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DE3105819A1 - Amorphe filmsolarzelle - Google Patents

Amorphe filmsolarzelle

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DE3105819A1
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Sharp Corp
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle und insbesondere eine Solarzelle aus einem amorphen Film oder einer amorphen Schicht vom Stabtyp mit verschiedenen miteinander verbundenen Schichten (pin hetero junction type) deren Eigenschaften durch die kombinierte Verwendung von wenigstens mehr als zwei Typen von amorphen Halbleitermaterialien verbessert sind.
In den letzten Jahren wurde die wirksame Verwendung von Sonnenenergie in die Praxis umgesetzt. Dazu wurden amorphe Solarzellen unter Verwendung von amorphen Siliciumhalbleiterfilmen oder Halbleiterschichten aus kristallinen Solarzellen unter Verwendung von üblichen Silicium-Monokristall-Halbleitern (100 - 500 μΐη Dicke) entwickelt, um die Kosten für die Solarzellen zu verringern.
Die amorphe Solarzelle ist so dünn wie etwa 1 μπι in der Halbleiterbasisplatte, so daß sie als Energie-sparender Typ verwendet werden kann. Weiterhin können amorphe Solarzellen nach relativ einfachen Verfahren hergestellt werden. Daher werden amorphe Solarzellen als billige Solarzellen aktiv entwickelt.
Als solche Typen von amorphen Filmsolarzellen wurden die WasserstoffSerien der amorphen Siliciumhalbleiter (nachstehend als a - Si:H bezeichnet) Filmsolarzellen aus Silicium und Wasserstoff, die durch Glühentladung von Monosilan (SiH.)-Gas als Hauptkomponenten und die Fluorserien von amorphen Siliciumhalbleiter (nachstehend als a - Si:F:H bezeichnet)-Filmsolarzellen mit Silicium, Fluor und Wasserstoff als Hauptkomponenten, durch Glühentladungsverfahren von Siliciumtetrafluorid (SiF4)-Gas
hergestellt werden, entwickelt.
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Die Solarzelle aus einem amorphen Film von kleiner Fläche unter Vewendung von a - Si:H weist in der Schottky-Kon- ι struktion eine photoelektrische Umwandlungseffizienz von 5,5% und bei der Stabkonstruktion von 4,5% auf. Die Solarzelle aus einem amorphen Film unter Verwendung von a - Si:F:H hat 5,6% oder mehr photoelektrische Umwandlungseffizienz in der Schottky-Konstruktion.
Die amorphen Filmsolarzellen liegen in verschiedenen Arten von Konstruktionen vor, z.B. als Stabtyp, als Schottky-Konstruktion und als MIS (metal-insulator-semiconductor)-Konstruktion. Die Konstruktion vom Stabtyp ist für die Herstellung von Solarzellen vom Filmtyp wegen niedriger Kosten gegenüber den anderen Konstruktionen erwünscht. Der Grund dafür ist der, daß die parallele Serienverbindung der Einheitselemente leichter auf derselben Grundplatte durchgeführt werden kann. Zur Konstruktion einer Filmsolarzelle vom Stabtyp ist es wünschenswert, amorphe Halbleiter vom p-Typ, vom i (reinen)-Typ und vom η-Typ zu verwenden, die in der elektrooptischen Phase überlegen sind. ' Die z.Zt. entwickelten a-Si:F:H-Filme können amorphe Siliciumhalbleiter werden, die außerordentlich überlegen als i-Typ oder n-Typ-Halbleiter sind. Es wurde jedoch , experimentell festgestellt, daß der a-Si:F:H-FiIm schwierig zu einem p-Typ-Halblelter, der überlegen auf dem elektro- , optischen Gebiet ist, werden kann, wenn eine Verunreinigung vom p-Typ wie Bor (B) ο.dgl. ihm zugesetzt werden.
