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Dokumentenidentifikation DE69330835T3 22.02.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000673550
Titel Verfahren zur Herstellung einer Tandemphotovoltaikvorrichtung mit verbessertem Wirkungsgrad und dadurch hergestellte Vorrichtung
Anmelder United Solar Systems Corp., Troy, Mich., US
Erfinder GUHA, Subhendu, Troy, US;
YANG, C., Chi, Troy, US
Vertreter Diehl & Partner, 80333 München
DE-Aktenzeichen 69330835
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 01.12.1993
EP-Aktenzeichen 949024905
WO-Anmeldetag 01.12.1993
PCT-Aktenzeichen PCT/US93/11697
WO-Veröffentlichungsnummer 1994014199
WO-Veröffentlichungsdatum 23.06.1994
EP-Offenlegungsdatum 27.09.1995
EP date of grant 26.09.2001
EPO date of publication of amended patent 13.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse H01L 31/075(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01L 31/18(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Tandemphotovoltaikvorrichtungen.

Hintergrund der Erfindung

Photovoltaikvorrichtungen wandeln das absorbierte Licht direkt in elektrische Energie um. Sie sind geräuschlos und umweltfreundlich im Betrieb und entwickeln sich zu einer Stromquelle von zunehmender Bedeutung. Tandemphotovoltaikvorrichtungen umfassen eine Vielzahl von einzelnen Zellen, die in einem optischen und elektrischen Reihenverhältnis auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Das Licht durchdringt die gestapelten Zellen der Reihe nach und die dabei erzeugten Spannungen sind additiv.

Tandemvorrichtungen verfügen allgemein über einen höheren Wirkungsgrad als einzellige Vorrichtungen, da die Dicke der einzelnen Zellen zur Erhöhung des Wirkungsgrads optimiert werden kann und die Verwendung einer Stapelanordnung die Ausnutzung des gesamten einfallenden Lichts erlaubt. In einigen Fällen sind die Bandlücken der aktiven Schichten der Zellen von Tandemvorrichtungen verschieden, so dass die oberste Zelle Licht mit kurzer Wellenlänge absorbiert und die untere Zelle das unabsorbierte Licht mit langer Wellenlänge absorbiert. Auf diese Weise kann ein relativ großer Teil des Sonnenspektrums genutzt werden.

Leistung ist der wichtigste Faktor bei jeder Photovoltaikvorrichtung, und die Leistung kann auf den Wirkungsgrad im Betrieb und auf die Fertigungsleistung bezogen werden. Der Wirkungsgrad im Betrieb wird durch den Prozentsatz der einfallenden Lichtenergie bestimmt, die von der Photovoltaikvorrichtung in Strom umgewandelt wird. Es ist offensichtlich, dass dieser Wirkungsgrad möglichst hoch sein sollte, damit die Fläche einer Photovoltaikvorrichtung, die zur Erzeugung einer bestimmten Strommenge erforderlich ist, minimiert wird. Die Fertigungsleistung wird an den Kosten gemessen, die bei der Produktion der Vorrichtungen anfallen. Es ist klar, dass sich die beiden Parameter beeinflussen. Eine sehr teure Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad kann eine geringere kommerzielle Bedeutung haben als eine billige Vorrichtung mit bescheidenerem Wirkungsgrad.

Der Wirkungsgrad im Betrieb hängt sowohl von der Qualität des Photovoltaikmaterials als auch von der Konfiguration der Vorrichtung ab. Die Materialqualität ist ein Maß der Dichte der Fehlerzustände in einem Halbleitermaterial, und die Materialqualität entspricht der Dichte der Zustände in der Bandlücke des Materials. Die direkte Messung der Materialqualität ist schwierig, lässt sich aber leicht auf die Leistung einer Vorrichtung beziehen, die dieses Material enthält. Die meisten Photovoltaikvorrichtungen werden bei Gebrauch in gewissem Maße einer Photodegradation ausgesetzt, die ihren Wirkungsgrad mindert. Das Ausmaß dieser Photodegradation ist unterschiedlich, und es wurde festgestellt, dass sowohl der anfängliche Wirkungsgrad der Vorrichtung als auch die Wahrscheinlichkeit seines Nachlassens bei Gebrauch von der Qualität des Materials abhängig ist, aus dem die Vorrichtung hergestellt ist. Es wurde festgestellt, dass die Materialqualität zumindest teilweise von den Herstellungsbedingungen abhängig ist. Bei Dünnschichtlegierungsmaterialien wie z.B. Materialien der Gruppe IVA, die durch Glimmentladung hergestellt werden, wurden Abscheideparameter wie das Energieniveau, der Gasdruck und die Abscheiderate mit der Materialqualität in Wechselbeziehung gebracht. Auch die Konfiguration der Photovoltaikvorrichtung ist für den Wirkungsgrad determinierend. Wie oben erwähnt, wird die Tandemanordnung der Zellen häufig benutzt, um Vorrichtungen mit hohem Wirkungsgrad zu erhalten, und es ist notwendig, die elektrischen Parameter der verschiedenen Zellen, die in der Tandemvorrichtung enthalten sind, wie nachstehend ausführlicher beschrieben zu regeln, um den Strom und die Spannung zu optimieren, die von dieser erzeugt werden. Die Regelung dieser Parameter ist vor allem dann wichtig, wenn eine Vorrichtung Zellen mit verschiedenen Bandlücken umfasst.

