WO2011023441A2 - Halbleiter-schichtmaterial und heteroübergangs-solarzelle - Google Patents

Halbleiter-schichtmaterial und heteroübergangs-solarzelle Download PDF

Info

Publication number
WO2011023441A2
WO2011023441A2 PCT/EP2010/059695 EP2010059695W WO2011023441A2 WO 2011023441 A2 WO2011023441 A2 WO 2011023441A2 EP 2010059695 W EP2010059695 W EP 2010059695W WO 2011023441 A2 WO2011023441 A2 WO 2011023441A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layers
semiconductor
semiconductor layer
layer
solar cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2010/059695
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2011023441A3 (de
Inventor
Thomas Wagner
Robert Roelver
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to EP10728700A priority Critical patent/EP2474041A2/de
Priority to US13/392,345 priority patent/US20120211064A1/en
Priority to CN201080038231.1A priority patent/CN102576744B/zh
Publication of WO2011023441A2 publication Critical patent/WO2011023441A2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Publication of WO2011023441A3 publication Critical patent/WO2011023441A3/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/16—Material structures, e.g. crystalline structures, film structures or crystal plane orientations
    • H10F77/162—Non-monocrystalline materials, e.g. semiconductor particles embedded in insulating materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/16—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/12—Active materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/12—Active materials
    • H10F77/122—Active materials comprising only Group IV materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
    • H10F77/146—Superlattices; Multiple quantum well structures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor layer material, in particular for use as an emitter material for a solar cell, as well as a heterojunction solar cell.
  • a semiconductor layer material in particular for use as an emitter material for a solar cell, as well as a heterojunction solar cell.
  • heterojunction solar cells significantly higher voltages can be achieved because of the lower blocking saturation currents of the emitters compared to homojunction cells.
  • the efficiency potential of heterojunction cells is 1-2% absolute above the efficiency potential of homojunction cells.
  • the hitherto available heterojunction solar cells have a doped hetero-emitter of amorphous silicon (aSi); see . M. Tanaka, M. Taguchi, T.
  • the doping of the emitter allows the formation of a pn junction and thus the extraction of the charge carriers generated by sunlight.
  • the most important task of the amorphous silicon layer is to passivate the wafer surface of the solar cell and thus reduce the recombination rate of the charge carriers generated by sunlight, thereby increasing the concentration of the charge carriers in the solar cell , The higher charge carrier concentration leads to a greater splitting of the quasi-Fermi levels in the cell, which is equivalent to a higher achievable electrical voltage at the solar cell.
  • the high doping of the aSi emitter leads to the fact that light absorbed in the emitter does not contribute to the generation of electricity in the solar cell; see .
  • tandem solar cells based on silicon in which stacks of alternating Si and SiO x layers are used as the light-absorbing and charge-carrier-generating layer of a solar cell.
  • the invention has for its object to provide an improved solution for the realization of the emitter layer of a heterojunction solar cell, which combines in particular good passivation properties with sufficiently high conductivity and high transparency for the active components of sunlight.
  • the most important advantage of the Si-based nanostructure material proposed here as a hetero emitter is the significantly lower light absorption in comparison to the previously used amorphous silicon, whereby the losses due to light absorption in the electrically "dead” amorphous Si layer can be significantly minimized W.
  • An essential idea of the invention is to provide a novel Si nanostructuring material, which has a significantly higher optical transparency than the previously used amorphous Si due to its nanocrystalline structure, but at the same time shows similarly good passivation properties and a similarly good electrical conductivity.
  • This nanostructure material is formed in particular by alternating deposition of sub-stoichiometric silicon oxide (SiO x ) (alternatively also silicon carbide (SiC ⁇ ) or silicon nitride (SiN x )) layers and silicon layers in the layer thickness range below 10 nm.
  • SiO x sub-stoichiometric silicon oxide
  • SiC ⁇ silicon carbide
  • SiN x silicon nitride
  • the proposed layer material can also be used outside the insert proposed here as the emitter material of a heterojunction solar cell.
  • a particularly advantageous embodiment within the scope of the existing task provides that a boundary layer of the stack is formed by a second layer and on the outside of which micro contact areas of the first layer adjacent thereto are exposed.
