. Dabei besteht das Substrat 12 vorzugsweise aus einem Me­ tall, wie z. B. Aluminium, Antimon, nicht rostendem Stahl, oder hochdotiertem einkristallinem oder polykristallinem Silizium vom n-Typ. Auf einer Oberfläche des Substrats 12 ist ein aktiver Bereich 14 aus amorphem Silizium aufge­ bracht, wobei unter einem aktiven Bereich derjenige Teil des Bauelements zu verstehen ist, in dem Elektron-Loch- Paare für die Stromabnahme aus einem fotoelektrischen Bau­ element erzeugt werden können.

Ein amorphes Material hat keinen konstanten Atomabstand, der sich lange bzw. oft genug wiederholt, um zu einer ir­ gendwie regelmäßigen Form zu führen, es besitzt also eine nur kurze Ordnungslänge. Ein durch eine Glimmentladung in Silan, SiH₄, hergestelltes amorphes Silizium weist eine Ordnungslänge von nur 2,0 Nanometer auf. Das amorphe Sili­ zium für den aktiven Bereich 14 wird durch eine Glimmentla­ dung in Silan, SiH₄, gebildet und hat die kinetischen Cha­ rakteristika einer Trägerlebensdauer von mehr als ungefähr 10^-7 Sekunden und eine mittlere örtliche Zustandsdichte im verbotenen Band in der Größenordnung von 10¹⁷/cm³eV oder weniger, sowie eine Beweglichkeit für Elektronen und Löcher von größer als 10^-3 cm²/V-sec. Der aktive Bereich 14 hat eine Dicke von ungefähr 1 bis 3 Mikrometer oder weniger.

Auf der dem Substrat 12 gegenüberliegenden Oberfläche des aktiven Bereichs 14 ist ein metallischer Bereich 16 mit einer dazwischenliegenden Grenzfläche 18 aufgebracht. Der metallische Bereich 16 ist für Sonnenstrahlung halb durch­ lässig und besteht aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit, wie z. B. Gold, Platin, Palladium oder Chrom. Dabei kann der metallische Bereich 16 aus einer einzigen Schicht eines Metalls bestehen oder auch mehrschichtig sein. Falls der Bereich 16 mehrschichtig ist, könnte eine erste Schicht auf dem aktiven Bereich 14 aus Platin beste­ hen, um eine große Schottky-Grenzschichthöhe zu gewähr­ leisten, und eine zweite Schicht auf der ersten Schicht aus Platin könnte aus Gold oder Silber für gute elektrische Leitfähigkeit bestehen. Da der metallische Bereich 16 aus einem Metall, wie z. B. Gold, Platin, Palladium oder Chrom, besteht, sollte er nur ungefähr 10 Nanometer dick sein, um für Sonnenstrahlung halbdurchlässig zu sein.

Auf einer der Grenzfläche 18 gegenüberliegenden Oberfläche des metallischen Bereichs 16 ist eine Gitterelektrode 24 aufgebracht, die vorzugsweise aus einem Metall mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit besteht. Zur Erläuterung wird eine Gitterelektrode angenommen, die zwei Gitterlei­ tungsscharen aufweist, wobei die Gitterleitungen jeder Schar im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und die Gitterleitungen der anderen Schar schneiden. Dabei sollen sich die Gitterleitungen senkrecht schneiden, um die Er­ läuterung zu vereinfachen. Die Gitterelektrode 24 bedeckt nur eine kleine Fläche auf der Oberfläche des metallischen Bereichs 16, da sonst auf die Gitterelektrode 24 auftreffen­ de Sonnenstrahlung reflektiert werden könnte, so daß der aktive Bereich 14 erst gar nicht erreicht wird. Die Funk­ tion der Gitterelektrode 24 besteht darin, Strom aus dem metallischen Bereich 16 gleichmäßig zu sammeln. Darüber hinaus gewährleistet die Gitterelektrode 24 einen niedrigen Serienwiderstand des Bauelements 10, wenn es als Teil einer Schaltung arbeitet. Es ist anzunehmen, daß auch nur eine einzige Schar von Gitterleitungen für eine gleichmäßige Stromsammlung ausreichend sein kann.