Die Fertigungsleistung ist eng mit der Nutzung der Rohstoffe und mit der Geschwindigkeit verknüpft, mit der die Vorrichtungen hergestellt werden. Generell wird von einer Produktionsanlage ein maximaler Ausstoß erwartet, und bei der Herstellung von Photovoltaikvorrichtungen bedeutet dies eine schnelle Ablagerung der einzelnen Halbleiterschichten. Es wurde festgestellt, dass die Photovoltaikmaterialien, die mit relativ hohen Abscheideraten hergestellt werden, allgemein von niedrigerer Qualität sind als solche, die mit langsamerer Abscheiderate hergestellt werden, weshalb eine hohe Produktionsgeschwindigkeit oft zu Lasten des Wirkungsgrads der Vorrichtung geht. Langsame Abscheideraten lassen sich bis zu einem gewissen Grad durch Verwendung einer größeren Produktionsanlage kompensieren, jedoch mit höheren Betriebskosten. Daraus wird ersichtlich, dass bei der Produktion von Photovoltaikvorrichtungen häufig ein Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Fertigungsleistung gesucht werden muss, vor allem bei der Massenproduktion von relativ billigen verbraucherorientierten Produkten. Daher ist jedes Verfahren oder jede Konfiguration der Vorrichtung, die in der Lage ist, den Wirkungsgrad einer Photovoltaikvorrichtung oder die Fertigungsleistung zu erhöhen, ohne die anderen Parameter nachteilig zu beeinflussen, von erheblicher kommerzieller Bedeutung.

Die vorliegende Erfindung stellt, wie unten ausführlich beschrieben, ein relativ schnelles, effizientes Verfahren zur Herstellung von Tandemphotovoltaikvorrichtungen mit hohem Wirkungsgrad bereit. Die vorliegende Erfindung ist auch für die Massenproduktion von verbraucherorientierten Photovoltaikvorrichtungen geeignet, die zum Beispiel zur Stromerzeugung verwendet werden. Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Zeichnung, Diskussion und Beschreibung ersichtlich:

„IEEE Transactions on Electron Devices" Vol. 37, Nr.7, Juli 1990, Seiten 1758–1762 betrifft eine Tandemsolarzelle, die durch eine untere a-SiGe P-I-N-Zelle und eine obere a-Si P-I-N-Zelle gebildet wird, wobei die obere Zelle einen Kurzschlussphotostrom hat, der kleiner ist als der Kurzschlussphotostrom der unteren Zelle, wie durch Computersimulation nachgewiesen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Hierin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Tandemphotovoltaikvorrichtung des Typs offenbart, der eine Stapelanordnung aus Photovoltaikzellen umfasst, die in einem optischen und elektrischen Reihenverhältnis angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat mit einer darauf angeordneten ersten Zelle und einer zweiten Zelle, die mit der ersten in einem überlagernden Verhältnis steht. Jede Zelle umfasst eine erste Schicht aus im Wesentlichen intrinsischem Halbleitermaterial, das zwischen einer Schicht aus P-dotiertem Halbleitermaterial und einer Schicht aus N-dotiertem Halbleitermaterial liegt. Die erste Zelle wird betrieben, wenn sie in der Tandemphotovoltaikvorrichtung integriert ist und diese Vorrichtung einer Beleuchtung ausgesetzt wird, um durch das von ihr absorbierte Licht einen ersten Photostrom zu erzeugen. Die so angeordnete zweite Zelle wird betrieben, wenn sie einer Beleuchtung ausgesetzt wird, um einen zweiten Photostrom zu erzeugen. Dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß wird die Dicke der Schicht aus im Wesentlichen intrinsischem Halbleitermaterial der zweiten Zelle so gewählt, dass der zweite Photostrom kleiner ist als der erste Photostrom, und die erste und zweite intrinsische Schicht werden durch Abscheideverfahren hergestellt, wobei die Materialqualität der zweiten Schicht höher ist als die Materialqualität der ersten Schicht.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel wird die erste intrinsische Schicht durch ein schnelles mikrowellenerregtes Verfahren hergestellt, und die zweite intrinsische Schicht durch ein langsameres hochfrequenzerregtes Abscheideverfahren. In anderen Fällen umfasst die Vorrichtung zudem eine dritte Zelle, die zwischen der ersten und der zweiten liegt. Die dritte Zelle wird betrieben, um einen dritten Photostrom zu erzeugen, und erfindungsgemäß ist der Photostrom der zweiten Zelle kleiner als der Photostrom der ersten und der dritten Zelle. Die Materialqualität der intrinsischen Schicht der dritten Schicht kann, in einigen Fällen, zwischen der Materialqualität der intrinsischen Schichten der ersten und der zweiten Zelle liegen. In einigen Fällen sind die intrinsischen Schichten der einzelnen Zellen aus Materialien mit verschiedenen Bandlücken hergestellt.

