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Dokumentenidentifikation DE69636253T2 24.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000871979
Titel Verfahren zur Herstellung einer Silizium Solarzelle und so hergestellte Solarzelle
Anmelder Université de Neuchâtel, Neuchatel, CH
Erfinder MEIER, Johann, CH-2035 Corcelles, CH;
KROLL, Ulrich, CH-2035 Corcelles, CH
Vertreter Dr. Gassner & Partner, 91052 Erlangen
DE-Aktenzeichen 69636253
Vertragsstaaten CH, DE, ES, GB, GR, IT, LI, NL
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 30.10.1996
EP-Aktenzeichen 969342948
WO-Anmeldetag 30.10.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/CH96/00382
WO-Veröffentlichungsnummer 1997024769
WO-Veröffentlichungsdatum 10.07.1997
EP-Offenlegungsdatum 21.10.1998
EP date of grant 14.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 31/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01L 31/075(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumsolarzelle. Sie betrifft ferner eine Solarzelle, die mindestens ein Substrat, eine Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid und mindestens eine Schicht aus hydriertem Silizium umfasst, welche aus einer Teilschicht aus hydriertem positiv dotiertem Silizium, einer Teilschicht aus eigenleitendem hydriertem Silizium und einer Teilschicht aus hydriertem negativ dotiertem Silizium besteht.

Insbesondere auf dem Gebiet der Solarzellen verwendet man gegenwärtig amorphe Siliziumschichten als fotoelektrisch aktive Schichten. Insbesondere aufgrund der Tatsache, dass ihr Wirkungsgrad degradiert, wenn sie einer Belichtung ausgesetzt sind, weisen diese Schichten einen Nachteil auf. Diese Degradierung ist unter der Bezeichnung Staebler-Wronski-Effekt bekannt. Die dieses Material verwendenden Solarzellen verlieren rasch einen Teil ihres Nutzeffekts.

Versuche, in den Solarzellen mikrokristallines Silizium, auch nanokristallines Silizium genannt, einzusetzen, haben bisher fast alle zu schlechten Ergebnissen geführt. Aufgrund der bei dieser Art von Schichten erheblichen Fehlerquote eignen sie sich nicht für den Einsatz und die mikrokristalline Siliziumschicht ist nur mit einem Teil ihrer Dicke an dem Einfangen von Ladungsträgern beteiligt. Der Fotostrom ist folglich schwach und die Zelle nicht interessant. Diese Fehler wurden dem Material selbst zugeschrieben, welches demnach häufig als nicht verwendbar galt.

Verschiedene Studien, vor allem die in „Appl. Phys. Lett. 65(7), S. 860, 15. August 1994" veröffentlichte Schrift mit dem Titel „Complete microcrystalline p-i-n solar cell-Crystalline or amorphous cell behaviour?" von Meier, Flückiger, Keppner und Shah, haben ein Phänomen der unbeabsichtigten Dotierung nachgewiesen. Die Abscheidung einer Siliziumschicht mittels eines herkömmlichen Verfahrens wie der unter der Abkürzung CVD (Chemical Vapor Deposition) bekannten Dampfabscheidung oder eine Abscheidung durch Plasma in der Gegenwart von Silan, führt zu einer leicht negativ dotierten Schicht. Diese negative Dotierung stellt eine wenig interessante Schicht bereit, die in einer Solarzelle sogar unbrauchbar ist.

