DE3713957C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Inversionsschicht- Solarzelle mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Solarzelle ist aus E. P. Burte, "Herstellung und Charakterisierung von Inversionsschicht-Solarzellen auf polykristallinem Silizium" W. Girardet-Verlag Essen 1985 bekannt. Die strukturierte Kontaktelektrode der für Lichteinwirkung vorgesehenen Oberfläche, der Substratvorderseite, des bekannten Bauelements ist z.B. in Gitterstruktur ausgeführt und über einer dünnen Isolierschicht auf dem Substrat angeordnet. Durch das bevorzugte Elektrodenmaterial sowie durch eine Anti­ reflexionsschicht auf den von den Kontaktelektroden­ abschnitten umschlossenen Oberflächenbereichen ist im Substrat eine durchgehende Inversionsschicht mit angrenzender Raumladungszone ausgebildet. Als Dielektrikum für die Antireflexionsschicht ist Siliziumnitrid vor­ gesehen.

Die bekannten Solarzellen zeigen unerwünschte, rasch ablaufende Degradationserscheinungen, die mit innerer Photoemission von Elektronen durch Driften derselben in das Dielektrikum und durch Fixierung derselben an Haftstellen im Aufbau des Dielektrikums sowie mit der Erzeugung von Grenzflächenzuständen an der Grenzfläche Halbleitersubstrat - Isolierschicht (unter der Kontakt­ elektrode) erklärt werden.

Weiter ist in dem Tagungsbericht der Sixth E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference, Proc. of the International Conference, held in London, UK, 15.-19. April 1985, Dordrecht 1985, Seiten 275-279, (Herausgeber W. Palz, F.C. Treble) beschrieben, zur Vermeidung einer Degradation durch UV-Strahlung bei ungeschützten Solarzellen ohne Cäsium die Zellen vor dem Abscheiden von Silizium-Nitrid in eine Cäsium enthaltende Lösung zu tauchen. Dabei soll durch Verdampfen des Lösemittels einer alkoholischen Lösung aus derselben Cäsium auf die Zellenoberfläche gelangen. Dadurch werden Cäsiumionen in die nachfolgend abzuscheidende Nitridschicht eingebaut und bewirken mit den festen Grenzflächenladungen die Inversionsschicht. Cäsium ist aber nur ionenförmig angelagert, so daß keine fest zusammenhängende und gut leitende Schicht aus Cäsium oder einer seiner Verbindungen vorliegt. Injizierte Ladungen können demzufolge nicht abfließen, sondern verbleiben im Isolator Silizium-Nitrid und führen zur Neutralisierung der positiven Grenzflächenladungen, wodurch die Solarzelle unbrauchbar wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solar­ zelle zu schaffen, bei welcher die Degradation zumindest erheblich vermindert wird, d. h. welche bei Licht­ einwirkung weitgehend langzeitstabil ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einer Solarzelle der eingangs genannten Art darin, daß die Antireflexionsschicht aus Teilschichten besteht, von welchen eine aus Cäsium oder einer seiner Verbindungen gebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels wird die Erfindung erläutert. Die Figur zeigt teils schematisch, teils im Querschnitt in stark vergrößerter, unmaßstäblicher Darstellung den Schichtenaufbau einer Solarzelle nach der Erfindung.

Ein p-leitendes Substrat (1) ist an seiner nicht zur Lichteinwirkung vorgesehenen Fläche, der Rückseite, mit einer durchgehenden Kontaktschicht (2), im Ausführungsbeispiel aus Aluminium, versehen. Auf der für Lichteinwirkung vorgesehenen Fläche, der Vorderseite, ist ein rasterförmiges Kontaktmuster mit im Schnitt fingerförmigen Kontaktstegen (8) angebracht, welches ebenfalls aus Aluminium besteht. Zwischen Kontaktmuster und Substrat (1) befindet sich stets eine Isolier­ zwischenschicht (9), die natürlich oder thermisch definiert sein kann und im Ausführungsbeispiel aus einem Oxid des Substratmaterials besteht. Das Kontaktmetall der beiden Substratflächen kann aufgedampft oder durch Sputtern aufgebracht sein. Die Dicke der Kontaktschicht (2) beträgt 1 µm , diejenige der Kontaktmusterfinger (8) 3 bis 5 µm . Das Verhältnis der Kontakt­ musterfläche zur gesamten Vorderseitenfläche ist im vorliegenden Beispiel 10%. Die Dicke der Isolierzwischen­ schicht (9) zwischen Kontaktmuster (8) und Substrat (1) kann 1 bis 2 nm betragen. Diese Schicht dient zur Erhöhung der Leerlaufspannung der Solarzelle.

Weiter ist auf der Substratvorderseite zwischen den Kontaktmusterfingern (8) ein als Antireflexionsschicht bezeichneter Überzug angebracht, der aus mehreren Teilschichten besteht. Durch diese Beschichtung wird erreicht, daß trotz des hohen Reflexionsvermögens des Substratmaterials, insbesondere des verwendeten Siliziums, ein sehr hoher Anteil des auftreffenden Lichts zur Ladungsträgererzeugung im Substrat und damit zu einem Photostrom führt.

