DE3426338A1

DE3426338A1 - Solarzelle

Info

Publication number: DE3426338A1
Application number: DE3426338A
Authority: DE
Inventors: Chikao Mito Ibaraki Uemura; Masafumi Yamaguchi; Akio Yamamoto
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1983-07-18
Filing date: 1984-07-17
Publication date: 1985-02-07
Also published as: FR2549642B1; DE3426338C2; FR2549642A1; US4591654A

Description

Die Erfindung betrifft eine InP-Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad und überlegener Beständigkeit gegen Strahlung.

Die Forschung beschäftigt sich in letzter Zeit mit Vorrichtungen für Satelliten-Kommunikationssysteme mit großer Kapazität, deren Architektur in Richtung auf ein Netzwerk-Informationssystem (INS-System) orientiert ist. Die hohen Übertragungskapazitäten dieser Kommunikationssysteme weisen einen großen Bedarf an elektrischer Leistung auf. Da die neuesten künstlichen Satelliten eine Lebensdauer von mindestens 10 Jahren aufweisen, die viel höher ist als bei früheren künstlichen Satellitensystemen, besteht ein starker Bedarf für Solarzellen zur Energieversorgung dieser Satelli-• ten, die einen höheren Wirkungsgrad und längere Lebensdauer aufweisen. Solarzellen sind im Weltraum, wo die Satelliten betrieben werden, verschiedenen Arten von Strahlung ausgesetzt, und diese Strahlung verursacht Gitterdefekte in den Halbleitern. Diese Gitterdefekte führen zu einem Absinken der Ausgangsleistung der Solarzellen, wie einem Qualitätsverlust durch Strahlung. Dieser Qualitätsverlust durch Strahlung ist entscheidend für die Lebensdauer einer Solarzelle.

Herkömmliche Solarzellen zur Anwendung im Weltraum sind Si-Solarzellen. Herkömmliche Si-Solarzellen weisen geringe Beständigkeit gegen den Qualitätsverlust durch Strahlung auf, weil das Material Si als Halbleiter eine indirekte Bandlücke hat.

Es wurden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, um die Strahlungsbeständigkeit von Si-Solarzellen zu verbessern, beispielsweise durch Optimieren des Leitfähigkeitstyps und

L J

. der Widerstandsfähigkeit der Si-Substratschicht oder durch Verwendung von Glasabdeckungen gegen Bestrahlung, die die Strahlenschäden verringern sollen. Die Lebensdauer dieser Solarzellen im Weltraum liegt jedoch immer noch in der Größenordnung von lediglich etwa 5 Jahren.

Ferner wurden Solarzellen mit GaAs, das eine direkte Bandlücke aufweist, für Anwendungen im Weltraum vorgeschlagen, beispielsweise in der US-PS 4 156 310. Obwohl die Strahlungsbeständigkeit von GaAs-Solarzellen gegenüber Si-Solarzellen verbessert ist, wird die Lebensdauer der GaAs-Solarzellen im Weltraum auf etwa 10 Jahre geschätzt und ist deshalb immer noch zu gering. Außerdem weist GaAs eine große Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit auf, so daß bei GaAs-Solarzellen eine Fensterschicht erforderlich ist, die den Einfluß dieser hohen Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit unterdrücken soll. Durch diese Fensterschicht wird die Struktur der Solarzelle und ihr Herstellungsverfahren komplizierter.

Figur 1 zeigt Beispiele der relativen Änderungen des Wirkungsgrades der photoelektrischen Energieumwandlung infolge von 1 MeV-Elektronenbestrahlung bei einer herkömmlichen Si-Solarzelle mit η -p-übergang und bei einer GaAS-Solarzelle mit heterogener Grenzfläche bzw. HeteroÜbergang.