Bei einem Abscheidungsverfahren wurde versucht, diese negative Dotierung zu unterdrücken. Dieses Verfahren besteht darin, dem Beschichtungsgas ein Gas beizumengen, das eine positive Dotierung erzeugt, so dass die unbeabsichtigte negative Dotierung der mikrokristallinen Siliziumschicht kompensiert wird. Dieses Verfahren wurde insbesondere beschrieben in „IEEE first world Conference on Photovoltaic Energy Conversion", 5.–9. Dezember 1994, S. 409–412, „Intrinsic microcrystalline silicon-A promising new thin film solar cell material" von Meier, Dubail, Flückiger, Fischer, Keppner und Shah. Obwohl diese Schrift zu besonders interessanten Ergebnissen kommt, ist es schwierig, diese auf industrieller Ebene zu verwirklichen. Die Menge des in die Beschichtungskammer einzuführenden Dotierungsgas hängt von einer Reihe von Parametern ab, die schwierig zu kontrollieren sind. Diese Parameter sind insbesondere die Menge der Gasdesorption in der Beschichtungskammer, die Geschwindigkeit des Gasflusses und die Abscheidungsgeschwindigkeit der Schicht. Durch dieses Verfahren war es möglich, die Machbarkeit einer dieses Material verwendenden Schicht aufzuzeigen. Ferner konnte damit die Bedeutung gezeigt werden, die eine solche Schicht für die Verwirklichung von Solarzellen aufweist. Aufgrund von Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Parameter der Abscheidung lässt dieses Verfahren jedoch keine industrielle Anwendung zu und bleibt allein ein Laborverfahren.

Ferner wird in der Schrift „AMORPHOUS SILICON TECHNOLOGY 1995-MATERIAL RESEARCH SOCIETY SYMPOSIUM PROCEEDINGS", Bd. 377, 18.–21. April 1995, San Francisco, Kalifornien, USA, S. 39–44" von U. Kroll et al. ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus mikrokristallinem hydriertem Silizium beschrieben, die eine Schicht aus mikrokristallinem eigenleitendem hydriertem Silizium umfasst, welche 2 × 1018 Sauerstoffatome pro cm3 enthält. Diese Reduktion des Sauerstoffgehalts dient allein dazu, die durch eine Belichtung bewirkte Zersetzung der Eigenschaften der Schicht zu vermindern. Dagegen werden die Eigenschaften der Fotostromdichte nicht verbessert.

In dem Dokument „13th EUROPEAN PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE, 23.–27. Oktober 1995, Nizza, Frankreich, S. 1445–1450" wurden von J. Meier et al. mehrere Zellen beschrieben, die insbesondere mikrokristalline Siliziumschichten und amorphe Siliziumschichten umfassen. Es wird jedoch überhaupt kein Bezug auf eine Reduzierung des Sauerstoffgehalts der Schichten genommen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für die Herstellung einer Solarzelle ein industrielles Verfahren zum Abscheiden einer eigenleitenden mikrokristallinen oder nanokristallinen hydrierten Siliziumschicht bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Solarzellen auf industrielle Art und Weise zu verwirklichen, die elektrische Eigenschaften aufweisen, wobei insbesondere die Dichte des Fotostroms und die Stabilität gegenüber dem Stand der Technik interessant sind.

Die Erfindung betrifft genauer ausgedrückt ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle gemäß Anspruch 1.

In einer Variante betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle gemäß Anspruch 2.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Schritt des Abscheidens der Siliziumschicht das Erzeugen eines Plasmas des Beschichtungsgases, entweder durch Hochfrequenzanregung, vorzugsweise bei einer Frequenz von über 40 MHz, oder durch Anregung mittels Mikrowellen. In einer Variante umfasst der Schritt des Abscheidens der Siliziumschicht das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung mit dem Beschichtungsgases.

Das Beschichtungsgas besteht vorzugsweise aus Silan, Wasserstoff und/oder Argon, wobei der Silananteil zwischen 0,5 % und 15 % umfasst.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform geht dem Reinigungsschritt mindestens eines Beschichtungsgases ein Entgasungsschritt der Kammer voran.

Die festgelegten Ziele werden auch durch eine Solarzelle erreicht, die mindestens ein Substrat, eine Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid, eine hintere Kontaktschicht, und mindestens eine Schicht aus hydriertem Silizium enthält, dadurch gekennzeichnet:

  • – dass die Schicht aus hydriertem Silizium aus mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium besteht und eine erste äußere Teilschicht aus hydriertem positiv dotiertem Silizium, eine zweite äußere Teilschicht aus hydriertem negativ dotiertem Silizium und eine dritte Teilschicht aus hydriertem Silizium umfasst, welche zwischen den beiden äußeren Teilschichten angeordnet ist, wobei die dritte Teilschicht eigenleitend ist und weniger als 2 × 1019 Sauerstoffatome pro cm3 enthält.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Solarzelle eine Schicht aus hydriertem amorphem Silizium, die aus einer Teilschicht aus hydriertem positiv dotiertem amorphem Silizium, einer Teilschicht aus hydriertem amorphem eigenleitendem Silizium und einer Teilschicht aus hydriertem amorphem negativ dotiertem Silizium besteht, wobei diese Schicht zwischen der Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid und der Schicht aus mikrokristallinem oder nanokristallinem hydriertem Silizium angeordnet ist, welche weniger als 2 × l019 Sauerstoffatome pro cm3 enthält.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Solarzelle zwei Schichten aus hydriertem amorphem Silizium, die jeweils aus einer Teilschicht aus hydriertem positiv dotiertem amorphem Silizium, einer Teilschicht aus hydriertem eigenleitendem amorphem Silizium und einer Teilschicht aus hydriertem amorphen negativ dotiertem Silizium bestehen, wobei diese beiden Schichten aus hydriertem amorphem Silizium zwischen der Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid und der Schicht aus mikrokristallinem oder nanokristallinem hydriertem Silizium angeordnet sind, welche weniger als 2 × 1019 Sauerstoffatome pro cm3 enthält.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Solarzelle außerdem eine hintere reflektierende Schicht.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsvariante umfasst die Solarzelle mindestens zwei Schichten aus hydriertem Silizium, die jeweils aus einer Teilschicht aus hydriertem positiv dotiertem Silizium, einer Teilschicht aus hydriertem eigenleitendem Silizium und einer Teilschicht aus hydriertem negativ dotiertem Silizium bestehen, wobei alle positiv dotierten Teilschichten untereinander über mindestens einen positiven Seitenkanal verbunden sind, und alle negativ dotierten Teilschichten untereinander über mindestens einen negativen Seitenkanal verbunden sind, wobei jeder positive Seitenkanal nahe von und parallel zu einem der negativen Seitenkanäle angeordnet ist, und diese Seitenkanäle durch einen metallischen Kanal voneinander getrennt sind und die Schichten aus hydriertem Silizium aus mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium bestehen, wobei die Teilschichten aus hydriertem eigenleitendem mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium weniger als 2 × 1019 Sauerstoffatome pro cm3 enthalten.

In all diesen Ausführungsformen kann das Substrat entweder durchsichtig und an der Seite der Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid angeordnet sein, oder es kann an der der Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid gegenüberliegenden Seite angeordnet sein.

Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf verschiedene nicht einschränkende Ausführungsformen sowie auf die angefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:

1 die Abscheidevorrichtung zum Verwirklichen des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und

die 2 bis 6 vier Ausführungsformen der Solarzellen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.

Unter Bezugnahme auf 1 umfasst die Vorrichtung 10 einen Plasmareaktor 11, der aus einer Beschichtungskammer 12 besteht, welche eine erste Elektrode 13, die beispielsweise mit einem elektrischen Hochfrequengenerator 15 verbunden ist, und eine zweite Elektrode 14 enthält, die mit Masse verbunden ist. Die Elektroden sind einander gegenüber angeordnet. Die zweite Elektrode 14 umfasst einen Träger 16 zur Befestigung eines Substrats 17, welcher beispielsweise aus einer Glasscheibe geringer Dicke besteht. Die beiden Elektroden bilden zusammen mit dem Substrat einen kapazitives Element, welches die Erzeugung eines Plasmas ermöglicht, indem zwischen den Elektroden elektrische Entladungen hoher Frequenz erfolgen, wenn sich ein Gas in der Beschichtungskammer 12 befindet.