Die Erfindung ist gemäß den Ansprüchen definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

1 ist eine Querschnittsansicht einer Tandemphotovoltaikvorrichtung, die den Prinzipien gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

1 zeigt eine Tandemphotovoltaikvorrichtung 10 des Typs, der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Stapelanordnung aus den Photovoltaikzellen 18a18c, die zwischen einer Substratelektrode 12 und einer oberen Elektrode 26 liegt.

Die Vorrichtung 10 wird auf einem Substrat 12 hergestellt, das die darüberliegenden Halbleiterschichten trägt und die untere Elektrode der Vorrichtung darstellt. Das Substrat 12 kann einen Körper aus Edelstahl oder einem ähnlichen Metall aufweisen, oder aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. Polymer, Keramik oder Glas, das mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Substrat 12 ein zusammengesetztes Substrat, das ein elektrisch leitendes Unterteil 14, vorzugsweise aus Edelstahl, und eine darauf befindliche lichtreflektierende Beschichtung 16 umfasst, z.B. eine Schicht aus Silber oder Aluminium. In diesem Fall dient die lichtreflektierende Schicht 16 der zusätzlichen Erhöhung des Wirkungsgrads der Photovoltaikvorrichtung, indem sie das unabsorbierte Licht durch diese zurückleitet. Auf der reflektierenden Schicht 16 kann in einigen Fällen eine Schicht aus einem elektrisch leitenden, im Wesentlichen transparenten Material wie z.B. Zinkoxid angeordnet werden. Wie dem Fachmann wohlbekannt, werden in Photovoltaikvorrichtungen Reflektoren mit diversen Konfigurationen benutzt, die alle in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Deshalb schließt der Begriff „Substrat" im Kontext dieser Offenbarung sowohl metallische Substrate als auch elektrisch isolierende Substrate mit einer elektrisch leitenden Beschichtung ein, und außerdem alle lichtreflektierenden Strukturen, die zum Substrat gehören.

Auf dem Substrat 12 ist eine erste Photovoltaikzelle 18a angeordnet. Diese Zelle hat eine Konfiguration des Typs P-I-N und umfasst einen Körper aus einem im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterial 20a, der zwischen einer Schicht aus P-dotiertem Halbleitermaterial und einer Schicht aus N-dotiertem Halbleitermaterial liegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Schicht aus N-dotiertem Halbleitermaterial 22a dem Substrat am nächsten, und die Schicht aus P-dotiertem Halbleitermaterial 24a liegt auf der entgegengesetzten Seite des intrinsischen Körpers 20a. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung der P-dotierten Schicht 22a und der N-dotierten Schicht 24a in einigen Fällen umgekehrt sein kann. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Schicht aus intrinsischem Material 20a als eine Schicht aus „im Wesentlichen" intrinsischem Material bezeichnet wird, da dieses Material eine leichte P-Dotierung oder eine leichte N-Dotierung aufweisen kann. Wie dem Fachmann wohlbekannt, führt die Lichtabsorption in der intrinsischen Schicht bei einer Photovoltaikvorrichtung des Typs P-I-N zur Entstehung von Elektronlochpaaren, die durch ein Feld getrennt werden, das durch die dotierten Schichten erzeugt wird. Die getrennten Ladungsträger werden gesammelt und tragen zum Photostrom bei, der von der Zelle erzeugt wird.

Eine Tandemphotovoltaikvorrichtung umfasst mindestens zwei gestapelte Photovoltaikzellen, und im Kontext dieser Offenbarung umfasst die Vorrichtung 10 eine zweite Photovoltaikzelle 18c, die in einem überlagernden Verhältnis zur ersten Zelle 18a angeordnet ist. Die zweite Zelle 18c umfasst einen Körper aus einem im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterial 20c, der zwischen einer Schicht aus N-dotiertem Halbleitermaterial 22c und einer Schicht aus P-dotiertem Halbleitermaterial 24c liegt. Die Tandemvorrichtung kann darüber hinaus weitere Zellen umfassen, die zwischen der ersten Zelle 18a und der zweiten Zelle 18c angeordnet sind, und wie hier dargestellt, umfasst die Vorrichtung 10 eine dritte Zelle 18b, die eine Schicht aus im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterial 20b umfasst, die zwischen einer N-dotierten Schicht 22b und einer P-dotiertem Schicht 24b liegt.

