DE3246948A1 - Fotozelle - Google Patents

Fotozelle

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    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells

Description

Die Erfindung betrifft eine Fotozelle mit einer p-i-n-Schichtenfolge aus Wasserstoff'enthaltendem, amorphen Silizium.
In der US-PS 4 064 521 wird eine Fotozelle beschrieben, deren lichtempfindliches Material aus amorphem, Wasserstoff enthaltendem Silizium besteht. In typischen Fällen besteht die Fotozelle aus einer verhältnismäßig dicken, etwa 500 Nanometer (nm) starken Schicht aus eigenleitendem, amorphem Silizium mit beiderseits angrenzenden dünnen, entgegengesetzt leitenden - also p- und n-leitenden - Schichten von jeweils etwa 10 nm Dicke, wobei das zu erfassende Licht entweder durch die p- oder durch die η-leitende Schicht in das Bauelement eintritt. Die p- und η-leitenden Schichten absorbieren stark und in ihnen erzeugte Träger rekombinieren normalerweise, bevor sie die Verarmungszone des Bauelements erreichen und als Strom gesammelt werden können. Zum Überwinden dieses Problems können die die eigenleitende Schicht flankierenden Schichten auch nicht beliebig dünn gemacht werden, weil dann nur noch eine unzureichende Raumladung zum vollständigen Verarmen der eigenleitenden Zone vorhanden wäre. Die optimale Dicke der p- und η-leitenden Flankenschichten der eigenleitenden Schicht wird daher als Kompromiß zwischen der Forderung nach niedriger Absorption und ausreichender Raumladung ausgewählt.
In der US-PS 4 109 271 wird beschrieben, daß sich bei Niederschlagen von Silizium in einer Kohlenstoff enthaltenden Atmosphäre eine amorphe Silizium-Kohlenstoff-Legierung mit breiterer Bandlücke und daher geringerer Absorption als bei amorphem Silizium ergibt. Eine passend dotierte amorphe Silizium-Kohlenstoff-Legierung wird an die Stelle der p-
oder η-Schicht gesetzt, durch die Licht in die Fotozelle eintritt. Dadurch wird die Absorption in der an das Fenster der Fotozelle angrenzenden Schicht herabgesetzt. Die Dicke der Silizium-Kohlenstoff-Legierung ist jedoch begrenzt durch den Transport der Majoritätsträger durch diese Schicht zu einer Elektrode, da der Transport über Bandlükkenzustände und nicht über Bandzustände zu erfolgen scheint. Die optimale Dicke der Silizium-Kohlenstoff-Legierungsschicht stellt also ebenfalls einen Kompromiß dar nämlich zwischen der Forderung nach einer für einen guten Ladungstransport ausreichend dünnen Schicht einerseits und einer für eine ausreichende Raumladung zum vollständigen Verarmen der eigenleitenden Schicht ausreichend dicken Schicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fotozellenaufbau zu schaffen, der die drei vorgenannten Forderungen nach einer breiten Bandlücke, einem guten Majoritätsträgertransport und einer ausreichenden Raumladung zum vollständigen Verarmen der eigenleitenden Zone in einer Flankenschicht der letzteren in möglichst idealer Weise gleichzeitig erfüllt. Die erfindungsgemäße Lösung wird im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschrieben.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine amorphe p-i-n-Fotozelle mit einer Schicht aus einem entweder auf der p- oder η-Schicht liegenden Halbleitermaterial - der sogenannten Breit-Bandlücken-Schicht - mit einem größeren Bandabstand als in der angrenzenden Schicht der p-i-n-Schichtenfolge. Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemäße Fotozelle eine aus einem Material großen Bandabstands bzw. breiter verbotener Zone bestehende Breit-Bandlücken-Schicht, eine daraufliegende erste Schicht aus Wasserstoff enthaltendem, amorphem Silizium eines ersten Leitungstyps, eine im wesent-
lichen eigenleitende, zweite Schicht aus Wasserstoff enthaltendem, amorphem Silizium auf der ersten Schicht, eine dritte Schicht aus Wasserstoff enthaltendem, amorphem Silizium auf der zweiten Schicht mit dem Leitungstyp der ersten Schicht entgegengesetztem Leitungstyp und Mittel zum elektrischen Kontaktieren der Breit-Bandlücken-Schicht und der dritten Schicht, wobei die Breit-Bandlücken-Schicht einen größeren Bandabstand aber denselben Leitungstyp besitzt wie das Material der daran angrenzenden ersten Schicht. Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.