Die Vorrichtung 10 umfasst außerdem Mittel 18 zum Zuführen von Gas, die insbesondere einen oder mehrere Behälter 19, 20 und 20' für Gas sowie entsprechende Druckregelventile 21 und 22 zum Einführen verschiedener reiner Gase oder in Form von Mischungen in die Kammer 12 des Reaktors über mehrere Eingangswannen umfasst. Die Vorrichtung 10 umfasst außerdem Mittel 23 zum Extrahieren der Gase in der Kammer. In 1 ist eine turbomolekulare Pumpe 24 gezeigt, deren Ansaugseite über eine Wanne 25 mit der Kammer 12 verbunden ist, wobei eine erste Primärpumpe 26 auf die Pumpe 24 folgt. Eine zweite Primärpumpe 27 ist über eine Wanne 28 mit der Kammer 12 verbunden, wobei sich der Ausgang dieser Pumpe in einen Kreis 29 zum Evakuieren von Gasen verzweigt. Auch ein Manometer 30, der den Druck in der Beschichtungskammer 12 anzeigt, wurde gezeigt. Darüber hinaus sind verschiedene (nicht gezeigte) Mittel zum Erwärmen und Kühlen der Elektroden, des Substrats und der Kammer vorgesehen.

Die Vorrichtung 10 umfasst Mittel 31 zum Reinigen mindestens eines in die Kammer eingeführten Gases. Diese Reinigungsmittel umfassen insbesondere eine Vorrichtung 32 zur Beseitigung eines Teils des in dem für die Abscheidung verwendeten Gas enthaltenen Sauerstoffs, unabhängig von der chemischen Form des in dem Gas enthaltenen Sauerstoffs. Derartige Reinigungsmittel werden insbesondere unter dem Namen Mono TorrTM Silane Gas Purifier von der Firma SAES Pure Gas Inc. vertrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft im Wesentlichen nach herkömmlicher Art und Weise ab und umfasst einen Schritt zum Vorbereiten des Substrats, einen Schritt zur Konditionierung des Systems und einen Schritt des eigentlichen Abscheidens.

In dem Schritt zum Vorbereiten des Substrats wird das Substrat 17, welches aus Glas, Metall oder insbesondere einem synthetischen Material bestehen kann, in geeignete Abmessungen zerteilt und dann in mehreren Wasser- und Alkoholbädern gereinigt. Danach wird es auf dem Träger 16 angebracht und an der zweiten Elektrode 14 der Beschichtungskammer 12 befestigt.

In dem Schritt der Konditionierung des Systems evakuiert man die Kammer mittels verschiedener Pumpen 24, 26 und 27, bis ein Druck von 10–4 Pa erhalten wird. Danach entgast man die Beschichtungskammer 12, um den an ihren Wänden enthaltenen Sauerstoff und seine Verbindungen zu entfernen.

In dem Abscheideschritt, der gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Schritten neuartig ist, werden die Mittel 18 zum Zuführen von Gas so verzweigt, dass sie reinen Wasserstoff und/oder Argon sowie ein Gas, das eine Siliziumverbindung enthält, wie beispielsweise Silan (SiH4) der Beschichtungskammer 12 zuführen.

Dieses Silan wird in der Mischung aus Wasserstoff und Argon so verdünnt, dass die Mischung dieser drei Gase eine Silanmenge im Bereich von 3 % enthält.

Es ist auch möglich, nur Wasserstoff und Silan oder Argon und Silan zu verwenden. Die Verwendung einer Mischung aus Wasserstoff, Argon und Silan ermöglicht allerdings, die Abscheidegeschwindigkeit der mikrokristallinen Schicht erheblich zu erhöhen.

Die durch die Mittel zum Zuführen von Gas zugeführten Gase werden vor ihrer Einführung in die Beschichtungskammer in die Mittel 31 zum Reinigen eingebracht, um den darin enthaltenen Sauerstoff weitestgehend zu entfernen, unabhängig davon, welche chemische Form er annimmt. Diese Reinigung ist unverzichtbar, erfolgt sie nicht, so ist die erhaltene Schicht unbrauchbar.

Die Wanne 28 ist offen und die Pumpe 27 wird so betrieben, dass ein in dem Raum bestimmter absoluter Druck p eingehalten wird. Wenn der Druck stabilisiert ist, wird der Generator 15 in Gang gesetzt, um zwischen den beiden Elektroden und genauer gesagt zwischen dem Substrat 17 und der ersten Elektrode 13 ein Plasma zu erzeugen.