Bei der Anwendung einer Solarzelle unter den Strahlungsbedingungen des Weltraumes sind unter den Teilchenstrahlen insbesondere die 1 MeV-Elektronen mit hoher Flußdichte zu

1R —·?

beachten. Die Fluenz von 1x10 cm entspricht im wesent lichen der gesamten Strahlungsfluenz von Solarzellen im geostationären Satellitenorbit während etwa 10 Jahren. Wenn also die vorstehend erläuterten Solarzellen unter Weltraumbedingungen etwa 10 Jahre lang betrieben werden, verringert sich der Umwandlungswirkungsgrad von Si-Solarzellen auf weniger als die Hälfte und der Wirkungsgrad von GaAs-

^Γ _ ₈ . "· ^: *-" ^: '--'342S338¹

Solarzellen auf etwa 70 % des ursprünglichen Umwandlungswirkungsgrades. Herkömmliche Si-Solarzellen und GaAs-Solarzellen weisen somit eine unzureichende Beständigkeit gegen Qualitätsverluste durch Strahlung auf. 5

Andererseits beträgt der theoretische Umwandlungswirkungsgrad für InP-Solarzellen ähnlich wie für GaAs-Solarzellen etwa 23 % (AMO; Air Mass zero). Während für CdS/lnP- und Indium-Zinn-Oxid(ITO)/InP-Solarzellen mit HeteroÜbergang Umwandlungswirkungsgrade von 14 bis 15 % (AM2) erzielt wurden, wurde für InP-Zellen mit HomoÜbergang lediglich in frühen Arbeiten über Wirkungsgrade von etwa 2 % berichtet.

Da die Kristallstrukturen der CdS- und InP-Schichten auf beiden Seiten des Überganges sich in diesen Zellen mit HeteroÜbergang voneinander unterscheiden, treten in den Übergängen Kristalldefekte auf. Da außerdem das Wachsen von CdS bei hohen Temperaturen durchgeführt wird, ist es wahrscheinlich, daß CdS in InP und InP in CdS eindiffundiert und daß durch diese Diffusion die Charakteristika des Überganges verändert werden.

In dem Artikel "High-efficiency InP-homojunction solar cells", vom G.W. Turner et al. auf den Seiten 400 - 402 von "Applied Physics Letter" 37 (4), 15. August 1980, wird über die Herstellung von InP-Zellen mit Homoübergang und Umwandlungswirkungsgraden von 14,8 % (AM1) berichtet. Die InP-Solarzellen mit HomoÜbergang wurden aus einer durch Flüssigphasenepitaxie (LPE) auf (100)-orientierten ρ -leitenden InP-Einkristallsubstraten mit einem Zn-Gehalt von etwa 10 cm" gewachsenen n⁺/p/p⁺-Struktur ausgebildete

Zunächst ließ man eine etwa 2 μπι dicke p-leitende Schicht

17 —3 +

mit 2x10 cm Zn wachsen, anschließend eine η -leitende

18 —3
Schicht mit 2-5 χ 10 cm Sn und einer Dicke zwischen 0,05 und 1,0 μπι.

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r . ₉ _

Mit diesen Solarzellen wurde jedoch nicht die Beständigkeit gegen Strahlung und der hohe Umwandlungswirkungsgrad von 18 % der GaAs-Zellen erreicht, und diese InP-Solarzellen sind deshalb zur Anwendung im Weltraum nicht geeignet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile zu beseitigen und eine Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad und überlegener Beständigkeit gegen Strahlung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst..Die Erfindung geht dabei von dem Grundgedanken aus, für die Solarzelle einen InP-Kristall mit überlegener Beständigkeit gegen Strahlung zu verwenden und die Ladungsträgerkonzentration des Substrates oder der Epitaxialschicht und die Übergangstiefe zu optimieren.

Die erfindungsgemäße InP-Solarzelle weist ein p-leitendes InP-Einkristallsubstrat mit einer Ladungsträgerkonzentra-

16 18 —3

tion von 2x10 bis 2 χ 10 cm und eine n-leitende InP-Schicht auf, der ein Dotierungsmittel aus mindestens einem Element der Gruppe VIb des Periodensystems einschließlich S, Se und Te zugesetzt ist und die mit einer Dicke von 0,05 bis 1 -μια auf dem Substrat angeordnet ist.