Auf der Gitterelektrode 24 und auf der der Grenzfläche 18 gegenüberliegenden Oberfläche, die nicht von der Gitterelek­ trode 24 eingenommen wird, ist eine Antireflexionsschicht 20 aufgebracht. Die Antireflexionsschicht 20 weist eine Einfalloberfläche 22 auf, auf die Sonnenstrahlung 28 auf­ trifft. Bekanntermaßen ergibt sich eine Zunahme der den metallischen Bereich 16 durchquerenden und in den aktiven Bereich 14 eintretenden Sonnenstrahlung, wenn die Antire­ flexionsschicht 20 eine Dicke von ungefähr λ/4n hat, wo­ bei λ die Wellenlänge der auf die Einfalloberfläche 22 auftreffenden Strahlung und n der Brechungsindex der Anti­ reflexionsschicht 20 mit einem geeigneten Wert ist, um den Betrag der auf den metallischen Bereich 16 auftreffenden Sonnenstrahlung zu steigern. Die Antireflexionsschicht 20 setzt im Effekt den Lichtbetrag herab, der vom Bauelement 10 reflektiert werden würde. Gewöhnlich besteht die Anti­ reflexionsschicht 20 aus einem dielektrischen Material, wie z. B. Zinksulfid.

In der Halbleitertechnik ist bekannt, daß eine Schottky-Sperrschicht aufgrund der Berührung gewisser Metalle mit ge­ wissen Halbleitermaterialien gebildet wird. An der Grenzfläche 18 wird durch Berühren des me­ tallischen Bereichs 16 mit dem aktiven Bereich 14 eine Schottky-Sperrschicht gebildet, die in dem Halbleitermate­ rial ein Raumladungsfeld erzeugt, das von der Grenzfläche 18 in den aktiven Bereich eindringt und dort einen Verar­ mungsbereich bildet. In dem fotoelektrischen Bauelement 10 erstreckt sich der Verarmungsbereich vorzugsweise über die ganze Breite des aktiven Bereichs 14 zwischen der Grenz­ fläche 18 und dem Substrat 12. Durch die Ausbildung des Verarmungsbereichs über die ganze Breite des aktiven Be­ reichs 14 werden die irgendwo im aktiven Bereich 14 als Ergebnis der Absorption von Sonnenstrahlung 26 erzeugten Ladungsträger durch das elektrische Feld im Verarmungsbe­ reich entweder zum Substrat 12 oder zu einer der Elektro­ den am aktiven Bereich 14 geschwemmt. Falls sich der Verarmungsbereich nicht in einem Teil des aktiven Bereichs 14 erstreckte, würde keiner der in diesem nichtverarmten Teil des aktiven Bereichs 14 erzeugten Ladungsträger durch ein elektrisches Feld zu einer Elektrode geleitet werden. Die in einem nicht­ verarmten Teil des aktiven Bereichs 14 erzeugten Ladungs­ träger müssen dann durch Diffusion entweder zu einer Elek­ trode oder zum verarmten Bereich gelangen, um gesammelt zu werden. Ebenfalls würde jeder nichtverarmte Bereich den Serienwiderstand erhöhen, und zwar jedesmal, wenn Strom aus dem Bauelement abgenommen wird, so daß dieser Serien­ widerstand den Wirkungsgrad des Bauelements verringern wür­ de.

Das durch eine Glimmentladung in Silan hergestellte amorphe Silizium des aktiven Bereichs 14 weist Charakteristika auf, die für den aktiven Bereich eines fotoelektrischen Bauelements hervorragend geeignet sind. Die Trägerlebens­ dauer in durch Glimmentladung in Silan hergestelltem amor­ phem Silizium ist größer als ungefähr 10^-7 Sekunden, wäh­ rend die Trägerlebensdauer in durch Zerstäubung oder Auf­ dampfung gebildetem amorphem Silizium in der Größenordnung von 10^-11 Sekunden liegt. Da die Beweglichkeit von Elektro­ nen und Löchern in durch Glimmentladung hergestelltem amor­ phem Silizium größer als 10^-3 cm²/V-sec ist, kann eine bes­ sere Stromsammlung erhalten werden.

Die optische Absorption von durch Glimmentladung hergestell­ tem amorphem Silizium liegt im sichtbaren Lichtbereich, d. h. 400 bis 700 Nanometer, über der von einkristallinem Silizium. In Fig. 2 ist gezeigt, daß amorphes Silizium ei­ nen größeren Absoptionskoeffizienten als einkristallines Silizium im sichtbaren Lichtbereich aufweist. Das bedeutet jedoch, daß ein aktiver Bereich 14 aus durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium um einen Faktor 10 dünner als bei einkristallinem Silizium sein kann, um trotzdem eine vergleichsweise Lichtabsorption im sichtbaren Licht­ bereich zu liefern. Das ist der Grund dafür, daß der aktive Bereich 14 ein Mikrometer oder weniger dick sein kann, um noch einen guten Wirkungsgrad des Bauelements zu liefern.