Dementsprechend stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine amorphe Filmsolarzelle vom Stabtyp mit verschiedenen Verbundschichten zur Verfügung zu stellen, bei der die den üblichen Sonnenzellen vom vorstehend beschriebenen Typ anhaftenden Nachteile ausgeschaltet sind. Ferner soll die Erfindung eine Solarzelle aus einem amor- ; phen Film vom Stabtyp mit verschiedenen Schichten zur Verfügung stellen, die leichter bei der Auswahl der Stabschichtkonstruktion im Vergleich zu den Filmsolarzellen
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der konventionellen Fluorserien von amorphem Silicium oder Wasserstoffserien von amorphem Silicium als Halbleitermaterial und die eine größere Freiheit in der Gestaltung und Konstruktion von Apparaten und Vorrichtungen ermöglicht und eine bessere Wirksamkeit hat. Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, eine amorphe Filmsolarzelle vom Stabtyp unter Verwendung von einem a - Si:F:H-Film oder einem a - Si:H-FiIm als i-Typ oder n-Typ-Halbleiter zu schaffen, um die Eigenschaften von amorphen Filmsolarbatterien zu verbessern, wobei ein III/V-Gruppen amorpher Halbleiter verwendet wird, der elektrooptisch als p-Typ oder n-Typ-Halbleiter überlegen ist.
Dementsprechend betrifft die Erfindung eine amorphe Filmsolarzelle vom Hetero-Verbindungsschicht-Typ mit Stabkonstruktion als Basiseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle einen amorphen Halbleiter vom p-Typ oder η-Typ, der aus einem amorphen IIl/V(Gruppe)-Halbleitermaterial hergestellt ist und wenigstens einem Halbleiter vom i (reinem)-Typ-Halbleiter, der aus einem Halbleitermaterial der Fluorserie von amorphem Silicium oder einem Halbleitermaterial der Wasserstoffserie von amorphem Silicium hergestellt ist, enthält.
Das amorphe III/V (Gruppe)-Halbleitermaterial ist aus den Elementen (B, Al, Ga, In) der IIIB-Gruppe und den Elementen (N, P, As, Sb) der VB-Gruppe des Periodischen Systems zusammengesetzt. Sie sind amorphe Halbleitermaterialien von tetrahedraler oder tetraheder Kombination und sind amorphe filmförmige Halbleitermaterialien von a - BN, a - BP, a - AlN, a - AIP, a - GaN, a - GaP, a - GaAs, a - InN, a - InP, a - InAs, a - InSb oder Legierungen dieser, wie z.B. a - BGaP, a - GaInP oder dgl. DieseIII/V (Gruppen) amorphen Halbleiter werden durch die Glühentladungsmethode, die Kathodenzerstäubungsmethoder oder Sputtermethode oder das Ionenplattieren oder Ionenbeschichtungsverfahren hergestellt.
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Der optische Bandabstand des a - Si:H-Films und des a - Si:F:H-Films beträgt 1,55 eV bzw. 1,65 eV. Andererseits beträgt der Bandabstand des a-BP-Films der III/V-Verbindung etwa 2,1 eV und des a-InP-Films etwa 1,3 eV. Die Kombination der verschiedenen Bauelemente erlaubt die Auswahl der optischen Bandabstände, wobei eine größere Freiheit in der Konstruktion und Planung der amorphen Filmsolarzellen ermöglicht wird.
Die Erfindung wird weiter anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch einen amorphen Film als Solarzelle vom Stabtyp mit verschiedenen Schichten (amorphous film solar cell of a pin hetero junction- type) aus Glas/ITO/p+- a- BP/ i - a - Si:F:H/ n+ - a - S1:F:H / Al ~ Ag / Si - O - N gemäss der Erfindung.
Beispiel 1
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung veranschaulicht dieses Beispiel die Herstellung einer amorphen Filmsolarzelle vom Stabtyp mit verschiedenen darauf gebundenen Schichten gemäss der Erfindung. Die Gitterelektrode 2 aus Cr - Au/Ag wird maskiert auf eine transparente Grundplatte 1 durch eine Elektronenstrahl-Verdampfungsapparatur aufgedampft. Dann wird eine transparente In3O3-SnO2-Elektrode (ITO)3 in einer Dicke von etwa 700 8 durch eine Kathodenzerstäubungsapparatur mit einem In - Sn-Metall als Target gebildet. Der Frontwiderstand (face resistance) zu dieser Zeit beträgt 20 bis 30 Ohm/U und der Lichtdurchlässigkeitsfaktor ist 89 % oder mehr im sichtbaren Bereich.