  • nanostructure material used here means that at least the first layers have a nanocrystalline structure
  • the thickness of the first and second layers is in each case in the range between 1 nm and 20 nm, preferably between 2 nm and 10 nm
  • the total thickness in the range between 5 nm and 100 nm, preferably between 10 nm and 60 nm.
  • the total number of layers is between 4 and 20, preferably between 8 and 16.
  • the semiconductor material - here in particular silicon - is in an advantageous embodiment as p-material with phosphorus or as n-material with boron with a concentration in the range of 10 18 to 10 20 cm “3 , in particular from 5 x 10 18 to 5 x 10 19 cm “3 , doped. Due to the property of this network to establish contact with the adjacent layer only at individual points, when used in the heterojunction solar cell only quasi point-like transitions between emitter layer and silicon wafer occur, while the majority of the wafer surface is formed by SiO 2 (alternatively SiC or SiN) is passivated. As a result, the advantage of good passivation of the wafer surface which has also been exploited in conventional heterosocial cells is retained.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the structure of a heterojunction solar cell, as a cross-sectional representation
  • FIG. 2A and 2B are schematic cross-sectional views of an embodiment of the semiconductor layer material according to the invention on a semiconductor substrate, after the deposition of a layer stack (FIG. 2A) and after a subsequent heat treatment (FIG. 2B), FIG.
  • FIG. 3 shows a comparative graph of the absorption spectra of amorphous silicon (solid line) and of a semiconductor layer material according to the invention
  • Fig. 4 is a comparative graph of the electrical
  • FIG. 1 shows, in a schematic cross-sectional representation, the structure of a heterojunction solar cell 1 on a p-type or n-type Si semiconductor substrate 3.
  • a hetero-emitter layer 5 is arranged on the Si substrate 3 and a TCO layer 7 is arranged thereon ,
  • the layer structure is completed by a local front-side contact 9 and at the back by a full-area rear-side contact 11.
  • FIGS. 2A and 2B show a stack 50 'or 50 made of a semiconductor layer material, which is used as a hetero-emitter layer 5 in the solar cell structure according to FIG. 1, on a silicon substrate 30.
  • FIG. 2A shows the stack designated by the numeral 50 'after a first process stage
  • FIG. 2B shows the stack then indicated by the numeral 50 after a second process step, and the reference numerals of individual layers of the stack (see below) are formed in correspondence therewith.
  • Fig. 2B shows the result of a subsequent annealing at temperatures> 1000 0 C resulting structure 50, in which the interfaces between The first and second layers are structured irregularly such that micro contact regions ("point contacts") 50a are formed between adjacent first layers 51 separated from one another by a second layer 52 and at the interface with the silicon substrate 30
  • the function of the layer structure according to the invention of essential microcontact regions is associated with a segregation of Si and stoichiometric SiO 2 during annealing, in the course of which the Si seed layers grow isotropically, contacting the free surface of the layer stack serving as a hetero emitter layer in a solar cell of the type shown in FIG 1 type occurs only after annealing.
  • FIG. 3 shows that advantageously the absorption coefficient of semiconductor layer material constructed according to the invention as emitter material (dashed curve) in the region below about 680 nm, ie in the range of visible light, is lower than that of a comparable layer of amorphous silicon (solid line) Line) is.
  • FIG. 4 shows current density-voltage characteristics of differently constructed semiconductor layer stacks of Si and SiO x with a total thickness of 60 nm each and matching thickness of the first layers (3 nm) and different thicknesses of the second layers (1.5-5 nm ) before annealing. It can be seen that the respective measured values are in good agreement with the respectively calculated profile (with the exception of voltages below 3 V for the embodiment with 5 nm thick SiO x layers). It can also be seen in particular that the choice of the thickness of the second layers makes it possible to adjust the electrical conductivity of the proposed semiconductor layer material over a wide range.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Halbleiter-Schichtmaterial, insbesondere zur Verwend ng als Emittermaterial für eine Heteroübergangs-Solarzelle, gebildet als Stapel aus jeweils einer Mehrzahl alternierend übereinander angeordneter erster und zweiter Schichten, wobei die ersten Schichten aus einem elementaren, polykristallinen Halbleiter und die zweite Schicht aus einer substöchiometrischen elektrisch isolierenden Verbindung, insbesondere einem Oxid, Carbid oder Nitrid, des Halbleiters bestehen und wobei durch eine Temperung die Grenzflächen zwischen den ersten und zweiten Schichten derart irregulär strukturiert sind, dass zwischen benachbarten, durch eine zweite Schicht voneinander getrennten ersten Schichten Mikrokontaktbereiche ausgebildet sind.