Weiterhin liegt die mittlere örtliche Zustandsdichte im verbotenen Band von durch Glimmentladung hergestelltem amor­ phem Silizium in der Größenordnung von 10¹⁷/cm³ eV oder weniger. Die mittlere örtliche Zustandsdichte von durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium nimmt mit zunehmender Niederschlagstemperatur und zunehmender Rein­ heit des Silans bei der Herstellung von amorphem Silizium ab. Die mittlere örtliche Zustandsdichte von durch Glimment­ ladung hergestelltem amorphem Silizium liegt viel niedriger als die von durch andere Vorrichtungen hergestelltem amor­ phem Silizium, beispielsweise für zerstäubtes oder aufge­ dampftes amorphes Silizium liegt die mittlere örtliche Zu­ standsdichte bei 10¹⁹/cm³ eV oder mehr. Es ist für die mitt­ lere örtliche Zustandsdichte in dem verbotenen Band bezeich­ nend, daß sie reziprok proportional dem Quadrat der Weite des Verarmungsbereichs ist. Da die Zustandsdichte von durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium relativ klein ist, kann eine Verarmungsweite in der Größenordnung von 1 Mikrometer erhalten werden. Für die mittlere örtliche Zustandsdichte ist ebenfalls die Tatsache wichtig, daß die Trägerlebensdauer reziprok proportional der mittleren Zu­ standsdichte ist. Dies bestätigt, daß die Trägerlebensdauer in durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium größer ist als die in durch andere oben erwähnte Verfahren hergestelltem amorphem Silizium.

In Fig. 3 ist ein für die Herstellung des fotoelektrischen Bauelements 10 geeignetes Glimmentladungsgerät 30 darge­ stellt, das eine Vakuumkammer 32 aufweist, die durch eine Vakuumglocke 34 begrenzt ist, die vorzugsweise aus einem Glas besteht. In der Vakuumkammer 32 ist eine Anode 36 und eine Heizplatte 38 angeordnet, die gegenüber der Anode 36 mit Abstand angebracht ist. Die Anode 38 besteht aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit, wie z. B. Pla­ tin, und weist die Form eines Schirms oder einer Spule auf. Die Heizplatte 33 besteht aus einem keramischen Rahmen, der Heizspulen aufnimmt, die von einer Stromquelle 40 außerhalb der Vakuumkammer 32 gespeist werden.

Ein erster Auslaß 44 in der Vakuumkammer 32 ist mit einer Diffusionspumpe, ein zweiter Auslaß 46 mit einer mechani­ schen Pumpe und ein dritter Auslaß 48 mit einem Gaseinblas­ system verbunden, das die Quelle für die verschiedenen Gase darstellt, die in dem Glimmentladungsverfahren verwendet werden. Obwohl der erste Auslaß 44 als mit einer Diffusions­ pumpe verbunden beschrieben ist, ist eine Diffusionspumpe zum Evakuieren des Systems nicht unbedingt notwendig.

Bei der Herstellung des fotoelektrischen Bauelements 10 wird das Substrat 12, z. B. Aluminium, auf der Heizplatte 38 angeordnet und mit der negativen Klemme einer Energiequelle 42 verbunden. Die Anode 36 wird dagegen mit der positiven Klemme der Energiequelle 42 verbunden. Die Energie­ quelle 42 kann sowohl eine Gleichstromquelle als auch eine Wechselstromquelle sein. Daher wird sich zwischen der Anode 36 und dem Substrat 12, das im wesentlichen als Kathode bei Gleichstrombetrieb wirkt, ein Spannungspotential ein­ stellen, wenn die Energiequelle eingeschaltet wird.

Die Vakuumkammer 32 wird dann auf einen Druck von ungefähr 66 bis 133 · 10^-6 Pa evakuiert, und das Substrat 12 auf eine Temperatur im Bereich von 150°C bis 400°C erhitzt, indem die Heizspulen der Heizplatte 38 gespeist werden.

Als nächstes wird Silan, SiH₄, in die Vakuumkammer 32 bis zu einem Druck von 13 bis 400 Pa eingelassen, woraufhin die Substrattemperatur auf einen Wert im Bereich von 200°C bis 500°C erhöht wird. Um einen ohmschen Kontakt zwischen dem Substrat 12 und dem aktiven Bereich 14 zu gewähr­ leisten, sollte der aktive Bereich 14 auf dem Substrat 12 bei einer Temperatur von größer als 350°C niedergeschlagen werden, um die Bildung eines Eutektikums zwischen dem Alu­ miniumsubstrat 12 und dem amorphen Silizium des aktiven Bereichs 14 sicherzustellen.