Es ist von Bedeutung, dass das Plasma sich aufgrund einer geeigneten Wahl der Parameter, wie des Drucks, des Abstands und der Dichte der elektrischen Energie mehr oder weniger auf die zwischen den beiden Elektroden befindliche Zone beschränkt.

Die Frequenz des für die Abscheidung verwendeten Plasma kann irgendeine sein. Die Wachstumsschnelligkeit der Schicht ist jedoch größer, wenn die Frequenz angehoben wird. Da das Kontaminierungsrisiko umgekehrt proportional zur Abscheideschnelligkeit ist, ist es interessanter, die Schicht bei einer höheren oder 70 MHz entsprechenden Frequenz abzuscheiden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Abscheideverfahren, welche eine herkömmliche Frequenz von 13,56 MHz einsetzen, Schichten von ebenso guter Qualität erzielen.

Ferner können andere bekannte Abscheideverfahren eingesetzt werden. Zu diesen Verfahren zählen insbesondere die unter der Abkürzung CVD (Chemical Vapor Deposition) bekannte chemische Gasphasenabscheidung, ein einen erhitzten Draht verwendendes Verfahren, das unter der Bezeichnung „hotwire technique" bekannt ist, ein unter der Bezeichnung „Remote Plasma" bekanntes Abscheideverfahren, in dem ein Plasma außerhalb der Beschichtungskammer erzeugt und danach in diese Kammer eingebracht wird, sowie ein Verfahren, in dem ein Plasma durch Mikrowellenanregung erzeugt wird.

Die 2 bis 5 zeigen vier Ausführungsformen der Solarzellen gemäß der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigt 2 eine einfache Solarzelle 40, die ein durchsichtiges Substrat 41 enthält, auf dem eine Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid 42 abgeschieden ist. Das Substrat kann aus Glas der Marke Dow Corning® mit einer Dicke von 0,8 mm bestehen.

Die folgende Schicht spielt die Rolle der fotoelektrisch aktiven Schicht und besteht aus drei Teilschichten, die eine p-i-n-Verbindung bilden. Diese Schicht 43 besteht aus hydriertem mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium, wobei die dem Substrat nächste Teilschicht 44 positiv dotiert, die mittlere Teilschicht 45 eigenleitend und die letzte Teilschicht 46 negativ dotiert ist. Diese mikrokristalline Schicht 43 enthält wenig Sauerstoff, was die Verwirklichung einer Schicht guter Qualität ermöglicht, die in einer Solarzelle verwendet werden kann. Gemäß konkreten Versuchen muss die Anzahl von Sauerstoffatomen pro Kubikzentimeter des abgeschiedenen Materials unter 2 × 1019 sein, um eine Solarzelle zu verwirklichen, in der die gesamte Dicke der Schicht aus hydriertem mikrokristallinem Silizium fotoelektrisch aktiv ist. Ein typischer Wert für den Sauerstoffgehalt in der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung abgeschiedenen Schicht aus mikrokristallinem Silizium ist in der Größenordnung von 1018 Atomen pro cm3. Der mit einer solchen Zelle erhaltene Fotostrom ist also bei einem normalisierten Spektrum von AM 1,5 höher als 20 mA/cm2.

Schließlich enthält die Zelle eine hintere Kontaktschicht 47, die beispielsweise aus Zinkoxid besteht, sowie eine reflektierende Schicht 48 aus Silber oder Aluminium, die angeordnet ist, um die durch die Zelle einfallenden Strahlen zurückzustrahlen.

Durch die Verringerung der Sauerstoffmenge, die während des Abscheidens der Schicht aus hydriertem mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium vorhanden ist, kann die durch den Sauerstoff in dieser Schicht verursachte Fehleranzahl erheblich reduziert werden, so dass sie in einer Solarzelle verwendet werden kann. Die Zellen, die eine solche Schicht enthalten, erweisen sich als deutlich stabiler, wenn sie intensiver Bestrahlung ausgesetzt sind, als die herkömmlichen Zellen aus amorphem Silizium.