Description

Beschreibung
Titel
Halbleiter-Schichtmaterial und Heteroüberαanαs-Solarzelle
Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Schichtmaterial, insbesondere zur Verwendung als Emittermaterial für eine Solarzelle, sowie eine Heteroübergangs- Solarzelle. Stand der Technik
Unter den sogenannten regenerativen Energien gewinnt die Sonnenenergie in dem Maße an Bedeutung, wie es gelungen ist, die Kosten der Solarzellenmodule und der gesamten Anlagen zu senken und die energetische Ausbeute zu erhöhen und somit insgesamt die Kosten pro Einheit erzeugter elektrischer Energie an die Werte anzunähern, die bei der Energieerzeugung auf Basis fossiler Energieträger den wirtschaftlichen Maßstab setzen. Die photoelektrische Ausbeute der einzelnen Zelle spielt dabei eine wichtige Rolle. Mit HeteroÜbergang-Solarzellen lassen sich wegen der niedrigeren Sperrsätti- gungsströme der Emitter im Vergleich zu Homo-Übergang-Zellen deutlich höhere Spannungen erzielen. Das Wirkungsgradpotenzial von Heteroüber- gangszellen liegt 1-2% absolut über dem Wirkungsgradpotenzial von Homo- Übergangzellen. Die bisher verfügbaren Heteroübergangs-Solarzellen verfügen über einen dotierten Heteroemitter aus amorphem Silizium (aSi); vgl . M. Tana- ka, M . Taguchi, T. Matsuyama, T. Sawada, S. Tsuda, S. Nakano, H . Hanafusa, Y. Kuwano, "Development of New a-Si/c-Si Heterojunction Solar CeIIs : ACJ-HIT (Artificially Constructed Junction-Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer)" Jpn. J. Appl . Phys., 31, 3518-22 (1992) und T. Sawada, N . Terada, S. Tsuge, T. Baba, T. Akahama, K. Wakisaka, S. Tsuda, S. Nakano, "High efficiency a- Si/c-Si heterojunction solar cell". Conference Record of the Ist WCPEC, Hawaii, 1994; 1219-1226. Die Dotierung des Emitters ermöglicht die Bildung eines pn-Übergangs und damit die Extraktion der durch Sonnenlicht generierten Ladungsträger. Wichtigste Aufgabe der amorphen Siliziumschicht, üblicherweise zwischen 5 nm und 20 nm dick, ist in diesem Fall aber die, die Waferoberfläche der Solarzelle zu passivieren und so die Rekombinationsrate der durch Sonnenlicht erzeugten Ladungsträger zu verringern, wodurch sich die Konzentration der Ladungsträger in der Solarzelle erhöht. Durch die höhere Ladungsträgerkonzentration kommt es zu einer größeren Aufspaltung der Quasi-Ferminiveaus in der Zelle, was gleichbedeutend mit einer höheren erreichbaren elektrischen Spannung an der Solarzelle ist.
Allerdings führt die hohe Dotierung des aSi Emitters dazu, dass im Emitter absorbiertes Licht nicht zur Stromerzeugung in der Solarzelle beiträgt; vgl .
T. Mueller, S. Schwertheim, M. Scherff, W. R. Fahner, "High quality passiva- tion for heterojunction solar cells by hydrogenated amorphous Silicon suboxide films", Appl . Phys. Lett., 92, 033504 (2008). Das im Emitter absorbierte Licht geht für die Energieumwandlung verloren.
Als Alternativmaterialien zum aSi in Heterozellen wurden bereits Passivier- schichten bestehend aus SiC bzw. SiOx getestet, vgl. S. Miyajima, M. Sawa- mura, A. Yamada, M . Konagai, "Properties of n-type hydrogenated nanocrystal- line cubil Silicon carbide films deposited by VH F-PECVD at IowSubstrate temperatures", J. Non cryst. Solids, 354, 2350 (2008). Auch wurde bereits die Möglichkeit untersucht, Materialien bestehend aus mikrokristallinem Silizium, eingebettet in SiO2, in Heteroübergangs-Solarzellen einzusetzen (SIPOS-Kon- zept); vgl. E. Yablonovich, T. Gmitter, R. M. Swanson, Y. H . Kwark, "A 720 mV open circuit voltage SiOx:c-Si :SiOx double heterostructure solar cell", Appl . Phys. Lett, 47, 1211 (1985). Materialien der letztgenannten Art weisen eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit auf, die die Anwendungsmöglichkeiten beschränkt. Dieses Problem wird bis zu einem gewissen Grad durch ein weiteres relativ neues Material gelöst, welches aus alternierenden, jeweils wenigen Nanometer dicken Schichten aus Silizium und sub-stöchiometrischem SiOx besteht, vgl . R. Rölver, B. Berghoff, D. Bätzner, B. Spangenberg, H . Kurz "Charge transport in Si/SiO2 multiple quantum wells for all Silicon tandem solar cells", Proceedings of the 22nd EU PVSEC, Milano (2007). Weiterhin sind sogenannte Tandem-Solarzellen auf Siliziumbasis bekannt, in denen Stapel aus alternierenden Si- und SiOx- Schichten als lichtabsorbierende und ladungsträgergenerierende Schicht einer Solarzelle eingesetzt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lösung für die Realisierung der Emitterschicht einer Heteroübergangs-Solarzelle bereitzustellen, welche insbesondere gute Passivierungseigenschaften mit ausreichend hoher Leitfähigkeit sowie einer hohen Transparenz für die Wirkanteile des Sonnenlichts verbindet.