Die Energiequelle 42 wird eingeschaltet, um die Glimmentla­ dung zwischen der Anode 36 und dem Substrat 12 einzuleiten, was zu dem Niederschlag des amorphen Siliziums für den akti­ ven Bereich 14 auf einer Oberfläche des Substrats 12 führt. Für einen Niederschlag des aktiven Bereichs 14 sollte das Spannungspotential zwischen der Anode 36 und dem Substrat 12 so gewählt werden, daß sich eine Stromdichte im Bereich von 0,3 bis 3 mA/cm² an der Oberfläche des Substrats 12 einstellt. Die Niederschlagsgeschwindigkeit des amorphen Siliziums nimmt mit dem Dampfdruck des Silans und der Strom­ dichte zu. Unter den beschriebenen Bedingungen vollzieht sich ein Niederschlag von amorphem Silizium mit einer Dicke von 1 Mikrometer in weniger als 5 Minuten.

Wenn erst einmal die Glimmentladung eingeleitet ist, werden Elektronen aus dem Substrat 12 emittiert und stoßen auf Silanmoleküle, SiH₄, wodurch die Moleküle sowohl ionisiert als auch getrennt werden. Die Siliziumionen und Silizium­ hydride, wie z. B. SiH⁺, weisen eine positive Ladung auf und werden daher vom Substrat 12 angezogen, das die Kathode darstellt, und Silizium wird dadurch auf dem Substrat 12 niedergeschlagen. Die Substrattemperatur ist dabei größer als 350°C und unterstützt daher die pyrolytische Zersetzung von niedergeschlagenen Siliziumhydriden.

Nach Niederschlag des amorphen Siliziums wird das Substrat­ scheibchen 12 mit dem aktiven Bereich 14 in einem bekannten Aufdampfungssystem angeordnet, und dann wird der metalli­ sche Bereich 16 auf den aktiven Bereich 14 aufgedampft. Auf ähnliche Weise werden die Gitterelektrode 24 und die Antireflexionsschicht 20 auf dem metallischen Bereich 16 mit Hilfe von bekannten Aufdampf- und Maskiertechniken nie­ dergeschlagen. Das gesamte Verfahren kann in einem einzigen sowohl eine Glimmentladung als auch ein Aufdampfen ermög­ lichenden System durchgeführt werden.

Die Herstellung des fotoelektrischen Bauelements 10 wird durch den Anschluß von (nicht gezeigten) Drahtelektroden an das Substrat 12 und die Gitterelektrode 24 zur Verbin­ dung mit einer externen Schaltung vervollständigt.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Halbleiterbauelements dargestellt. Dabei han­ delt es sich um ein fotoelektrisches Bauelement 110, und zwar eine pin-Solarzelle. Das fotoelektrische Bauelement 110 umfaßt einen aktiven Bereich 114 aus durch Glimmentla­ dung in Silan, SiH₄, hergestelltem amorphem Silizium. Der aktive Bereich 114 besteht aus einer ersten dotierten Schicht 113, einer zweiten , der ersten dotierten Schicht 113 gegenüberliegenden und von dieser getrennten dotierten Schicht 115 und einer zwischen der ersten und der zweiten dotierten Schicht 113 und 115 angeordneten und mit diesen in Berührung stehende Intrinsic-Schicht 117. Die Intrinsic- Schicht 117 ist nicht dotiert. Die erste und zweite dotier­ te Schicht 113 und 115 weisen entgegengesetzten Leitungstyp auf. Beispielsweise sei die zweite dotierte Schicht 115 vom n-Leitungstyp, während die erste dotierte Schicht 113 p- Leitungstyp besitzt. Sowohl die erste als auch die zweite Schicht 113 und 115 weisen eine hohe Dotierungskonzentra­ tion auf, d. h. größer als 10¹⁹/cm³ elektrisch aktiver Do­ tierungsstoff. Die zweite Schicht 115 vom n-Typ ist bevor­ zugt mit Phosphor und die erste dotierte Schicht 113 vom p-Typ mit Bor dotiert.