Die Vorrichtung 10 umfasst außerdem eine obere Elektrode 26, die in diesem speziellen Ausführungsbeispiel eine lichtdurchlässige Elektrode ist, die aus einem transparenten leitfähigen Oxidmaterial (TCO) wie Indiumoxid, Zinnoxid, Zinkoxid und diversen anderen ähnlichen Materialien hergestellt ist. Wie auch in der Figur gezeigt, umfasst die Vorrichtung überdies ein elektrisch leitendes Gitter 28, das auf der oberen Elektrode 26 liegt. Das Gitter 28 ist aus einem gut leitenden Material wie z.B. eine metallische Paste oder Folie hergestellt und dient dazu, den Photostrom aus der oberen Elektrode 26 zu sammeln und zu einem Sammelpunkt zu leiten. In einigen Fällen kann die Tandemphotovoltaikvorrichtung mit einer umgekehrten Konfiguration hergestellt werden, bei der das Substrat 12 stromleitend und transparent ist und die obere Elektrode 26 metallisch.

Bei der Photovoltaikvorrichtung 10 in 1 geht das Licht durch die transparente obere Elektrode 26 durch und wird zuerst von der zweiten Zelle 18c absorbiert, um einen Photostrom zu erzeugen. Das unabsorbierte Licht geht dann von der zweiten Zelle 18c in die dritte Zelle 18b, wo es zum Teil absorbiert wird, um einen weiteren Photostrom zu erzeugen. Das restliche Licht geht in die erste Zelle 18a, wo es absorbiert wird, um einen Photostrom zu erzeugen. Jegliches verbleibende Licht wird von der reflektierenden Beschichtung 16 für einen zweiten Durchlauf durch die gestapelten Zellen zurückgeleitet.

Da das Licht die Vorrichtungen der Reihe nach durchläuft, sind diese in einem sogenannten optischen Reihenverhältnis angeordnet. Die Zellen sind auch in einem elektrischen Reihenverhältnis angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die intrinsischen Schichten 20 der Zellen 18 eine unterschiedliche Dicke haben. Der Grund für diesen Dickenunterschied ist der Ausgleich des Photostroms, der von jeder der Zellen 18a erzeugt wird, da die Vorrichtung der herkömmlichen Lehre gemäß den maximalen Wirkungsgrad erreicht, wenn die Ströme gleich sind. Wenn das Licht die Vorrichtung 10 durchdringt, wird es abgeschwächt, und daher muss die unterste intrinsische Schicht 20a dicker sein als die oberste intrinsische Schicht 20c, wenn die erste Zelle 18a und die zweite Zelle 18c gleiche Ströme erzeugen sollen.

Wie oben erwähnt, können die verschiedenen Zellen 18 der Vorrichtung 10 intrinsische Schichten 20 umfassen, die alle dieselbe Bandlücke haben, oder sie können intrinsische Schichten 20 mit verschiedenen Bandlücken haben. Die Lichtabsorption durch ein Halbleitermaterial ist von seiner Bandlücke abhängig, und Materialien mit breiter Bandlücke weisen eine optische Absorption auf, die bei höheren Energien (optischer Rand) beginnt als bei Materialien mit einer engeren Bandlücke. Daher wird bei der Herstellung von Tandemvorrichtungen mit mehreren Bandlücken die unterste intrinsische Schicht aus einem Material mit relativ kleiner Bandlücke hergestellt, und die oberste Schicht wird aus einem Material mit relativ großer Bandlücke hergestellt. Auf diese Weise absorbiert die oberste Zelle nur Licht mit kürzerer Wellenlänge, während die unterste Zelle primär Licht mit längerer Wellenlänge absorbiert.

In einer typischen Tandemphotovoltaikvorrichtung umfasst das Substrat 12 eine Schicht aus Edelstahl, und die erste Zelle 18a umfasst eine intrinsische Schicht aus einer amorphes Silizium-Wasserstoff-Germanium-Legierung von etwa 2000 Angström Dicke, die zwischen relativ dünnen Schichten aus einem N-dotierten 22a und P-dotierten 24a Silizium-Wasserstoff-Legierungsmaterial liegt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schicht aus P-dotiertem Material 24a eine mikrokristalline Schicht. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die zweite Zelle 18b eine etwa 3000 Angström dicke intrinsische Schicht 20b aus einer amorphes Silizium-Wasserstoff-Legierung, die, wie bereits erwähnt, zwischen einer N-dotierten Schicht 22b und einer P-dotierten Schicht 24b liegt. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die oberste Zelle 18c im großen und ganzen der mittleren Zelle 18b, mit der Ausnahme, dass die Dicke ihrer intrinsische Schicht 20c etwa 800 bis 1000 Angström beträgt.