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Halbleiter-Schichtmaterials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 im Sinne der Bereitstellung eines geeigneten Materials sowie durch eine Heteroübergangs-Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9 im Sinne einer Produktlösung gelöst. Zweckmäßige Fortbil- düngen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Wichtigster Vorteil des hier vorgeschlagenen Si-basierten Nanostrukturmate- rials als Heteroemitter ist die wesentlich geringere Lichtabsorption im Vergleich zum bisher verwendeten amorphen Silizium, wodurch die Verluste durch Lichtabsorption in der elektrisch„toten" amorphen Si-Schicht deutlich minimiert werden können. Die Erfindung erbringt m. a. W. den Vorteil, den Verlust durch die im Emitter absorbierten Photonen zu verringern, was zu einer verbesserten Stromausbeute in der Solarzelle und damit zu einem größeren erreichbaren Wirkungsgrad führt, wobei das Material vergleichbare elektrische Eigenschaften (Oberflächenpassivierung und elektrische Leitfähigkeit) besitzt. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, ein neuartiges Si-Nanostruk- turmaterial bereitzustellen, welches aufgrund seiner nanokristallinen Struktur eine deutlich höhere optische Transparenz als das bisher verwendete amorphe Si aufweist, aber gleichzeitig ähnlich gute Passiviereigenschaften und eine ähnlich gute elektrische Leitfähigkeit zeigt. Überschlagsrechnungen zeigen, dass sich mit dem vorgeschlagenen Si-Nanostrukturemitter aufgrund seiner höheren optischen Transparenz Wirkungsgradverbesserungen von bis zu 2 % absolut im Vergleich zu Heterozellen mit herkömmlichen amorphem Si-Emitter erreichen lassen. Dieses Nanostrukturmaterial entsteht insbesondere durch abwechselnde Abscheidung sub-stöchiometrischer Siliziumoxid(SiOx)-(alternativ auch Silizium- carbid(SiCχ)- oder Siliziumnitrid(SiNx)-)Schichten und Silizium-Schichten im Schichtdickenbereich unter 10 nm. Durch anschließende Temperung, speziell um oder oberhalb von 10000C, kommt es zur Phasenseparation des über- schüssigen Siliziums im SiOx (alternativ SiCx, SiNx) und dadurch zu einem isotropen Wachstum der Si-Schichten auf Kosten der SiOx-Schichten [6] . Es bilden sich Berührungspunkte zwischen benachbarten, polykristallinen-Sili- ziumschichten, wodurch ein elektrisch leitfähiges Netzwerk aus Si-Kristallen entsteht.
Das vorgeschlagene Schichtmaterial ist grundsätzlich auch außerhalb des hier vorgeschlagenen Einsatzes als Emittermaterial einer Heteroübergangs-Solar- zelle einsetzbar. Eine im Rahmen der bestehenden Aufgabe besonders vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass eine Begrenzungsschicht des Stapels durch eine zweite Schicht gebildet ist und an deren Außenseite Mikrokontaktbereiche der hierzu benachbarten ersten Schicht freiliegen.
Der hier gebrauchte Begriff „Nanostrukturmaterial" bedeutet, dass mindestens die ersten Schichten eine nanokristalline Struktur aufweisen. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass die Dicke der ersten und zweiten Schichten jeweils im Bereich zwischen 1 nm und 20 nm, bevorzugt zwischen 2 nm und 10 nm, liegt. Des weiteren ist vorgesehen, dass insbesondere die Gesamt- dicke im Bereich zwischen 5 nm und 100 nm, bevorzugt zwischen 10 nm und 60 nm, liegt. Des weiteren wird als vorteilhaft angesehen, dass die Gesamtanzahl der Schichten zwischen 4 und 20, bevorzugt zwischen 8 und 16, liegt.