Vorzugsweise weist die η-leitende InP-Schicht eine Ladungs-

17 19-3

trägerkonzentration von 5x10 bis 1 χ 10 cm auf.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist die InP-Solarzelle ein p-leitendes Einkristallsubstrat, eine auf dem Substrat epitaxial gewachsene p-leitende InP-Schicht mit

1ß 18 —3

einer Ladungsträgerkonzentration von 2x10 bis 2x10 cm und eine η-leitende InP-Schicht auf, der ein Dotierungsmittel aus mindestens einem Element der Gruppe VIb des Periodensystems einschließlich S, Se und Te zugesetzt ist, und die mit einer Dicke von 0,05 bis 1 μΐη auf der p-leitenden InP-Schicht angeordnet ist.

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^Γ - ₁₀ - ·^:· ^: "-* ^: ""342G338¹

Vorzugsweise weist dabei die η-leitende InP-Schicht eine

17 19 — "3

Ladungsträgerkonzentration von 5x10 bis 1 χ 10 cm auf. Das p-leitende Einkristallsubstrat kann InP oder Si aufweisen.

Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung weist die InP-Solarzelle ein η-leitendes InP-Einkristallsubstrat mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1x10 bis

18 —3
1x10 cm und eine auf dem Substrat ausgebildete 0,1

bis 2 μπι dicke p-leitende InP-Schicht auf.

Auf der p-leitenden InP-Schicht kann dabei eine Fensterschicht ausgebildet sein. Die Fensterschicht kann

^¹X⁰⁶¹I-X* 0,47^In0,53^{As mit} ° ^<X = ^{1 Oder Al}0,47^In0,53^As aufweisen.

Bei einer vierten Ausführungsform der Erfindung weist die InP-Solarzelle ein η-leitendes Einkristallsubstrat, eine auf dem Substrat durch Epitaxialwachstum aufgebrachte

n-leitende InP-Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5x10 bis 1x10 cm und eine auf der n-leitenden InP-Schicht ausgebildete p-leitende InP-Schicht mit einer Dicke von 0,1 bis 2 μπι auf.

Auf der p-leitenden InP-Schicht kann dabei eine Fensterschicht vorgesehen sein. Die Fensterschicht kann (Al_xGa₁^)

aufweisen.

-x⁾0,47^In0,53^{As mit 0<X} -^{1 oder Al}0,47^In0,53^As

Das p-leitende Einkristallsubstrat kann InP oder Si aufweisen.

Auf der η-leitenden InP-Schicht ist vorzugsweise eine Gitterelektrode angeordnet. Die Gitterelektrode kann auch auf

der p-leitenden InP-Schicht oder auf der Fensterschicht angeordnet werden. Auf der η-leitenden oder der p-leitenden

InP-Schicht und der Gitterelektrode kann eine Antireflexions-Beschichtung ausgebildet sein. Auch auf der Fensterschicht und der Gitterelektrode kann eine Antireflexions-Beschichtung angeordnet sein. Auf der Rückseite des p-leitenden oder η-leitenden Substrates kann eine Rückseitenelektrode angeordnet sein.

Bei einer fünften Ausfuhrungsform weist die InP-Solarzelle ein Si-Einkristallsubstrat, eine erste InP-Schicht und eine zweite InP-Schicht, die einen zur Oberfläche des Substrates parallelen p-n-übergang ausbilden, und eine zwischen dem Substrat und der ersten InP-Schicht angeordnete Ga In₁ P-

Xl-X

Schicht mit 0=x=1 auf, wobei die Ga In_1- P-Schicht eine GaP-

X I ~X

Teilschicht oder eine Ga In₁ P-Teilschicht mit einem hohen

X Ί **"X

Zusammensetzungsanteil an Ga auf der Seite des Substrates und eine InP-Teilschicht oder eine Ga In_1- P-Teilschicht mit einem

Λ. Ι Λ.

hohen Zusammensetzungsanteil an In auf der Seite der ersten InP-Schicht aufweist.