Wie oben erwähnt, gebietet die herkömmliche Lehre, dass die Zellendicke so zu optimieren ist, dass die von ihnen erzeugten Ströme gleich sind, um eine optimale Leistung der Vorrichtung zu erhalten. Es wurde den erfindungsgemäßen Prinzipien entsprechend festgestellt, dass in einer Tandemvorrichtung die Zelle, die den geringsten Strom erzeugt, dazu tendiert, die Eigenschaften der Gesamtvorrichtung zu dominieren. Das heißt, der Beitrag einer Zelle mit niedrigem Strom zur Gesamtleistung der Vorrichtung steht in keinem Verhältnis zum Beitrag der übrigen Zellen. Wie oben erwähnt, hängt die Zellenleistung in hohem Maße von der Qualität des Materials ab, aus dem die intrinsische Schicht der Zelle besteht. Ein Maß für die Zellenleistung ist der Füllfaktor. Der Füllfaktor ist ein in der Fachwelt anerkannter Vorrichtungsparameter und wird anhand der Strom-/Spannungskennlinie der Vorrichtung ermittelt, wobei diese einer Beleuchtung ausgesetzt wird. Bei der Erstellung einer Kennlinie dieses Typs wird die photogenerierte Spannung als eine Funktion der Last gemessen, die an die Zelle angelegt wird, wobei diese Last von einem Kurzschlusszustand bis zu einer unendlichen Last (z.B. offener Stromkreis) variiert, und von diesen Daten ausgehend wird eine Reihe von Punkten graphisch ausgegeben, um die Kennlinie der Vorrichtung darzustellen. Der Füllfaktor ist ein Maß der Abweichung, von einem Idealzustand, des unter der Kennlinie liegenden Bereichs, und je näher der Wert des Füllfaktors an 1,0 liegt, um so mehr Nutzstrom wird von der Zelle bereitgestellt.

Es wurde festgestellt, dass bei Tandemvorrichtungen, bei denen der Füllfaktor der oberen Zelle und der Füllfaktor der unteren Zelle den gleichen Wert haben, zum Beispiel 10 % unter dem theoretischen, der Gesamtfüllfaktor der sich ergebenden Tandemvorrichtung denselben Wert hat, d.h. 10 % unter dem Idealwert. Wenn der Füllfaktor der oberen Zelle um 10 % unter dem Idealwert und der Füllfaktor der unteren Zelle um 20 % unter dem Idealwert liegt, dann liegt der Gesamtfüllfaktor der Vorrichtung um etwa 12 % unter dem Idealwert, wenn die erste Zelle die dominante Zelle ist, und um etwa 18 % unter dem Idealwert, wenn die zweite Zelle die dominante Zelle ist. Vergleichbare Werte gelten für die umgekehrte Situation, wenn die obere Zelle von geringerer Qualität ist.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Abweichung von der Lehre des bisherigen Stands der Technik in Bezug auf Tandemvorrichtungen dar. Der bisherige Stand der Technik lehrt, dass die Photoströme von den Zellen einer Tandemvorrichtung gleich zu sein haben. Die vorliegende Erfindung anerkennt, dass die Zelle, die den geringsten Strom erzeugt, unverhältnismäßig zur Leistung der Vorrichtung beiträgt, und gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung lässt sich die Gesamtleistung der Vorrichtung erheblich verbessern und ein optimaler Kompromiss zwischen der Fertigungsleistung und dem Wirkungsgrad erreichen, wenn die Zelle mit der höchsten Qualität in einer Tandemvoltaikvorrichtung so hergestellt wird, dass sie die dominante Zelle ist. Deshalb wird die Vorrichtung so hergestellt, dass die Zelle mit den besten Materialeigenschaften einen etwas geringeren Photostrom erzeugt als die übrigen Zellen, wenn sie einer Beleuchtung ausgesetzt werden.

Generell wurde festgestellt, dass Herstellungsverfahren mit niedrigerer Abscheiderate Materialien von höherer Qualität ergeben, wenn auch auf Kosten der Fertigungsleistung. Aus diesem Grund ist es allgemein vorzuziehen, dass die oberste Zelle der Tandemvorrichtung, welche die dünnste Zelle ist, aus einem langsam abgelagerten Material von hoher Qualität hergestellt wird, und dass sie als die dominante Zelle konfiguriert wird.