Dotiert man ein Netzwerk der erwähnten Art, lässt es sich als Emitter in einer Solarzelle einsetzen. Das Halbleitermaterial - hier insbesondere Silizium - ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung als p-Material mit Phosphor oder als n-Material mit Bor mit einer Konzentration im Bereich von 1018 bis 1020 cm"3, insbesondere von 5 x 1018 bis 5 x 1019 cm"3, dotiert. Durch die Eigenschaft dieses Netzwerks, nur an einzelnen Punkten einen Kontakt zur benachbarten Schicht zu bilden, kommt es beim Einsatz in der Heteroübergangs-Solarzelle nur zu quasi punktförmigen Übergängen zwischen Emitterschicht und Silizium- wafer, während der Großteil der Waferoberfläche durch SiO2 (alternativ SiC oder SiN) passiviert ist. Dadurch bleibt der auch bei herkömmlichen Heteroso- larzellen ausgenutzte Vorteil einer guten Passivierung der Waferoberfläche erhalten.
Zeichnungen
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden Erläuterung anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Heteroübergangs-Solarzelle, als Querschnittsdarstellung,
Fig. 2A und 2B schematische Querschnittsdarstellungen einer Ausführungs- form des erfindungsgemäßen Halbleiter-Schichtmaterials auf einem Halbleitersubstrat, nach der Abscheidung eines Schichtstapels (Fig. 2A) sowie nach einer anschließenden Temperung (Fig. 2B),
Fig. 3 eine vergleichende grafische Darstellung der Absorptions- Spektren von amorphem Silizium (durchgezogene Linie) und eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Schichtmaterials
(gestrichelte Linie) und Fig. 4 eine vergleichende grafische Darstellung der elektrischen
Leitfähigkeiten verschiedener Ausführungsformen des vorgeschlagenen Halbleiter-Schichtmaterials als Stromdichte- Spannung s- Kennlinien.
Fig. 1 zeigt in schematischer Querschnittsdarstellung den Aufbau einer Hete- roübergangs-Solarzelle 1 auf einem p- oder n-leitenden Si-Halbleitersubstrat 3. Auf dem Si-Substrat 3 ist eine Hetero-Emitterschicht 5 und auf dieser eine TCO-Schicht 7 angeordnet. Vorderseitig wird der Schichtaufbau durch eine lokale Vorderseitenkontaktierung 9 und rückseitig durch eine ganzflächige Rückseitenkontaktierung 11 vervollständigt.
Fig. 2A und 2B zeigen einen Stapel 50' bzw. 50 aus einem Halbleiter-Schichtmaterial, der als Hetero-Emitterschicht 5 beim Solarzellenaufbau nach Fig . 1 eingesetzt werden kann, auf einem Siliziumsubstrat 30. Fig. 2A zeigt den mit der Ziffer 50' bezeichneten Stapel nach einer ersten Verfahrensstufe, und Fig . 2B zeigt den dann mit der Ziffer 50 bezeichneten Stapel nach einer zweiten Verfahrensstufe, und die Bezugsziffern einzelner Schichten des Stapels (siehe weiter unten) sind in Korrespondenz hierzu gebildet.
Der Schichtstapel ist, wie in Fig . 2A gut zu erkennen ist, durch aufeinander folgende, insbesondere aufeinander abgeschiedene, Si-Schichten 51'„erste Schichten" und SiO-Schichten 52' als zweite Schichten gebildet. Es ist zu erkennen, dass die dem Siliziumsubstrat 30 nächst benachbarte Schicht des Stapels eine SiO-Schicht 52', also eine hier auch als„zweite Schicht" bezeichnete Schicht ist. Auch die Deckschicht des Stapels wird durch eine solche zweite Schicht 52' gebildet. Die Si-Schichten 51' sind dotiert, und die SiO- Schichten 52' sind sub-stöchiometrische Schichten, und die Schichtdicken liegen jeweils unter 10 nm.
Fig. 2B zeigt den im Ergebnis einer anschließenden Temperung bei Temperaturen > 1000 0C entstandenen Aufbau 50, bei dem die Grenzflächen zwischen den ersten und zweiten Schichten derart irregulär strukturiert sind, dass zwischen benachbarten, durch jeweils eine zweite Schicht 52 voneinander getrennten ersten Schichten 51 sowie an der Grenzfläche zum Siliziumsubstrat 30 Mikrokontaktbereiche („Punktkontakte") 50a gebildet sind. Die Ausbildung dieser Struktur mit den für die Funktion der erfindungsgemäßen Schichtstruk- tur wesentlichen Mikrokontaktbereichen ist verknüpft mit einer Entmischung von Si und stöchiometrischem SiO2 beim Tempern, in dessen Rahmen die Si- Saatschichten isotrop wachsen. Eine Kontaktierung der freien Oberfläche des als Hetero-Emitterschicht dienenden Schichtstapels bei einer Solarzelle der in Fig. 1 gezeigten Art erfolgt erst nach dem Tempern.