3 zeigt eine Zelle 50, die eine allgemein unter der Bezeichnung „Tandem"-Struktur bekannte Struktur aufweist. Wie in der in 2 dargestellten Zelle umfasst sie ein Substrat 41, eine Schicht aus einem leitfähigen transparenten Oxid 42, eine Schicht aus hydriertem mikrokristallinem Silizium 43, die aus drei Teilschichten 44, 45 und 46 gebildet wird, welche identisch mit den Teilschichten der Zelle aus 2 sind, eine hintere Kontaktschicht 47 und eine reflektierende Schicht 48. Diese Zelle umfasst außerdem eine Schicht aus hydriertem amorphem Silizium 51, welche aus drei Teilschichten 52, 53 und 54 besteht, die jeweils positiv dotiert, eigenleitend oder negativ dotiert sind und eine p-i-n-Verbindung bilden. Diese Schicht 51 ist zwischen der Oxidschicht 42 und der mikrokristallinen Schicht 43 angeordnet.

In einer Zelle, die eine solche Tandem-Struktur verwendet, werden die beiden Schichten 43 und 51 aus hydriertem Silizium so ausgeführt, dass sie für verschiedene Wellenlängen des einfallenden Lichts empfindlich sind. Diese Empfindlichkeit für verschiedene Wellenlängen hängt von der unzulässigen Bandbreite der die Schicht bildenden Materialien ab. Die Verwendung einer Schicht aus amorphem Silizium ermöglicht die einfache Umsetzung von Schichten mit verschiedenen unzulässigen Bandbreiten, die eine gute Ausnutzung des Lichts gestatten.

4 zeigt eine Ausführungsform einer dreifachen Solarzelle 60, die ein Substrat 41, eine Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid 42, eine erste Schicht 61 aus hydriertem amorphem Silizium ähnlich der Schicht 51 der Zelle 50 in 3, eine zweite Schicht 62 aus hydriertem amorphem Silizium auch ähnlich der Schicht 51 in 3 und eine Schicht 43 aus mikrokristallinem hydriertem Silizium ähnlich der Schicht 43 aus 3. Diese drei Schichten bilden drei p-i-n-Verbindungen und haben jeweils eine unterschiedliche unzulässige Bandbreite, so dass sie für verschiedene Wellenlängen empfindlich sind und das durch die Solarzelle eindringende Licht optimal nutzen. Die erste Schicht 61 aus hydriertem amorphem Silizium kann Kohlenstoff enthalten, was die unzulässige Bandbreite gegenüber einer ähnlichen Schicht aus hydriertem amorphem Silizium ohne zusätzliche Elemente erhöht. Die zweite Schicht 62 aus hydriertem amorphem Silizium kann Germanium enthalten, um die unzulässige Bandbreite der Schicht zu verringern.

5 zeigt eine einfache Solarzelle 70 von derselben Art wie die Zelle aus 2, die dieselben Schichten wie die Zelle 40 enthält. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Zellen besteht darin, dass das Licht das Substrat 41 nicht durchquert. Es dringt durch die dem Substrat gegenüberliegende Seite in die Zelle ein. Das Substrat dient als Träger für die Schichten und kann somit undurchsichtig sein. Dies ermöglicht eine größere Auswahl an Material, aus dem es bestehen kann. Insbesondere kann es aus Metall oder einem synthetischen Material bestehen, das angemessene physikalische Eigenschaften aufweist.

Da das Licht immer durch die positiv dotierte Teilschicht in eine Solarzelle eindringen muss, ist die erste auf das Substrat abzuscheidende Schicht negativ dotiert, so dass diese Schicht, in den in 2 bis 4 gezeigten Fällen, positiv dotiert wird. In dem in 5 gezeigten Fall bildet die Schicht eine n-i-p-Verbindung.