Der Zusammensetzungsanteil bzw. das Zusammensetzungsverhältnds χ der Ga In_1- P-Schicht kann dabei von der Substratseite in Richtung auf die erste InP-Schicht allmählich abnehmen.

Die Ga In_1- P-Schicht kann aus einer InP/GaP-überstruktur-

X I ™"X

schicht mit abwechslungsweise geschichteten InP-Schichten und GaP-Schichten ausgebildet sein, wobei die dem Substrat benachbarte Schicht eine der GaP-Schichten und die der ersten InP-Schicht benachbarte Schicht eine der InP-Schichten ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm charakteristischer. Kurven mit Beispielen für den Qualitätsverlust durch Strahlung bei einem herkömmlichen Si-η -p-übergang und bei einer GaAs-Solarzelle mit heterogener Grenzschicht,

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^Γ - ₁₂ -

Fig. 2 ein Diagramm charakteristischer Kurven zum Vergleich der Strahlungsauswirkungen auf die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in einem GaAs-Einkristall mit denjenigen bei einem erfindungsgemäßen InP-Einkristall,

Figuren 3 und 4 Diagramme charakteristischer Kurven, die die Auswirkungen der Leitungstypen und der Ladungsträgerkonzentration auf die Strahlungsauswirkungen des erfindungsgemäßen InP-Einkristalles zeigen,

Figuren 5, 6, 7A, 7D, 7E, 8, 9, 10 und 11 Querschnitte von neun Ausführungsformen von Strukturen der erfindungsgemäßen InP-Solarzelle,
15

Figuren 7B und IC Energieband-Diagramme von InP-Solarzellen gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik,

Figur 12 ein Diagramm charakteristischer Kurven zum Vergleich der durch Bestrahlung mit 1 MeV-Elektronen verursachten Änderungen des Umwandlungswirkungsgrades bei einer herkömmlichen GaAs-Solarzelle und einer erfindungsgemäßen Solarzelle,

Figur 13 ein Diagramm, das die Auswirkungen der Ladungsträgerkonzentration des Substrats oder der Epitaxieschicht auf die Strahlungsbeständigkeit einer erfindungsgemäßen Solarzelle darstellt,

Figur 14 ein Diagramm, das die Auswirkung der übergangs-

tiefe auf die Strahlungsbeständigkeit und auf den ursprünglichen Umwandlungswirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Solarzelle darstellt und

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Figur 15 ein Diagramm charakteristischer Kurven zum Vergleich der Art der Strahlungsverschlechterung des Umwandlungswirkungsgrades für herkömmliche Solarzellen und für eine erfindungsgemäße Solarzelle. 5

Nachstehend werden beispielhaft verschiedene Ausführungsformen der Erfindung erläutert.

Figur 2 zeigt den Vergleich zwischen den Änderungen in der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger aufgrund der Bestrahlung mit 1 MeV-Elektronen bei einem GaAs-Einkristall und beim erfindungsgemäßen InP-Einkristall. Die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger wird für die abgespaltene Oberfläche eines pn-überganges unter Verwendung des Elektronenstrahl-Induktionsstrom-Verfahrens (electron beam inducing current method) mit einer Ladungsträgerkonzentration ρ_Λ von

16 —3

etwa 2x10 cm gemessen. Die Diffusionslänge der Minorität sladungsträger ist von Bedeutung als ein physikalischer Parameter, der die Charakteristika der Solarzelle stark beeinflußt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, daß der Abfall der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger aufgrund der Bestrahlung bei einem InP-Einkristall kleiner ist als bei einem GaAs-Einkristall.