Die in der beiliegenden Figur dargestellte Fotozelle 10 besitzt ein Fenster 12, einen ersten elektrischen Kontakt 14 auf der Oberfläche des Fensters 12, eine Breit-Bandlükken-Halbleiterschicht 16 auf dem elektrischen Kontakt 14, eine erste Schicht 18 aus amorphem Silizium auf der Breit-Bandlücken-Schicht 16, eine zweite Schicht 20 aus eigenleitendem, amorphem Silizium auf der ersten Schicht 18, eine dritte Schicht 22 aus amorphem Silizium auf der zweiten Schicht 20 und einen zweiten elektrischen Kontakt 24 auf der dritten Schicht 22.
Die erste und dritte Schicht 18 bzw. 22 besitzen entgegengesetzten Leitungstyp. Die Breit-Bandlücken-Halbleiterschicht 16 hat denselben Leitungstyp wie die erste Schicht 18.
Das Fenster 12 ist üblicherweise im wesentlichen transparent für Licht in einem Wellenlängenbereich von etwa 400 bis 1000 Nanometer (nm) . Die Dicke des Fensters kann so gewählt werden, daß das Fenster als Substrat des restlichen Aufbaus geeignet ist. Die Fensterdicke kann aber auch so gering sein, daß das Fenster lediglich als optische Vergütung der Fotozelle 10 anzusehen ist.
Der erste und der zweite elektrische Kontakt 14 bzw. 24 werden aus einem elektrischen Leiter solcher Dicke hergestellt, daß der in der Fotozelle erzeugte Strom ohne übermäßige Widerstandsverluste abzuführen ist. Der erste elektrische Kontakt 14 wird im übrigen aus einem für Licht des Wellenlängenbereichs zwischen etwa 400 und 1000 nm im wesentlichen durchlässigen Material hergestellt. Geeignet sind insbesondere transparente, leitende Oxide, z.B. Indium-Zinn-Oxid, oder eine dünne Metallschicht. Es ist auch möglich, die Funktionen des Fensters 12 und des ersten elektrischen Kontakts 14 in einer im wesentlichen lichtdurchlässigen und elektrisch leitenden Schicht zu kombinieren. Der zweite elektrische Kontakt 24 kann aus einem Metall, z.B. aus Stahl, mit einer solchen Dicke hergestellt werden, daß er als Substrat des übrigen Baukörpers der Fotozelle dienen kann.
Die Breit-Bandlücken-Halbleiterschicht 16 wird typisch zwischen etwa 5 und 50 nm dick hergestellt und aus einem Material mit einem Bandabstand von etwa 1,8 Elektronen-Volt (eV) oder mehr zusammengesetzt. Wenn diese Schicht p-leitend ist, wird sie vorzugsweise aus einer amorphen Silizium-Kohlenstoff-Legierung mit einem Verhältnis von Kohlenstoff zu Silizium zwischen etwa 0,1 bis 1 hergestellt. Wenn diese Schicht dagegen η-leitend ist, wird sie aus .einer Silizium-Kohlenstoff-Legierung oder aus einer Silizium-
Stickstoff-Legierung mit einem Verhältnis von Stickstoff zu Silizium zwischen 0,1 und 1 zusammengesetzt. Die Kohlenstoff- oder Stickstoff-Konzentration kann auf der Schichtdicke gleichverteilt sein, es ist aber auch möglich und in vielen Fällen sehr vorteilhaft, wenn die jeweilige Konzentration beginnend mit einem Maximum angrenzend an den ersten elektrischen Kontakt allmählich abnimmt bis zu einem Minimum oder einer Null-Konzentration an der Grenzschicht zur ersten Schicht 18. Der Vorteil dieser abgestuften Konzentration von Kohlenstoff und Stickstoff besteht u.a. darin, daß ein eingebautes, effektives Feld entsteht, welches mithilft, die durch den Fotoeffekt erzeugten Träger in der Breit-Bandlücken-Schicht zu trennen. Durch diesen Konzentrationsgradienten können auch Senken eliminiert werden, die an HeteroÜbergängen als Folge von Differenzen der Elektronen-Affinität für η-leitendes Material und in der Summe der Elektronen-Affinitäten und Bandabstände für pleitendes Material auftreten. Ferner werden durch einen Konzentrationsgradienten vorgenannter Art Grenzflächenzustände an einem HeteroÜbergang vermindert.