Dann wird die Grundplatte in eine Plasma CVD-Apparatur gestellt. Der a - BP-Film 4 wird in einer Dicke von 100 bis 600 8 bei einer Basisplattentemperatur von 3500C und einem Gasdruck von 0,5 bis 2 Torr und einer Hochfrequenz-Stromquelle von 100 Watt gebildet, wobei ge-
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-G-
mischte Gase (z.B. PH3/H2= 40 ccm/Min., B2H6/H2 = 50 ecm pro Min.) von Phosphin (PH3/H2 5 % Konzentration) und Wasserstoffgasund Diboran (B2H6/H2 5 % Konzentration)-gas und Wasserstoffgas verwendet. Das a - BP wird ein amorpher Halbleiter vom p-Typ wegen der kontrollierten Einwirkung der Rohmaterialgasverhältnisse von PH3 und B2Hg und die Wachsgeschwindigkeit beträgt 0,05 bis 0,4 S/Sek. Der a - BP-Film 4 ist ein transparenter, leicht brauner Film
Dann wird der amorphe Siliciumfilm der Fluorserie (a - Sj_:F:H) 5 in einer Dicke von 5000 bis 10 000 S mit Hilfe einer Plasma-CVD-Apparatur hergestellt, wobei die folgenden Bedingungen eingehalten werden: 50 ccm/Min. Fließgeschwindigkeit, Temperatur der Basisplatte 35O0C, Hochfrequenzstrom-Quelle 100 Watt und Gasdruck 1 Torr. Das Rohmaterial für den a - Si:F:H-FiIm ist ein Gasgemisch {Mischverhältnis 9:1) vonSiliciumtetrafluorid (SiF.)-gas und Wasserstoff. Der Film hat eine Wachstumsgeschwindigkeit von 1-4 8/Sek. und ist elektrisch ein reiner (i) Typ. Zusätzlich wird das Dotierungsmittel vom η-Typ, d.h. das Phosphin (PH3/^-Konzentration o,1 %) in einer Menge von 0,1 bis 1 % dem Siliciumtetrafluorid (SiF./H2)-gas zugegeben, um einen a - Si:F:H-film 6 vom n+-Typ in einer Dicke von 300 bis 500 fi zu bilden. Die Al/Ag-Elektrode 7 wird in einer Dicke von 1 - 5 μπι durch eine Elektronenstrahl-Auf dampf apparatur gebildet. Schließlich wird ein Siliciumoxinitrid-Film (Si O N , 1 - 15 % O bezogen auf N) in einer Dicke von 700 bis 1500 8 mit Hilfe einer Plasma-CVD-Apparatur gebildet und adaptiert, um die Passivierung der Solarzelle durchzuführen. Die Materialien des Silicumoxinitrid-Films sind Silangas (SiH4/H3),( Ammoniak (NH3) und Stickstoffoxid (N3O). Der Siliciumoxinitrid-Film wurde unter den Bedingungen von 50 Watt Hochfrequenzstrom, 350°C Basisplatten-Temperatur und 1-2 Torr Gasdruck hergestellt.
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Bei der oben beschriebenen Ausfuhrungsform wird während der Herstellung des a - BP-Films 4 vom p-Typ Dimethylzink ((CH,)oZn) in einer Menge von 0,1 bis 1 % mit Hilfe von einperlendem H2-GaS zu dem Rohmaterialgas PH3/H2, B2H6/H„ zugeführt, um die Glühentladung durchzuführen, wobei der a -BP-Film vom p+-Typ mit dem gegebenen niedrigen Widerstand erhalten wird. Ebenso wird auf ähnliche Weise. Siliciumtetrafluorid (SiF^)-GaS in einer Menge von 0,05 bis 1 % den Rohmaterialgasen PH3/H2 und B2Hg/H2 zugegeben, um die Glühentladung durchzuführen, wobei der a - BP-Film vom n+-Typ mit dem gegebenen niedrigen Widerstand erhalten wird.
Die Solarzelle vom Stabtyp mit verschiedenen Schichten von ITO /p+ a - BP/i - a - Si;F:H / n+ - a - Si:F:H / Al-Ag zeigte überlegene Eigenschaften unter der Bedingung von 0,75 V in Abgabespannung, 1 5 mA/cm2 im Kurzschlußstrom, FF = 0,53 und der photoelektrischen Umwandlungseffizient η = 5,9 % unter dem solaren Licht AMI.
Beispiel 2
Dieses Beispiel betrifft eine ähnliche Sonnenzellenkonstruktion vom Stabtyp wie Beispiel 1, wobei eine Solarzelle mit einer Schicht 6 aus n+ - a - InP als Ill/V-Verbindung beschrieben wird.
Die a - InP-Schicht vom elektrischen n-Typ kann durch die Plasma-CVD-Methode unter Verwendung von Phosphin und Wasserstoffgas (PH3/H2~Konzentration 5 - 10 %) und Trimethylindium ((C2Hc)3In) hergestellt werden.