Auf einer der zweiten dotierten Schicht 115 gegenüberliegen­ den Oberfläche der ersten dotierten Schicht 113 ist eine für Sonnenstrahlung durchlässige Elektrode 128 aufgebracht. Die lichtdurchlässige Elektrode 128 weist eine der ersten dotierten Schicht 113 gegenüberliegende Einfalloberfläche 129 auf. Die Funktion der lichtdurchlässigen Elektrode 128 besteht darin, entweder durchlässig oder halbdurchlässig für Sonnenstrahlung und imstande zu sein, den im aktiven Bereich 114 erzeugten Strom zu sammeln. Dabei tritt Sonnen­ strahlung 126 in das Bauelement 110 an der Einfallober­ fläche 129 ein. Die für Sonnenstrahlung durchlässige Elek­ trode 128 kann aus einer einzigen Schicht eines Materials, wie z. B. Indiumzinnoxid oder Zinnoxid, bestehen, die beide für Sonnenstrahlung durchlässig sind und gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die lichtdurchlässige Elektrode 128 kann ebenfalls aus einem dünnen Metallfilm, d. h. mit einer Dicke von ungefähr 10 Nanometer, aus z. B. Gold, Anti­ mon oder Platin bestehen, die für Sonnenstrahlung halbdurch­ lässig sind. Falls die lichtdurchlässige Elektrode 128 aus einem dünnen Metallfilm besteht, ist zu empfehlen, daß eine wie im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Antire­ flexionsschicht auf der Einfalloberfläche 129 der Elektrode 128 aufgebracht wird, um die Reflexion der Sonnenstrahlung 126 herabzusetzen. Weiterhin kann die Elektrode 128 viel­ schichtig sein, z. B. eine Schicht aus Indiumzinnoxid, die auf einer Schicht aus einem Glasmaterial handelsüblich er­ hältlich ist. In einem solchen Fall steht das Indiumzinn­ oxid in engem Kontakt mit der ersten dotierten Schicht 113.

Falls der spezifische Oberflächenwiderstand der Elektrode 128 an der ersten dotierten Schicht 113 größenordnungsmäßig bei ungefähr 10 Ohm/Quadrat oder mehr liegt, ist es empfeh­ lenswert, auch eine Gitterelektrode ähnlich der des ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels auf der ersten do­ tierten Schicht 113 zur Sammlung des im aktiven Bereich 114 erzeugten Stroms vorzusehen.

Auf einer der lichtdurchlässigen Elektrode 128 gegenüber­ liegenden Oberfläche der zweiten dotierten Schicht 115 ist ein elektrischer Kontakt 127 aufgebracht, der aus einem Material mit annehmbarer elektrischer Leitfähigkeit, wie z. B. Aluminium, Chrom oder Antimon besteht.

Wie bereits vorher bei der Beschreibung von Fig. 1 erwähnt wurde, ist der Absorptionskoeffizient des durch Glimmentladung hergestell­ ten amorphen Siliziums besser als der von einkristallinem Silizium im sichtbaren Lichtbereich. Aus diesem Grund wird für eine ausreichende Absorption von Sonnenstrahlung nur eine dünne Schicht aus amorphem Silizium benötigt. Der In­ trinsic-Bereich von amorphem Silizium liegt typischerweise bei einer Dicke von ungefähr 1 bis 3 Mikrometer oder weni­ ger, während dagegen die Dicke der ersten und zweiten do­ tierten Schicht 113 und 115 bei jeweils einigen zig Nano­ metern liegt.

Bekanntermaßen besteht bei pin-Solarzellen aufgrund der Aus­ gleichung in den Ferminiveaus zwischen den Schichten 113, 115 und 117 eine negative Raumladung in der ersten dotier­ ten Schicht 113 und eine postive Raumladung in der zweiten dotierten Schicht 115 und die Ausbildung eines Verarmungsbe­ reichs in der Intrinsic-Schicht 117. Wie weit sich das elektrische Feld des Verarmungsbereichs in die Intrinsic- Schicht 117 hineinerstreckt, hängt von der mittleren ört­ lichen Zustandsdichte im verbotenen Band ab, wie bei der Erläuterung der Fig. 1 beschrieben wurde. Nach der vorherigen Erläuterung des Bauelements 10 gilt auch hier, daß sich der Verarmungs­ bereich über die gesamte Dicke der Intrinsic-Schicht 117 erstrecken wird, über eine Dicke von ungefähr 1 bis 3 Mikro­ meter oder weniger. Deshalb werden alle in der Intrinsic- Schicht 117 durch die Absorption von Sonnenstrahlung erzeug­ ten Ladungsträger durch das elektrische Feld des Verarmungs­ bereichs aufgenommen und als elektrischer Strom gesammelt.

Bei der Herstellung des fotoelektrischen Bauelements 110 wird für die lichtdurchlässige Elektrode 128 eine Schicht aus Indiumzinnoxid bevorzugt, die auf einer Glasschicht handelsüblich erhältlich ist. Die Elektrode 128 wird auf der Heizplatte 38 des in Fig. 3 gezeigten Apparats 30 angeordnet, wobei die Glasschicht der Elektrode 128 in engem Kontakt mit der Heizplatte 38 steht.