Die erste Schicht 18 wird typisch zwischen etwa 5 und 50 nm dick gemacht und aus amorphem Silizium mit einer gleich-
20 3
mäßigen Störstellenkonzentration von etwa 10 /cm zusammengesetzt. Die Störstellenkonzentration kann auch von einem Maximum an der Grenzfläche zu der Breit-Bandlücken-Schicht 16 bis auf Null in einer Tiefe von mehreren Hundert nm abfallen; schließlich ist es möglich, den Konzentrationsgradienten der Störstellen mehr oder weniger stetig durch die Breit-BandlUcken-Schicht und die erste Schicht hindurchzuführen .
Das Dotierstoff-Profil kann so eingestellt werden, daß die elektrische Feldverteilung in der Aktivzone der Zelle optimiert wird. Diese zweite, amorphe Siliziumschicht wird zwischen etwa 300 und 1000 nm dick gemacht und im wesentlichen aus eigenleitendem, amorphem Silizium hergestellt. Zu letzterem wird im vorliegenden Zusammenhang auch undotiertes, kompensiertes oder leicht n- oder p-leitendes Material gezählt. Die dritte Schicht 22 wird typisch zwischen etwa 5 und 50 nm dick gemacht und aus amorphem Silizium mit einer Si:
setzt.
21 3
ner Störstellenkonzentration von etwa 10 /cm zusammenge-
Nach dem Vorstehenden sollen die Breit-Bandlücken-Halbleiterschicht 16, die erste Schicht 18, die zweite Schicht 20 und die dritte Schicht 22 aus amorphem Silizium oder amorphes Silizium enthaltenden Legierungen bestehen. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Schichten auch Wasserstoff in einer Konzentration von typisch zwischen etwa 5 und 20 Atomprozenten, vorzugsweise etwa 10 Atomprozenten, enthalten. Auch können in diesen Schichten Halogenionen, z.B. von Fluor, Chlor, Brom oder Jod, vorhanden sein.
Die Wasserstoff enthaltenden, amorphen Siliziumschichten können nacheinander nach dem in der US-PS 4 064 521 beschriebenen Verfahren niedergeschlagen werden. Die Silizium-Kohlenstoff- und die Silizium-Stickstoff-Legierungen können unter Anwendung der Verfahren nach der US-PS 4 109 271 erzeugt werden.
Die Leistung bisheriger p-i-n-Fotozellen aus amorphem, Wasserstoff enthaltendem Silizium wird durch die Qualität der
ρ- und η-Schichten sowie durch die Tatsache der Rückdiffusion von Trägern in der Nachbarschaft entweder der i-n- oder i-p- Übergänge beschränkt. Die dotierten Schichten enthalten typisch einige Atomprozent Bor oder Phosphor je nach Leitungstyp, so daß die Rekombinationszeiten für in diesen Schichten erzeugte Träger kurz sind und die das Durchdringen auffallenden Lichtes bis zur eigenleitenden Schicht vermindernde optische Absorption, vornehmlich in Bor-dotierten Schichten, hoch ist.