Die Beziehungen zwischen dem Dotierungsmittel und dem Roh-r materialgas des III/V(Gruppe) amorphen Halbleiters,der ; durch die Glühentladungsmethode gemäss der Erfindung hergestellt wird, ist aus der folgenden Tabelle ersichtlich.
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' Ill/V-amor
• phes Mat.		 Ijauptrohmaterialgas NH3 ; Dotierungsmittel
■.von n-Typ		 ,SiF41H2S Dotierungstnittel
van p-Typ		 —
a -BN B2H6, NH3 PH3 SjH4 ,H2Se (CHs)2Zn
a-BP B2H6 ,PH3 NH3 idto SiH4 —
a-AfN (CH3) 3A£,(C2H5)3Ai, ,PH3 dto. —
a-AiP (CH3)3A*,(C2H5)3Ai, AsH3 dto. —
a-GaN (CHs)3Ga1(C2H5)SGa, dto. ,H2Se ,(CHs)2Zn
a-GaP (CH3)3Ga,(C2H6)SGa dto. , H2Se SiH4 ,(CHs)2Zn
a-GaAs (CH3)SGaXC2H5)SGa, dto. SiH4 —
. a-InN (C2H5)3ln,NH3 dto. , H2Se , (CHs)2Zn
a-InP (C2H5)3ln,PH3 dto. ,H2Se SiH4 ,(CH3)2 Zn
a-InAs (C2H5)3ln,AsH3 dto. SiH4
Gto. =SiH4,SiF4 ,H2S)
Der oben beschriebene amorphe Film einer III/V-Verbindung wird elektrisch ein n+-Typ oder p+-Typ und kann, wenn gewünscht, als n+-Schicht oder p+-Schicht der Solarzelle aus amorphem Film vom Stabtyp mit verschiedenen Schichten kombiniert werden.
Als Verfahren zur Herstellung der amorphen III/V(Gruppe) Filmhalbleiter ist die Plasma-CVD-Methode durch die Glühentladung vorstehend beschrieben worden. Jeder dieser Filme kann durch die Sputtermethode, die reaktive Sputtermethode oder die Ionenplattierungsmethode zu einem amorphen Film gemacht werden, der elektrisch und optisch überlegen ist. \
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine Solarzelle in Filmform produziert durch die Kombination von amorphen III/V-Filmen mit einer Schicht eines' Halbleiter-
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materials von amorphem Silicium der Fluorserie oder amorphem Silicium der Wasserstoffserle. Diese Filmsolarzelle macht die Herstellung einer Stabkonstruktion aus verschiedenen Schichten leichter im Vergleich zu den üblichen Filmsolarzellen aus Halbleitermaterial aus amorphem Silicium der Fluorserie oder amorphem Silicium der Wasserstoffserie und ermöglicht eine größere Beweglichkeit und Freiheit für die Konstruktion und Planung von Apparaturen und hat eine verbesserte Wirksamkeit.
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Claims (2)

  1. VON KREISLER SCHONWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER
    Sharp Kabushik Kaisha Osaka, Japan
    PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler 11973
    Dr.-Ing. K. Schönwold, Köln Dr.-Ing. K.W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selting, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln
    DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF
    D-5000 KDLN 1
    16.2.81 AvK/lM
    Amorphe Filmsolarzelle
    Patentansprüc he
    Ί J Amorphe Filmsolarzelle vom Hetero-Verbindungstyp in Stabkonstruktion als Basiseinheit, enthaltend einen amorphen Halbleiter vom p-Typ oder η-Typ, hergestellt aus amorphen Ill/V(Gruppen)-Halbleitermaterialien, und wenigstens einem Halbleiter vom i (reinem)-Typ, hergestellt aus einem Halbleitermaterial von amorphem Silicium der Fluorreihe oder aus einem Halbleitermaterial von amorphem Silicium der Wasserstoffreihe.
  2. 2. Amorphe Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der amorphe III/V-Halbleiter aus einem amorphen Halbleiterfilm aus amorphem Bornitrid a - BN, a - BP, a - AlN, a - AlP, a - GaN, a - GaP, a - GaAs, a - InN, a - InP, a - InAs, a - InSb hergestellt ist und durch ein Glühentladungsverfahren, ein Kathodenzerstäubverfahren oder ein IOnenplattierungsverfahren hergestellt ist oder aus diesen Legierungen gemacht ist.
    130050/0593
DE19813105819 1980-02-19 1981-02-18 Amorphe filmsolarzelle Granted DE3105819A1 (de)

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