Vakuumbeschichtungsverfahren umfassen, wie dem Fachmann wohlbekannt, Bedampfungs- und Zerstäubungsverfahren sowie Glimmentladungsabscheideverfahren. Für die Herstellung von Dünnschichthalbleitermaterialien, insbesondere von Halbleitermaterialien der Gruppe IVA, werden allgemein Glimmentladungsabscheideverfahren bevorzugt. Bekanntlich wird bei Verfahren dieses Typs durch die Zuführung von elektromagnetischer Energie aus einem Prozessgasgemisch ein Plasma erzeugt, das einem Unterdruck ausgesetzt wird. Im Plasma wird dieses Prozessgas zersetzt und auf dem Substrat abgelagert, so dass eine Halbleiterschicht gebildet wird. Solche Verfahren werden z.B. in den US-Patentschriften 4,226,898 und 4,517,223 offenbart. Wie darin ausführlich beschrieben, kann die elektromagnetische Energie Gleichstromenergie, Hochfrequenzenergie oder Mikrowellenenergie umfassen, und es wurde festgestellt, dass mikrowellenerregte Abscheideverfahren hinsichtlich der Gasausnutzung und der Abscheideraten hocheffizient sind, und dass hochfrequenzerregte Verfahren, wenn auch etwas langsamer, Halbleiterschichten von höherer Qualität erzeugen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Tandemphotovoltaikvorrichtung durch ein Verfahren hergestellt, bei dem die unterste, relativ dicke Zelle durch ein mikrowellenerregtes Abscheideverfahren mit hoher Abscheiderate hergestellt wird, und die oberste, relativ dünne Zelle eine Vorrichtung von hoher Qualität ist, die vorzugsweise durch ein hochfrequenzerregtes Verfahren hergestellt wird. Die obere Zelle ist etwas dünner als von der herkömmlichen Lehre geboten, so dass sie einen Photostrom erzeugt, der kleiner ist als der Photostrom, der von der untersten Zelle erzeugt wird. Da die dominante obere Zelle relativ dünn ist, hat die Erhöhung der Abscheiderate und/oder der Größe der Produktionsanlage, die mit der Verwendung eines Verfahrens mit langsamer Abscheiderate einhergeht, nur einen geringen nachteiligen Einfluss auf die Fertigungsleistung und wird durch den Wirkungsgrad aufgewogen, der dadurch erhalten wird.

VERSUCHE

Eine Reihe von Photovoltaikvorrichtungen des Typs P-I-N und zwei Tandemvorrichtungen wurden den erfindungsgemäßen Prinzipien entsprechend hergestellt. Die Vorrichtungen wurden durch ein hochfrequenzerregtes Glimmentladungsabscheideverfahren auf Edelstahlsubstraten hergestellt.

Zur Herstellung einer ersten P-I-N-Vorrichtung wurde ein Substrat in eine Abscheidekammer gelegt, die dann von der Umgebungsluft abgekapselt wurde, und es wurde eine Atmosphäre mit 20 SCCM Wasserstoff, 0,75 SCCM einem 1 %igen Gemisch aus Phosphin in Wasserstoff und 0,65 SCCM Disilan durchgeleitet. Eine mit der Abscheidekammer verbundene Pumpe wurde so geregelt, dass darin ein Druck von 160 Pa (1,2 Torr) aufrechterhalten wurde. Das Substrat wurde auf eine Temperatur von 350 °C erhitzt und das Gasgemisch wurde durch eine Hochfrequenzenergie von 13,56 MHz erregt, aus einer Kathode mit etwa 8,9 cm (3,5 Inch) Durchmesser und bei 2 Watt Leistung. Die Abscheidebedingungen wurden beibehalten, bis ungefähr 200 Angström N-dotiertes Siliziumlegierungsmaterial auf dem Substrat abgelagert waren, wonach die Kathodenleistung abgestellt wurde. Auf der N-dotierten Schicht wurde dann eine 800 Angström dicke Schicht aus intrinsischem Material abgelagert, und zu diesem Zweck wurde eine Abscheideatmosphäre mit 20 SCCM Wasserstoff und 0,65 SCCM Disilan mit einem Druck von 160 Pa (1,2 Torr) durch die Kammer geleitet. Das Substrat wurde auf 225 °C gehalten und die Kathode wie zuvor lange genug eingeschaltet, um bei einer Abscheiderate von 2,2 Angström pro Sekunde eine 800 Angström dicke Schicht aus intrinsischem Material abzuscheiden. Im letzten Schritt wurde auf der intrinsischen Schicht eine mikrokristalline, P-dotierte Schicht abgelagert, unter Verwendung einer Atmosphäre mit 95 SCCM Wasserstoff, 3,25 SCCM eines 2 %igen Gemischs aus BF3 in Wasserstoff und 2,5 SCCM eines 5 %igen Gemischs aus Silan in Wasserstoff, die mit einem Druck von 236 Pa (1,77 Torr) durch die Kammer geleitet wurde. Die Kathode wurde dann eingeschaltet und die Abscheidebedingungen 65 Sekunden lang beibehalten. Die so hergestellte Vorrichtung wurde in einem herkömmlichen Vakuumbeschichtungsverfahren mit einer oberen Elektrode aus einem transparenten leitfähigen Oxid versehen.