Fig. 3 zeigt, dass in vorteilhafter Weise der Absorptionskoeffizient von erfindungsgemäß aufgebautem Halbleiter-Schichtmaterial als Emittermaterial (gestrichelte Kurve) im Bereich unterhalb von ca. 680 nm, also im Bereich des sichtbaren Lichts, niedriger als derjenige einer vergleichbaren Schicht aus amophem Silizium (durchgezogene Linie) ist.
Fig. 4 schließlich zeigt Stromdichte-Spannungs-Kennlinien verschieden aufgebauter Halbleiter-Schichtstapel aus Si und SiOx mit einer Gesamtdicke von jeweils 60 nm und übereinstimmender Dicke der ersten Schichten (3 nm) sowie unterschiedlichen Dicken der zweiten Schichten (1,5 - 5 nm) vor der Temperung . Es ist zu erkennen, dass die jeweiligen Messwerte in guter Übereinstimmung mit dem jeweils errechneten Verlauf stehen (mit Ausnahme von Spannungen unterhalb von 3 V für die Ausführung mit 5 nm dicken SiOx-Schichten). Zu erkennen ist insbesondere auch, dass durch die Wahl der Dicke der zweiten Schichten eine Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit des vorgeschlagenen Halbleiter-Schichtmaterials in einem weiten Bereich möglich ist.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben erläuterten Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Halbleiter-Schichtmaterial, insbesondere zur Verwendung als Emittermaterial für eine Heteroübergangs-Solarzelle, gebildet als Stapel aus jeweils einer Mehrzahl alternierend übereinander angeordneter erster und zweiter Schichten, wobei die ersten Schichten aus einem elementaren, polykristallinen Halbleiter und die zweite Schicht aus einer sub- stöchiometrischen elektrisch isolierenden Verbindung, insbesondere einem Oxid, Carbid oder Nitrid, des Halbleiters bestehen und wobei durch eine Temperung die Grenzflächen zwischen den ersten und zweiten Schichten derart irregulär strukturiert sind, dass zwischen benachbarten, durch eine zweite Schicht voneinander getrennten ersten Schichten Mikrokontaktbereiche ausgebildet sind .
2. Halbleiter-Schichtmaterial nach Anspruch 1, wobei eine Begrenzungsschicht des Stapels durch eine zweite Schicht gebildet ist und an deren Außenseite Mikrokontaktbereiche der hierzu benachbarten ersten Schicht frei liegen.
3. Halbleiter-Schichtmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Halbleiter
Silizium ist.
4. Halbleiter-Schichtmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Halbleiter als p-Material mit Phosphor oder als n-Material mit Bor mit einer Konzentration im Bereich von 1018 bis 1020 cm"3, insbesondere von 5 x 1018 bis 5 x 1019 cm"3, dotiert ist.
5. Halbleiter-Schichtmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens die ersten Schichten eine nanokristalline Struktur aufweisen.
6. Halbleiter-Schichtmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke der ersten und zweiten Schichten jeweils im Bereich zwischen 1 nm und 20 nm, bevorzugt zwischen 2 nm und 10 nm, liegt.
7. Halbleiter-Schichtmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gesamtdicke im Bereich zwischen 5 nm und 100 nm, bevorzugt zwischen 10 nm und 60 nm, liegt.
8. Halbleiter-Schichtmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gesamtanzahl der Schichten zwischen 4 und 20, bevorzugt zwischen 8 und 16, liegt.
9. Heteroübergangs-Solarzelle mit einem Halbleitersubstrat und einer
hierauf angeordneten, eine äußere Oberfläche der Solarzelle bildenden dotierten Hetero-Emitterschicht, die zugleich als Passivierungsschicht wirkt und die durch ein Halbleiter-Schichtmaterial nach einem der
Ansprüche 2 bis 8 gebildet ist, wobei die Außenseite des Halbleiter- Schichtmaterials, an der Mikrokontaktbereiche der ersten Schicht freiliegen, dem Halbleitersubstrat benachbart ist.
10. Heteroübergangs-Solarzelle nach Anspruch 9, wobei das Halbleitersubstrat ein Silizium-Wafer ist.
PCT/EP2010/059695 2009-08-31 2010-07-07 Halbleiter-schichtmaterial und heteroübergangs-solarzelle Ceased WO2011023441A2 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10728700A EP2474041A2 (de) 2009-08-31 2010-07-07 Halbleiter-schichtmaterial und heteroübergangs-solarzelle
US13/392,345 US20120211064A1 (en) 2009-08-31 2010-07-07 Semiconductor Layer Material and Heterojunction Solar Cell
CN201080038231.1A CN102576744B (zh) 2009-08-31 2010-07-07 半导体层材料和异质结太阳能电池