Dann wird der Apparat 30 zum Niederschlag der ersten dotier­ ten Schicht 113 eines p-Leitungstyps auf der Indiumzinnoxid- Schicht der Elektrode 128 vorbereitet. Die Vakuumkammer 32 wird auf einen Druck von ungefähr 1,3 · 10^-4 Pa evakuiert, und dann wird Silan mit einem Anteil von ungefähr ½ bis 5% Diboran, d. h., das Diboran bildet ½ bis 5% der Silan- Diboran-Atmosphäre, unter einem Druck von 13 bis 133 Pa in die Vakuumkammer 32 eingelassen, während die Elektrode 128 auf eine Temperatur in der Größenordnung von 200°C bis 500°C gebracht wird.

Daraufhin wird in der Vakuumkammer 32 eine Glimmentladung für ungefähr 1 bis 2 Sekunden bei einer Stromdichte von ungefähr 0,5 mA/cm² an der Elek­ trode 128 zum Niederschlag der ersten dotierten Schicht 113 mit einer Dicke in der Größenordnung von einigen zig Nanometern eingeleitet.

Dann wird die Atmosphäre in der Vakuumkammer 32 von einer Pumpe über den Auslaß 46 abgesaugt, die mechanisch arbeitet.

Bei einem Druck in der Vakuumkammer 32 von 1,3 · 10^-4 Pa wird Silan unter einem Druck von 13 bis 400 Pa in diese eingelassen. Wieder wird eine Glimmentladung für 1 bis 5 Minuten mit einer Stromdicke von 0,3 mA/cm² bis 3,0 mA/cm² an der ersten dotierten Schicht 113 zum Niederschlag der Intrinsic-Schicht 117 mit einer Dicke von ungefähr 1 Mikro­ meter eingeleitet.

Als nächstes wird ein 0,1 bis 1,0% Phosphin enthaltendes Gas als Dotierungsgas in die Vakuumkammer 32 eingeleitet, so daß das Phosphin 0,1 bis 1,0% der Silan-Phosphin-Atmos­ phäre bildet. Dann wird wieder eine Glimmentladung mit ei­ ner Stromdichte von 0,3 mA/cm² bis 3,0 mA/cm² an der Intrin­ sic-Schicht 117 eingeleitet und die zweite dotierte Schicht 115 vom n-Typ in der Größenordnung von einigen zig Nanome­ tern Dicke auf einer Oberfläche der Intrinsic-Schicht 117 niedergeschlagen.

Obwohl Phosphin und Diboran als die Dotierungsgase für die erste und zweite dotierte Schicht 113 und 115 genannt sind, ist davon auszugehen, daß andere geeignete bekannte Dotie­ rungsgase ebenfalls verwendet werden können.

Danach wird der elektrische Kontakt 127 auf einer Oberflä­ che der zweiten dotierten Schicht 115 durch bekannte Auf­ dampftechniken niedergeschlagen. Die Endherstellung des fotoelektrischen Bauelements 110 umfaßt das Anschließen von (nicht gezeigten) Anschlußdrähten an den Kontakt 127 und die Elektrode 128 als elektrische Verbindung mit einer externen Schaltung.

In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Halbleiterbauelements gezeigt. Dabei handelt es sich wiederum um ein fotoelektrisches Bauelement 210, und zwar eine pn-Übergangs-Solarzelle. Das fotoelektrische Bauelement 210 weist einen Körper 211 aus durch eine Glimm­ entladung in Silan, SiH₄, mit den geeigneten Dotierungsga­ sen hergestelltem Silizium auf. Der Körper 211 besteht aus einer ersten dotierten Schicht 252 eines Leitungstyps, auf die eine zweite dotierte Schicht 254 des entgegengesetzten Leitungstyps mit einem dazwischenliegenden pn-Übergang 256 aufgebracht ist. Zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels sei die erste dotierte Schicht 252 vom p-Leitungstyp und die zweite dotierte Schicht 254 vom n-Leitungstyp. Sowohl die erste als auch die zweite dotierte Schicht 252 und 254 bilden den aktiven Bereich 214 des fotoelektrischen Bauele­ ments 210. Der Körper 211 umfaßt eine dritte dotierte Schicht 258 auf einer dem pn-Übergang 256 gegenüberliegen­ den Oberfläche der zweiten dotierten Schicht 254. Die drit­ te dotierte Schicht 258 weist denselben Leitungstyp wie die zweite dotierte Schicht 254 auf, hat jedoch eine höhere Dotierungskonzentration als die zweite dotierte Schicht 254. Daher besitzt die dritte dotierte Schicht 258 n⁺-Lei­ tungstyp und wirkt mit, ohmsche Kontakte zum aktiven Be­ reich 214 herzustellen.