6 ist eine Querschnittansicht einer Ausführungsform einer Solarzelle 80, die ein Substrat 81 umfasst, auf dem mehrere Schichten 82, 83 und 84 aus mikrokristallinem hydriertem Silizium abgeschieden sind, welche jeweils negativ dotiert (82), eigenleitend (83) oder positiv dotiert (84) sind. In dieser Ausführungsform sind die die p-i-n-Verbindung bildenden Schichten in Stapeln abgeschieden, wobei die Stapel durch einen metallischen Kanal 85 voneinander getrennt sind. Außerdem sind alle negativ dotierten Schichten 82 desselben Stapels durch einen negativen Seitenkanal 86 miteinander verbunden. Auf ähnliche Weise sind alle positiv dotierten Schichten 84 desselben Stapels über einen positiven Seitenkanal 87 miteinander verbunden. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen werden die Schichten aus eigenleitendem Silizium nach der Entfernung von sauerstoffhaltigen Molekülen abgeschieden. Diese Ausführungsform ermöglicht eine erhebliche Stapelung der die p-i-n-Verbindungen bildenden Schichten.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschrieben, sondern erstreckt sich auf alle Abänderungen oder Varianten, die dem Fachmann ersichtlich sind. Insbesondere kann eine andere Abscheidevorrichtung als die beschriebene verwendet werden, solange diese Mittel zum Verringern des Sauerstoffgehalts in dem Abscheidegas enthält.

Ebenso ist die Verwendung einer Schicht aus mikrokristallinem Silizium nicht auf die oben beschriebenen Solarzellen beschränkt, sondern erstreckt sich auf alle Varianten, in denen die Verwendung einer solchen Schicht Vorteile bietet, sei es hinsichtlich der technischen Eigenschaften, sei es hinsichtlich der Nutzleistung oder ökonomischer Eigenschaften wie den Produktionskosten.

Es ist ebenso möglich, die Schicht aus hydriertem eigenleitendem mikrokristallinem Silizium, die sauerstoffarm ist, in anderen Elementen als Solarzellen einzusetzen. Insbesondere kann eine solche Schicht in Detetoren wie Infrarotdetektoren, optoelektronischen Detektoren, Röntgen-Detektoren oder Positionsdetektoren eingesetzt werden.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen einer Siliziumsolarzelle, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

– Säubern eines durchsichtigen Substrats (41), das mit einem durchsichtigen leitfähigen Oxid (42) versehen ist,

– Einbringen des Substrats in eine Beschichtungskammer (12), die vorher einen Evakuierungsschritt erfahren hat,

– Reinigen mindestens eines der Gase, aus denen das Beschichtungsgas besteht, um dessen Gehalt an Molekülen zu senken, die Sauerstoff enthalten, wobei das Beschichtungsgas eine Siliziumverbindung, Wasserstoff und/oder Argon enthält,

– Einbringen des gereinigten Gases in die Beschichtungskammer (12),

– Aufbringen mindestens einer Schicht aus hydriertem Silizium (43), die aus mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium besteht, auf das Substrat (41), wobei die Schicht nacheinander von der Substratseite aus eine erste Teilschicht (44) aus hydriertem positiv dotiertem Silizium, eine zweite Teilschicht (45) aus eigenleitendem hydriertem Silizium und eine dritte Teilschicht (46) aus hydriertem negativ dotiertem Silizium umfasst, und

– Aufbringen einer hinteren Kontaktschicht (47) und einer reflektierenden Schicht (48),

wobei die zweite eigenleitende Teilschicht (45) als Ergebnis der Reinigung weniger als 2 × 1019 Sauerstoffatome je cm3 aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

– Reinigen eines Substrats (41), das mit einer reflektierenden Schicht (48) und einer hinteren Kontaktschicht (47) versehen ist,

– Einbringen des Substrats in eine Beschichtungskammer (12), die vorher einen Evakuierungsschritt erfahren hat,

– Reinigen mindestens eines Beschichtungsgases, das eine Siliziumverbindung, Wasserstoff und/oder Argon enthält, um seinen Sauerstoffgehalt zu senken,

– Einbringen des gereinigten Gases in die Beschichtungskammer (12);

– Aufbringen mindestens einer Schicht aus hydriertem Silizium (43), die aus mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium besteht, auf das Substrat (41), wobei die Schicht nacheinander von der Substratseite aus eine erste Teilschicht (46) aus hydriertem negativ dotiertem Silizium, eine zweite Teilschicht (45) aus eigenleitendem hydriertem Silizium und eine dritte Teilschicht (44) aus hydriertem positiv dotiertem Silizium umfasst, und