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009029017.6 2009-08-31
DE102009029017A DE102009029017A1 (de) 2009-08-31 2009-08-31 Halbleiter-Schichtmaterial und Heteroübergangs-Solarzelle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2011023441A2 true WO2011023441A2 (de) 2011-03-03
WO2011023441A3 WO2011023441A3 (de) 2012-03-29

Family

ID=43524809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2010/059695 Ceased WO2011023441A2 (de) 2009-08-31 2010-07-07 Halbleiter-schichtmaterial und heteroübergangs-solarzelle

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20120211064A1 (de)
EP (1) EP2474041A2 (de)
CN (1) CN102576744B (de)
DE (1) DE102009029017A1 (de)
WO (1) WO2011023441A2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120325304A1 (en) * 2011-06-17 2012-12-27 International Business Machines Corporation Contact for silicon heterojunction solar cells
JP2014027119A (ja) * 2012-07-27 2014-02-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 太陽電池

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2595193A1 (de) * 2011-11-16 2013-05-22 Hitachi, Ltd. Mehrfach-Quantentopfstruktur

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005106966A1 (en) * 2004-04-30 2005-11-10 Unisearch Limited Artificial amorphous semiconductors and applications to solar cells
US20080135089A1 (en) * 2006-11-15 2008-06-12 General Electric Company Graded hybrid amorphous silicon nanowire solar cells
US20080110486A1 (en) * 2006-11-15 2008-05-15 General Electric Company Amorphous-crystalline tandem nanostructured solar cells

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
E. YABLONOVICH; T. GMITTER; R. M. SWANSON; Y. H. KWARK: "A 720 mV open circuit voltage SiOx:c-Si:SiOx double heterostructure solar cell", APPL. PHYS. LETT, vol. 47, 1985, pages 1211
M. TANAKA; M. TAGUCHI; T. MATSUYAMA; T. SAWADA; S. TSUDA; S. NAKANO; H. HANAFUSA; Y. KUWANO: "Development of New a-Si/c-Si Heterojunction Solar Cells: ACJ-HIT (Artificially Constructed Junction-Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer)", JPN. J. APPL. PHYS., vol. 31, 1992, pages 3518 - 22
R. RÖLVER; B. BERGHOFF; D. BÄTZNER; B. SPANGENBERG; H. KURZ: "Charge transport in Si/Si02 multiple quantum wells for all Silicon tandem solar cells", PROCEEDINGS OF THE 22ND EU PVSEC, 2007
S. MIYAJIMA; M. SAWAMURA; A. YAMADA; M. KONAGAI: "Properties of n-type hydrogenated nanocrystalline cubil Silicon carbide films deposited by VHF-PECVD at IowSubstrate temperatures", J. NON CRYST. SOLIDS, vol. 354, 2008, pages 2350
T. MUELLER; S. SCHWERTHEIM; M. SCHERFF; W. R. FAHNER: "High quality passivation for heterojunction solar cells by hydrogenated amorphous Silicon suboxide films", APPL. PHYS. LETT., vol. 92, 2008, pages 033504
T. SAWADA; N. TERADA; S. TSUGE; T. BABA; T. AKAHAMA; K. WAKISAKA; S. TSUDA; S. NAKANO: "High efficiency a-Si/c-Si heterojunction solar cell", CONFERENCE RECORD OF THE 1ST WCPEC, 1994, pages 1219 - 1226