Auf einer dem pn-Übergang 256 gegenüberliegenden Oberfläche der dritten dotierten Schicht 258 ist ein elektrischer Kon­ takt 227 aufgebracht, und zwar entsprechend dem elektri­ schen Kontakt 127 des zweiten Ausführungsbeispiels. Eine für Sonnenstrahlung durchlässige Elektrode 228 mit einer der Sonnenstrahlung 226 zugekehrten Einfalloberfläche 229 befindet sich auf einer den pn-Übergang 256 gegenüberliegen­ den Oberfläche der ersten dotierten Schicht 252. Auch hier ist die für Sonnenstrahlung durchlässige Elektrode 228 die­ selbe wie die Elektrode 128 des zweiten Ausführungsbei­ spiels.

Beim Betrieb des fotoelektrischen Bauelements 210 tritt Sonnenstrahlung an der Einfalloberfläche 229 ein, wobei ein gewisser Anteil der Sonnenstrahlung 226 im aktiven Be­ reich 214 absorbiert wird, um Elektron-Loch-Paare zu bil­ den. Diese Ladungsträger diffundieren dann zum pn-Übergang 256, und falls sie das Raumladungsfeld des pn-Übergangs 256 erreichen, bevor sie rekombinieren, werden sie gesam­ melt und tragen zum Strom des Bauelements 210 bei.

Bei der Herstellung des Bauelements 210 wird wie beim Bau­ element 110 davon ausgegangen, daß die lichtdurchlässige Elektrode 228 als eine Schicht aus Indiumzinnoxid auf einer Glasschicht ausgelegt ist. Auch die Elektrode 228 wird dann auf der Heizplatte 38 so angeordnet, daß die Glasschicht mit der Heizplatte 38 direkt in Berührung steht.

Als nächstes wird das Gerät 30 für den Niederschlag der ersten dotierten Schicht 252 auf der Indiumzinnoxidschicht der lichtdurchlässigen Elektrode 228 vorbereitet. Dazu wird die Vakuumkammer 32 auf einen Druck von ungefähr 1,3 · 10^-4 Pa evakuiert und danach Silan mit einem Anteil von ungefähr 1 bis 5% Diboran unter einem Druck von 13 bis 133 Pa in die Vakuumkammer 32 eingelassen, während die Elektrode 228 auf eine Temperatur in der Größenordnung von 200°C bis 500°C gebracht wird.

Dann wird eine Glimmentladung in der Vakuumkammer 32 für ungefähr eine bis zwei Sekunden mit einer Stromdichte von ungefähr 0,5 mA/cm² an der Oberfläche der Elektrode 228 für den Niederschlag der ersten dotierten Schicht 252 mit einer Dicke in der Größenordnung von einigen zig Nanometern einge­ leitet.

Daraufhin wird die Atmosphäre in der Vakuumkammer 32 von einer mechanischen Pumpe abgesaugt. Erneut wird die Vakuum­ kammer 32 danach auf ungefähr 1,3 · 10^-4 Pa evakuiert und dann Silan mit einem Anteil von ungefähr 0,01% Phosphin unter einem Druck von 13 bis 400 Pa eingelassen. Eine Glimm­ entladung wird für ungefähr 1 bis 30 Minuten mit einer Stromdichte von 0,3 mA/cm² bis 3,0 mA/cm² an der Oberfläche der ersten dotierten Schicht 252 eingeleitet, so daß auf diese Weise die zweite dotierte Schicht 254 von einer Dicke in der Größenordnung von 1 bis 20 Mikrometern niedergeschla­ gen wird.

Als nächstes wird Phosphin in die Vakuumkammer 32 einge­ lassen, so daß ein 0,5%-Gemisch von Phosphin mit dem Silan vorhanden ist. Wieder wird eine Glimmentladung mit einer Stromdichte von 0,3 mA/cm² bis 3,0 mA/cm² auf der zweiten dotierten Schicht 254 für den Niederschlag der dritten do­ tierten Schicht 258 von einer Dicke in der Größenordnung von einigen zig Nanometern eingeleitet.

Der elektrische Kontakt 227 wird auf die dritte dotierte Schicht 258 mit Hilfe bekannter Aufdampftechniken nieder­ geschlagen. Die Herstellung des Bauelements 210 wird durch Anschließen von (nicht gezeigten) Anschlußleitungen an den Kontakt 227 und die Elektrode 228 beendet.

Beim fotoelektrischen Betrieb der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele können das Substrat 12 und die elektrischen Kontakte 127 und 227 nichtabsorbierte Sonnen­ strahlung wieder jeweils in die aktiven Bereiche 14, 114 und 214 zurückwerfen, um dadurch die Möglichkeit für eine Absorption von Sonnenstrahlen zu verbessern.