Figur 3 zeigt, daß eine relative Beschädigungskonstante für die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in InP-Einkristallen von deren Ladungsträgerkonzentrationen abhängt, wenn erfindungsgemäße InP-Einkristalle mit 1 MeV-Elektronen bestrahlt wenden. Auch in diesem Fall wird die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger mit dem Elektronenstrahl-Induktionsstrom-Verfahren gemessen. Die Ergebnisse des Experimentes zeigen, daß der Qualitätsverlust durch Strahlung bei η-leitenden InP-Einkristallen kleiner ist als bei p-leitenden InP-Einkristallen. Die Ergebnisse deuten an, daß bei der Herstellung einer InP-Solarzelle mit flacher übergangstiefe die Strahlungsbeständigkeit der Konfiguration mit ρ -η-'

übergang besser ist als diejenige der Konfiguration mit η -p-Ubergang. Es zeigt sich auch/ daß die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger bei einem InP-Einkristall mit höherer Ladungsträgerkonzentration weniger stark abnimmt.

Figur 4 zeigt die Abhängigkeit einer relativen Ladungsträger-Entfernungsrate/auf die Ladungstragerkonzentration von p- und n-leitenden InP-Einkristallen, wenn sie mit 1 MeV-Elektronen bestrahlt werden. Nach diesem Ergebnis ist die relative Ladungsträger-Entfernungsrate für η-leitende InP-Einkristalle aufgrund der Bestrahlung geringer als für p-leitende InP-Einkristalle. Es zeigt sich auch, daß InP-Einkristalle mit höherer Ladungstragerkonzentration die kleinere

Ladungsträger-Entfernungsrate aufweisen. 15

Aus den Ergebnissen der vorstehenden Experimente folgt, daß die Bestrahlungsbeständigkeit von InP-Einkristallen besser ist als diejenige von GaAs-Einkristallen. Aus den Experimenten läßt sich auch erkennen, daß der Grad der Verringerung ²^ der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger und der Ladungstragerkonzentration in InP-Einkristallen aufgrund von Bestrahlung mit 1 MeV-Elektronen von dem Leitungstyp und der Ladungsträgerkonzentration des InP-Einkristalles abhängt.

Die Erfindung basiert auf den vorstehenden Phänomenen und nutzt diese in vorteilhafter Weise aus. Die Experimente deuten an, daß InP-Solarzellen mit besserer Beständigkeit gegen Qualitätsverlust durch Strahlung als GaAs-Solarzellen hergestellt werden können.

Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen InP-Solarzelle mit Bezug auf die Figuren 5, 6, 7A, 7D, 7E, 8, 9, 10 und 11 erläutert.

^Γ - is - --- ^: '··' ^; "-'342G338¹

Figur 5 zeigt eine Ausführungsform einer Konfiguration einer erfindungsgemäßen InP-Solarzelle. Auf einem p-leitenden InP-Einkristallsubstrat 1 ist eine η-leitende InP-Schicht 2 durch Epitaxie- oder thermische Diffusionsverfahren aufgebracht. Auf der η-leitenden Schicht 2 sind Ohm'sche Kontakte 3 aus Au-Ge oder dergleichen mit einem gitterfÖrmigen Muster ausgebildet. Auf der Oberfläche der η-leitenden Schicht 2 ist eine Antireflexions-Beschichtung 4 aus SiO₂, ^sio^N4 oder dergleichen aufgebracht, die die Kontakte 3 bedeckt. Auf der Rückseite des Substrates 1 ist eine Ohm'sche Rückseitenelektrode 5 angeordnet, beispielsweise aus Au-Zn. Das Sonnenlicht fällt von der Seite der Antireflexions-Beschichtung 4 ein.