– Aufbringen einer Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid (42),

wobei die zweite eigenleitende Teilschicht als Ergebnis der Reinigung weniger als 2 × 1019 Sauerstoffatome je cm3 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des Aufbringens die Erzeugung eines Beschichtungsgasplasmas umfasst. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch Hochfrequenzanregung erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Hochfrequenzen eine Frequenz von über 40 MHz aufweisen. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch Mikrowellenanregung erzeugt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des Aufbringens das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung mit dem Beschichtungsgas umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das durch das Einbringen von Silan, Wasserstoff und/oder Argon in die Kammer gekennzeichnet ist, wobei der Anteil von Silan zwischen 0,5 % und 15 % liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es unter anderem vor dem Schritt des Reinigens mindestens eines Beschichtungsgases einen Schritt des Entgasens der Kammer umfasst. Solarzelle, die mindestens ein Substrat (41), eine Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid (42), eine hintere Kontaktschicht und mindestens eine Schicht aus hydriertem Silizium (43) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus hydriertem Silizium (43) aus mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium besteht und eine erste äußere Teilschicht (44) aus hydriertem positiv dotiertem Silizium, eine zweite äußere Teilschicht (46) aus hydriertem negativ dotiertem Silizium und eine dritte Teilschicht (45) aus hydriertem Silizium umfasst, die zwischen den äußeren Teilschichten liegt, wobei die dritte Teilschicht eigenleitend ist und weniger als 2 × 1019 Sauerstoffatome je cm3 aufweist. Solarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie unter anderem eine Schicht aus hydriertem amorphem Silizium (51) aufweist, die aus einer Teilschicht (52) aus hydriertem amorphem positiv dotiertem Silizium, einer Teilschicht (53) aus hydriertem amorphem eigenleitendem Silizium und einer Teilschicht (54) aus hydriertem amorphem negativ dotiertem Silizium besteht, wobei diese Schicht zwischen der Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid (42) und der Schicht aus hydriertem mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium (43) angeordnet ist. Solarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Schichten aus hydriertem amorphem Silizium (61, 62) aufweist, die jeweils aus einer Teilschicht aus hydriertem amorphem positiv dotiertem Silizium, einer Teilschicht aus hydriertem amorphem eigenleitendem Silizium und einer Teilschicht aus hydriertem amorphem negativ dotiertem Silizium besteht, wobei diese beiden Schichten aus hydriertem amorphem Silizium zwischen der Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid und der Schicht aus hydriertem mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium angeordnet sind. Solarzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie unter anderem eine hintere reflektierende Schicht (48) aufweist. Solarzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Schichten aus hydriertem Silizium aufweist, die jeweils aus einer Teilschicht (84) aus hydriertem positiv dotiertem Silizium, einer Teilschicht (83) aus hydriertem eigenleitendem Silizium und einer Teilschicht (82) aus hydriertem negativ dotiertem Silizium besteht, dadurch, dass alle positiv dotierten Teilschichten miteinander durch mindestens einen positiven Seitenkanal (87) verbunden sind, dadurch, dass alle negativ dotierten Teilschichten miteinander durch mindestens einen negativen Seitenkanal (86) verbunden sind, wobei jeder positive Seitenkanal in der Nähe von und parallel zu einem der negativen Seitenkanäle angeordnet ist, wobei diese Seitenkanäle durch einen Metallkanal (85) getrennt sind, und dadurch, dass die Schichten aus hydriertem Silizium aus hydriertem mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium bestehen, wobei die Teilschichten aus hydriertem eigenleitendem mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium (83) weniger als 2 × 1019 Sauerstoffatome je cm3 enthalten. Solarzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (41) durchsichtig ist und auf der Seite der Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid (42) angeordnet ist. Solarzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (41) auf der gegenüberliegenden Seite der Schicht aus einem leitfähigen durchsichtigen Oxid (42) angeordnet ist.






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