Die Betriebsparameter der so erhaltenen Photovoltaikzelle wurde bei einer Beleuchtung mit einem AM 1,5-Sonnenspektrum gemessen. Die Messungen an der Vorrichtung wurden nach der Herstellung und nach 600-Stunden langer Aussetzung diesem AM 1,5-Sonnenspektrum gegenüber durchgeführt. Der Anfangswirkungsgrad der Zelle war 4,97 %, und nach der Photodegradation betrug er 4,33 %. Der Füllfaktor der Zelle im Neuzustand war 0,76 und nach der Degradation 0,703.

Es wurde eine zweite P-I-N-Zelle wie im ersten Beispiel hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Abscheiderate der intrinsischen Schicht 20 Angström pro Sekunde betrug und die Dicke der intrinsischen Schicht 1000 Angström. Diese Zelle wies einen Anfangswirkungsgrad von 4,52 % auf, und nach 600 Stunden langer Aussetzung einen Wirkungsgrad von 3,27 %. Der Füllfaktor der Zelle im Neuzustand war 0,70 und der Füllfaktor der Zelle nach der Degradation 0,575.

Es wurden zwei Tandemphotovoltaikvorrichtungen auf einem Edelstahlsubstrat hergestellt, das mit einer lichtreflektierenden Struktur aus einer Silberbeschichtung versehen war, die mit einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Zinkoxid bedeckt war. Die Abscheideverfahren entsprachen den vorherigen Versuchen. Beide Vorrichtungen wiesen im Wesentlichen identische untere Zellen auf, die aus einer Schicht aus im Wesentlichen intrinsischem amorphem Silizium: Germanium: Wasserstoff hergestellt wurden, die wie zuvor erwähnt zwischen einer P-dotierten und einer N-dotierten Schicht lagen. Die intrinsischen Schichten der oberen Zellen der Tandemvorrichtungen umfassten amorphes Silizium: Wasserstoff und wurden beide bei einer Temperatur von 300 °C aufgetragen. Die intrinsische Schicht der ersten Vorrichtung (L5319) wurde mit 1,2 Å/Sek. aufgetragen und die der zweiten (L5320) mit 8,8 Å/Sek. Die Betriebsparameter beider Vorrichtungen wurden nach der Herstellung und nach 163 Stunden langer Durchleuchtung unter einem simulierten AM 1,5-Sonnenspektrum. Die Parameter sind in der Tabelle 1 unten aufgeführt, und es ist offensichtlich, dass die Vorrichtung, deren obere Zelle die mit hoher Geschwindigkeit aufgetragen wurde, eine stärkere Degradation aufweist.

Aus dem vorstehenden wird ersichtlich, dass sich durch Regelung der Geometrie und der Materialeigenschaften Tandemphotovoltaikvorrichtungen mit erhöhtem Wirkungsgrad herstellen lassen. Insbesondere die Dicke der jeweiligen intrinsischen Schichten der Zellen der Tandemvorrichtung wird so reguliert, dass die Zelle mit der besten Materialqualität die Zelle ist, die den niedrigsten Photostrom erzeugt. Dieser Ansatz, auch wenn er der Intuition widerspricht, gewährleistet, dass die Materialeigenschaften der Zelle, die aus dem besten Material hergestellt ist, die Betriebsparameter der Tandemvorrichtung dominieren. Idealerweise wird die dünnste Zelle der Vorrichtung durch ein langsames Abscheideverfahren hergestellt, um bessere Materialeigenschaften zu erhalten, und die Dicke der intrinsischen Schicht dieser spezifischen Zelle wird etwas kleiner gewählt als notwendig ist, um den Strömen der übrigen Zellen zu entsprechen.