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120325304A1 (en) * 2011-06-17 2012-12-27 International Business Machines Corporation Contact for silicon heterojunction solar cells
US9246033B2 (en) * 2011-06-17 2016-01-26 International Business Machines Corporation Contact for silicon heterojunction solar cells
US20160111578A1 (en) * 2011-06-17 2016-04-21 International Business Machines Corporation Contact for silicon heterojunction solar cells
US10177266B2 (en) * 2011-06-17 2019-01-08 International Business Machines Corporation Contact for silicon heterojunction solar cells
US10304986B2 (en) 2011-06-17 2019-05-28 International Business Machines Corporation Contact for silicon heterojunction solar cells
JP2014027119A (ja) * 2012-07-27 2014-02-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 太陽電池

Also Published As

Publication number Publication date
US20120211064A1 (en) 2012-08-23
DE102009029017A1 (de) 2011-03-03
CN102576744A (zh) 2012-07-11
EP2474041A2 (de) 2012-07-11
CN102576744B (zh) 2016-02-10
WO2011023441A3 (de) 2012-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3378104B1 (de) Solarzelle mit mehreren durch ladungsträger-selektive kontakte miteinander verbundenen absorbern
EP2438620B1 (de) Solarzelle mit benachbarten elektrisch isolierenden passivierbereichen mit hoher oberflächenladung gegensätzlicher polarität und herstellungsverfahren
EP0219763B1 (de) Solarzelle
EP2478564B1 (de) Kristalline solarzelle sowie verfahren zur herstellung einer solchen
EP2758993B1 (de) Dünnschichtsolarmodul mit serienverschaltung und verfahren zur serienverschaltung von dünnschichtsolarzellen
DE3111828A1 (de) Vorrichtung zur umsetzung elektromagnetischer strahlung in elektrische energie
EP0460287A1 (de) Neuartige Chalkopyrit-Solarzelle
DE102012209713A1 (de) Verbesserter Kontakt für Silicium-Heterojunction-Solarzellen
DE102007051884A1 (de) Amorph-kristalline Solarzellen mit Tandem-Nanostruktur
DE102012101448B4 (de) Dünnschichtsolarzelle und Verfahren zur Herstellung derselben
DE212013000122U1 (de) Hybrid-Solarzelle
WO2024008455A1 (de) Rückseitenkontaktierte solarzelle mit passivierten kontakten und herstellungsverfahren
US20190341506A1 (en) Doping and passivation for high efficiency solar cells
DE112011101267T5 (de) Mehrlagige Photovoltaikzelle mit P/N- und Schottky-Übergang und Verfahren zu deren Herstellung
WO2011023441A2 (de) Halbleiter-schichtmaterial und heteroübergangs-solarzelle
DE102016116192B3 (de) Photovoltaikmodul mit integriert serienverschalteten Stapel-Solarzellen und Verfahren zu seiner Herstellung
WO2010142684A2 (de) Solarzelle mit kontaktstruktur mit geringen rekombinationsverlusten sowie herstellungsverfahren für solche solarzellen
EP2469608B1 (de) Bipolardiode mit optischem Quantenstrukturabsorber
DE102021113294A1 (de) Mehrfachsolarzelle
EP3503211B1 (de) Halbleiter-bauelement mit einem hochdotierten quantenstruktur-emitter
DE102014102864A1 (de) Rückseitenkontaktierte Si-Dünnschicht-Solarzelle
EP2569805A1 (de) Halbleiterbauteil mit defektreicher schicht zur optimalen kontaktierung von emittern sowie verfahren zu dessen herstellung
DE102011103539A1 (de) Solarmodul mit integrierter Verschaltung sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE102016110965B4 (de) Halbleiter-Bauelement mit vorder- und rückseitiger Elektrode und Verfahren zu dessen Herstellung
DE202012013580U1 (de) Fotovoltaikmodul und Herstellungsanlage zur Herstellung eines Fotovoltaikmoduls

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201080038231.1

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10728700

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010728700

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13392345

Country of ref document: US