Ein besonderer Wert der erfindungsgemäßen Fotozelle besteht daher darin, daß die Breit-Bandlücken-Schicht und die erste Schicht relativ gut lichtdurchlässig sind, so daß der größte Teil des auftreffenden Lichtes in die eigenleitende, amorphe Siliziumschicht eindringen und dort Träger durch lichtelektrischen Effekt erzeugen kann. Die dünne, dotierte Breit-Bandlücken-Schicht liefert auch einen Anteil an der Raumladung, die in Ergänzung zu der entsprechenden Wirkung der ersten, dotierten, amorphen Siliziumschicht zum Verarmen der eigenleitenden Schicht erforderlich ist. Hierdurch wird es möglich, das früher erforderliche hohe Dotierniveau der ersten Schicht herabzusetzen und damit auch die Rekombinationsverluste bei Absorption in dieser Schicht zu vermindern. Die erste Schicht braucht daher weder stark dotiert noch dick zu sein. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht darin, daß das Breit-Bandlükken-Material eine Rückdiffusion von in der eigenleitenden Schicht erzeugten örtlichen Minoritätsträgern ausschließt, wenn die Fotozelle in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, d.h. wenn das innere Feld der Zelle niedrig ist.

Claims (8)

  1. Dn.-Ing. Reimar König · Dipl.-fng. Klaus Bergen
    Cecilienalles 7B 4 Düsseldorf 3d Telefon 459008 Patentanwälte
    17. Dez. 1982
    34 723 B
    RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza,
    New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
    Fotozelle"
    Patentansprüche:
    Fotozelle (10) mit einer p-i-n-Schichtenfolge (18,20, 22) aus Wasserstoff enthaltendem, amorphem Silizium, gekennzeichnet durch eine Breit-Bandlücken-Schicht (16) des einen Leitungstyps aus einem Halbleitermaterial großen Bandabstands auf der ebenfalls den einen Leitungstyp aufweisenden Außenschicht (18) der Schichtenfolge (18,20,22) und Mittel (14,24) zum elektrischen Kontaktieren der Breit-Bandlücken-Schicht (16) und der dieser in der Schichtenfolge (18,20,22) gegenüberliegenden Außenschicht (22), wobei der Bandabstand des Materials der Breit-Bandlücken-Schicht (16) größer ist als derjenige des Materials der daran angrenzenden Außenschicht (18) der Schichtenfolge.
  2. 2. Fotozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breit-Bandlücken-Schicht (16) aus einem Silizium und Wasserstoff sowie Kohlenstoff oder Stickstoff enthaltenden, amorphen Material besteht.
    BAD ORIGINAL
  3. 3. Fotozelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Breit-Bandlücken-Schicht (16) eine Silizium-Kohlenstoff-Legierung ist.
  4. 4. Fotozelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Kohlenstoff-Legierung einen Bandabstand von mehr als 1,8 Elektronen-Volt (eV) besitzt.
  5. 5. Fotozelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breit-Bandlücken-Schicht (16) und die daran angrenzende erste Schicht (18) der Schichtenfolge (18,20,22) p-leitend und die der ersten Schicht der Schichtenfolge gegenüberliegende dritte Schicht (22) η-leitend ist.
  6. 6. Fotozelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht (22) mit einer aufliegenden Metallschicht (24) und die Breit-Bandlücken-Schicht (16) mit einer transparenten, leitenden Oxidschicht (14) elektrisch kontaktiert sind.
  7. 7. Fotozelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration eines die Leitfähigkeit verändernden Dotierstoffs in der ersten Schicht (18) ausgehend von einem Bereich angrenzend an die Breit-Bandlücken-Schicht (16) allmählich abnimmt.
  8. 8. Fotozelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration eines die Leitfähigkeit verändernden Dotierstoffs in der Breit-Bandlücken-Schicht (16) und der daran angrenzenden ersten Schicht (18) ausgehend von einem Bereich angrenzend an den elektrischen Kontakt (14) der Breit-Bandlücken-Schicht (16) allmählich abnimmt.
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