Es ist ersichtlich, dass sich diesen weit gefassten Prinzipien entsprechend verschiedene spezifische Verfahren einsetzen lassen, um die Produktion einer Vielzahl von Tandemphotovoltaikvorrichtungen mit unterschiedlicher Konfiguration zu ermöglichen. Zum Beispiel kann die Abscheidung durch Mikrowellen-, Hochfrequenz-, Gleichstromverfahren sowie durch chemische Bedampfungsverfahren mit Wärmeenergiezufuhr und Kombinationen davon erfolgen, um die geeigneten Dicke- und Materialqualitätsparameter zu erhalten. Die erfindungsgemäßen Prinzipien lassen sich an alle Tandemvorrichtungen anpassen, die zwei oder mehr Zellen haben, ob mit derselben Bandlücke oder mit verschiedenen Bandlücken. Es ist auch ersichtlich, dass die obige Zeichnung, die Diskussion, die Beschreibung und die Beispiele nur der Veranschaulichung der spezifischen Ausführungsbeispiele dieser Erfindung dienen und dass deren Umsetzung dadurch nicht beschränkt wird. Der Schutzbereich der Erfindung wird durch die nachstehenden Ansprüche definiert, die alle Äquivalente einschließen.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung einer Tandemphotovoltaikvorrichtung des Typs, der eine Stapelanordnung von Photovoltaikzellen umfasst, die in einem optischen und elektrischen Reihenverhältnis angeordnet sind, wobei die Anordnung umfasst:

ein Substrat mit einer ersten darauf angeordneten Photovoltaikzelle, wobei die erste Zelle umfasst:

eine erste Schicht eines im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials, das zwischen einer ersten Schicht eines P-dotierten Halbleitermaterials und einer ersten Schicht eines N-dotierten Halbleitermaterials angeordnet ist, wobei die erste Zelle arbeitet, wenn sie in die Tandemphotovoltaikvorrichtung eingebaut ist und die Vorrichtung einer Beleuchtung ausgesetzt ist, um einen ersten Photostrom als Reaktion auf die Absorption von Licht dadurch zu erzeugen; und

eine zweite Photovoltaikzelle die in überlagertem Verhältnis mit der ersten Photovoltaikzelle angeordnet ist, wobei die zweite Zelle eine zweite Schicht eines im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials mit einer vorbestimmten Dicke umfasst, die zwischen einer zweiten Schicht eines P-dotierten Halbleitermaterials und einer zweiten Schicht eines N-dotierten Halbleitermaterials angeordnet ist, wobei die zweite Zelle arbeitet, wenn sie in die Tandemphotovoltaikvorrichtung eingebaut ist und die Vorrichtung einer Beleuchtung ausgesetzt ist, um einen zweiten Photostrom als Reaktion auf die Absorption der Beleuchtung dadurch zu erzeugen, wobei das Verfahren in Kombination umfasst:

Auswählen der Dicke der zweiten Schicht eines im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials, so dass der zweite Photostrom geringer ist als der erste Photostrom; und

Bereiten der ersten Schicht des im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials durch ein erstes Abscheideverfahren und der zweiten Schicht des im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials durch ein zweites Abscheideverfahren, wobei die Qualität des Materials des zweiten im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials, das durch das zweite Verfahren bereitet wurde, höher ist als die Qualität des Materials des ersten im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials, das durch das erste Abscheideverfahren bereitet wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Abscheiderate in dem ersten Verfahren höher ist als die Abscheiderate in dem zweiten Verfahren. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das erste Abscheideverfahren ein mikrowellenerregtes Glimmentladungsabscheideverfahren ist und das zweite Abscheideverfahren ein hochfrequenzerregtes Glimmentladungsabscheideverfahren ist. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitens der ersten Schicht des im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials das Abscheiden einer Schicht eines Halbleitermaterials umfasst, das eine Bandlücke aufweist, die geringer ist als die Bandlücke einer zweiten Schicht eines im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Photovoltaikvorrichtung ferner eine dritte Photovoltaikzelle umfasst, die zwischen der ersten Zelle und der zweiten Zelle angeordnet ist, wobei die dritte Photovoltaikzelle eine dritte Schicht des im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials umfasst, das zwischen einer dritten Schicht eines P-dotierten Halbleitermaterials und einer dritten Schicht eines N-dotierten Halbleitermaterials angeordnet ist, wobei die dritte Zelle arbeitet, wenn sie in die Tandemphotovoltaikvorrichtung eingebaut ist und die Vorrichtung einer Beleuchtung ausgesetzt ist, um einen dritten Photostrom als Reaktion auf die Absorption von Licht dadurch zu erzeugen; wobei der Schritt der Auswahl der Dicke der zweiten Schicht des im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials ferner die Auswahl der Dicke umfasst, so dass der zweite Photostrom geringer ist als der dritte Photostrom, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Abscheidens der dritten Schicht des im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials durch ein drittes Abscheideverfahren umfasst, wobei die Qualität des Materials der dritten Schicht des im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials geringer ist als die Qualität des Materials der zweiten Schicht des im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Abscheiderate in dem dritten Verfahren höher ist als die Abscheiderate in dem zweiten Verfahren. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Qualität des Materials der dritten Schicht des im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials höher ist als die Qualität des Materials der ersten Schicht des im Wesentlichen intrinsischen Halbleitermaterials.






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