Bekannte Bauformen weisen eine Antireflexionsschicht aus Verbindungen des Substratmaterials auf, die aufgrund ihrer dielektrischen Eigenschaften feste Grenzflächen­ ladungen über der Oberflächenschicht des Substrats bilden und eine Inversionsschicht (4) in dieser Ober­ flächenschicht bewirken. Durch die Ausbildung von Grenz­ flächenladungen und Inversionsschicht entsteht im Halbleitersubstrat die Raumladungszone (3), in welcher beim Einsatz der Solarzelle durch Photonen generierte Elektron-Loch-Paare in Elektronen und in Defektelektronen getrennt werden.

Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Dielektrika keine ausreichende Langzeitstabilität bei Lichtein­ wirkung haben, das heißt, daß die Strombelastbarkeit abnimmt, wenn die Solarzellen Licht­ strahlen ausgesetzt sind. Zur Vermeidung dieses Nachteils weist erfindungsgemäß die Antireflexionsschicht eine Teilschicht aus Cäsium auf, bevorzugt in Form einer Verbindung. Gegenüber den bekannten dielektrischen Materialien ist Cäsium nicht als Dielektrikum einzustufen. Vergleichsweise elektrisch gut leitend, weist es eine geringe Austrittsarbeit auf. Entsprechendes gilt für die in Betracht kommenden Cäsium-Verbindungen. Diese Eigenschaft führt ohne die Notwendigkeit von festen Grenzflächenladungen direkt zur Erzeugung einer Inversionsschicht (4) mit der oben genannten Wirkung.

Die Antireflexionsschicht kann aus einer Folge von drei Teilschichten bestehen, wovon die erste Teilschicht (5) aus einem Siliziumoxid und die im Anschluß an die Cäsium aufweisende Teilschicht (6) vorgesehene, ab­ schließende, gleichzeitig als Schutzschicht dienende, dritte Teilschicht (7) aus Siliziumnitrid gebildet ist. Die letztere ist zur Gewährleistung der Kontaktierung des Kontaktmusters (8) sehr dünn ausgeführt. Dabei kann die erste Teilschicht (5) die natürlich entstandene Oxidschicht (10) des Substratmaterials oder eine auf dieser gezielt hergestellte dielektrische Schicht sein. Die Isolierzwischenschicht (9) kann dünner sein als die erste Teilschicht (5).

Die zweite, aus Cäsium oder einer seiner Verbindungen bestehende Teilschicht (6) ist durch Aufdampfen aufgebracht. Ihre Dicke kann nur im Zusammenhang mit der Bemessung der Antireflexionsschicht betrachtet werden. Letztere ist in bekannter Weise durch die jeweilige Forderung nach Optimierung des Anti­ reflexionsverhaltens festgelegt und entsprechend ein­ zustellen. Im Beispiel weist eine Antireflexionsschicht aus drei Teilschichten eine erste Teilschicht (5) aus Siliziumoxid mit 10 nm Dicke, eine zweite Teilschicht aus Cäsiumoxid (6) mit 25 nm Dicke und eine abschließende dritte Teilschicht (7) aus Siliziumnitrid mit 40 nm Dicke auf.

Je nach den Anforderungen an die Eigenschaften der Solarzelle kann die Cäsium oder eine seiner Verbindungen enthaltende Schicht in einer Dicke von 1 bis 50 nm ausgebildet sein. Durch die sehr geringe Austritts­ arbeit induzieren Cäsium oder seine Verbindungen auch zwischen den Kontaktmusterfingern (8) einen pn-Übergang, wodurch ein hoch leitfähiger Kanal in der Substrat­ oberflächenschicht entsteht, der an die unter den Kontaktmusterfingern befindliche Inversionsschicht angekoppelt ist.

Höhere Stabilität gemäß der Aufgabenstellung wird durch ohmische Verbindung der Schicht (6) aus oder mit Cäsium mit der strukturierten Kontaktelektrode erzielt, wie dies in der Figur dargestellt ist. Injizierte Ladungs­ träger werden erheblich weniger an Haftstellen der Dielektrika fixiert, sondern können in die Kontakt­ elektrode abfließen. Bei Berücksichtigung der natürlich entstandenen Halbleiteroxidschicht ist die photo­ induzierte Erzeugung von Haftstellen an der Grenz­ fläche Isolierzwischenschicht - Halbleitersubstrat vernachlässigbar.

Claims (5)

1. Solarzelle, bei welcher ein Substrat (1) aus halbleitendem Material mit p-Leitfähigkeit

• - an der für Lichteinwirkung vorgesehenen einen Oberfläche, der Vorderseite, mit einer strukturierten Kontaktelektrode (8),
• - an der anderen Oberfläche, der Rückseite, mit einer durchgehenden, ohmischen Kontaktschicht (2) und
• - an den nicht kontaktierten Abschnitten der Vorderseite mit einer Antireflexionsschicht versehen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Antireflexionsschicht aus Teilschichten besteht, von welchen eine aus Cäsium oder einer seiner Verbindungen gebildet ist.

2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Cäsium in Form der Verbindung Cäsiumchlorid vorgesehen ist.

3. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Cäsium in Form der Verbindung Cäsiumoxid vorgesehen ist.

4. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Cäsium aufweisende Teilschicht (6) der Antireflexionsschicht mit der strukturierten Kontaktelektrode (8) ohmisch verbunden ist.