Es ist zu erwähnen, daß beim Gegenstand nach Fig. 1 das Substrat 12 als ein Träger für das Bauelement beschrieben wurde, während nach Fig. 4 und 5 die lichtdurchlässigen Elektroden 128 und 228 Träger für ihre jeweiligen Bauelemente sind.

Die Verwendung von durch Glimmentladung hergestelltem amor­ phem Silizium im aktiven Bereich von fotoelektrischen Bau­ elementen erlaubt die Herstellung von Bauelementen mit ei­ nem dünneren aktiven Bereich als er bei Bauelementen aus einkristallinem Silizium mit demselben Grundaufbau erforder­ lich ist. Außerdem sind die durch Glimmentladung hergestell­ tes amorphes Silizium enthaltenden Bauelemente zur Absorp­ tion von Sonnenstrahlung in der Lage, und zwar in einem mit den aus einkristalli­ nem Silizium hergestellten fotoelektrischen Bauelementen vergleichbaren Umfang, die aktive Bereiche mit einer um den Faktor 10 größeren Dicke aufweisen, Daher be­ steht ein spezieller Vorteil des erfindungsgemäßen Halblei­ terbauelements als fotoelektrisches Bauelement darin, daß die Herstellungskosten bei Verwendung eines dünneren akti­ ven Bereichs gesenkt werden können. Darüber hinaus wird beim erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements als fotoelektri­ sches Bauelement auch eine Kostensenkung für die Erzeugung elektrischer Energie aus Sonnenstrahlung dadurch erreicht, daß weniger Energie für die Herstellung der Bauelemente benötigt wird, da die Herstellung bei niedrigeren Temperatu­ ren als im Falle von einkristallinen Bauelementen stattfin­ det. Außerdem können Solarzellen mit größeren Flächen ver­ glichen mit den aus einkristallinem Silizium hergestellten Solarzellen angefertigt werden.

Claims (7)

1. Fotovoltaisches Halbleiterbauelement mit einer Poten­ tialbarriere am Übergang zwischen zwei verschiedenen Zonen innerhalb eines Siliziumkörpers, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Siliziumkörper aus amorphem Si­ lizium mit einer mittleren Zustandsdichte im verbotenen Band in der Größenordnung von 10¹⁷/cm³ eV oder weniger, mit einer Trägerbeweglichkeit von größer als etwa 10^-3 cm²/Vsec und mit einer Trägerlebensdauer von größer als etwa 10^-7 sec besteht.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der amorphe Siliziumkörper (114) eine erste dotierte Schicht (113) des einen Leitungs­ typs mit Abstand von einer zweiten dotierten Schicht (115) des anderen Leitungstyps sowie eine zwischen und im Kontakt mit der ersten und zweiten Schicht angeord­ nete und dort die Ausbildung eines Raumladungsfeldes ermöglichende, eigenleitende Schicht (117) enthält (Fig. 4).

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke der zwischen der ersten und zweiten dotierten Schicht (113, 115) angeordneten eigenleitenden Schicht (117) größenord­ nungsmäßig ein Mikrometer oder weniger beträgt.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, gekenn­ zeichnet durch ein elektrisch leitendes Substrat (127) auf einer der eigenleitenden Schicht (117) gegenüberliegenden Oberfläche der zweiten dotier­ ten Schicht (115) und eine elektrisch gut leitende, für Sonnenstrahlung durchlässige Elektrode (128) auf einer der eigenleitenden Schicht (117) gegen­ überliegenden Oberfläche der ersten dotierten Schicht (113).

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumkörper (211) eine erste dotierte Schicht ( 252) des einen Leitungstyps und eine mit einem pn-Übergang (256) daran angrenzende zweite dotierte Schicht (254) des anderen Leitungstyps enthält (Fig. 5).

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine dritte dotierte Schicht (258) desselben Leitungstyps wie die zweite dotierte Schicht (254), jedoch mit höherer Dotierstoffkonzentration auf der dem pn-Übergang (256) gegenüber­ liegenden Oberfläche der zweiten dotierten Schicht (254); eine elektrisch gut leitende, für Sonnenstrah­ lung durchlässige Elektrode (228) auf einer dem pn-Über­ gang (258) gegenüberliegenden Oberfläche der ersten dotierten Schicht (252); und ein elektrisch leitendes Substrat (227) auf einer dem pn-Übergang (256) gegen­ überliegenden Oberfläche der dritten dotierten Schicht (258).

7. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Silizium durch Glimmentladung im Silan, SiH₄, hergestellt wird.