Figur 6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Konfiguration einer erfindungsgemäßen Solarzelle. Bei dieser Ausführungsform ist eine p-leitende InP-Schicht 16 durch Epitaxieverfahren auf einem p-leitenden InP-Einkristallsubstrat 11 aufgewachsen. Die η-leitende InP-Schicht 2 ist durch Epitaxieverfahren auf die

Schicht 16 aufgebracht.
20

Figur 7A zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen InP-Solarzelle. Bei dieser Ausführungsform ist eine

p-leitende Ga In₁ P-Schicht 27 (0=x=1) durch Epitaxieverfahx ι —χ

ren auf einem p-leitenden Si-Einkristallsubstrat 21 aufge-

bracht. Auf der p-leitenden Schicht 27 ist ferner durch Epitaxieverfahren eine p-leitende InP-Schicht 26 aufgewachsen. Die η-leitende InP-Schicht 2 ist durch Epitaxiewachstum auf der p-leitenden InP-Schicht 26 aufgebracht. Die weitere Struktur der Ausführungsformen gemäß Figur 6 und 7A ent-

spricht derjenigen von Figur 5.

Das InP-Einkristallsubstrat ist teurer als ein Silicium-Einkristallsubstrat, und InP weist eine Dichte von etwa 4,8 g/cm auf, d.h., es ist etwa doppelt so schwer wie Si. Eine Solar-

zelle mit einem InP-Substrat ist deshalb teuer und schwer und weist deshalb bezüglich der Leistungsfähigkeit pro Gewichtseinheit Nachteile auf.

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J4/.Ü338

Im Falle einer GaAs-Solarzelle kann ein Siliciumsubstrat einfach angepaßt werden, in^dem eine Ge-Einkristallschicht, deren Gitterkonstante im wesentlichen gleich wie diejenige von GaAs ist, zwischen der Si-Einkristallschicht und der GaAs-Einkristallschicht angeordnet wird. Andererseits ist im Falle einer InP-Solarzelle der Unterschied der Gitterkonstanten zwischen InP und Si größer als derjenige zwischen GaAs und Si, und es gibt keinen Halbleiter, dessen Gitterkonstante im wesentlichen gleich wie diejenige von InP ist, wie Ge im Falle von GaAs, so daß eine InP-Solarzelle mit Siliciumsubstrat bisher nicht realisiert wurde.

Bei der Ausfuhrungsform gemäß Figur 7A ist die p-leitende Ga In₁ P-Epitaxialschicht 27 zwischen dem p-leitenden SiIiciumsubstrat 21 und der p-leitenden InP-Schicht 26 angeordnet, um die vorstehende Anforderung zu erfüllen. Insbesondere weist die Schicht 27 beispielsweise eine GaP-Schicht oder eine . Ga In_-. P-Schicht mit einem höheren Anteil an Ga auf der Sei-

Ji I JL·

te des Si-Substrates 21 und eine InP-Schicht oder eine

Ga In₁ P-Schicht mit einei
χ τ —χ

te der InP-Schicht 26 auf.

Ga In₁ P-Schicht mit einem höheren Anteil an In auf der Seix τ —χ

Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen InP-Solarzelle ist in Figur 7D dargestellt. Gemäß Figur 7D ist eine p-leitende GaP-Schicht 50 auf dem p-leitenden Si-Substrat 21 ausgebildet. Auf der p-leitenden GaP-Schicht 50 ist eine p-leitende Ga In₄ P-Schicht 27 ausgebildet, wobei sich das

X ι —X

Verhältnis χ der Bestandteile kontinuierlich oder schrittwei se allmählich ändert, wie vorstehend erläutert. Auf der p-leitenden Ga In₁ P-Schicht 57 ist die p-leitende InP-

Jx I Λ«

Schicht 26 ausgebildet.

Das aufeinanderfolgende Wachstum der GaP-Schicht 50, der Ga In P-Schicht 57, der p-leitenden Schicht 26 und der η-leitenden InP-Schicht 2 auf dem p-leitenden Si-Substrat 21 kann in geeigneter Weise durch ein metallorganisches chemi-

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sches Gasphasenabscheidungsverfahren (MOCVD-Verfahren) durchgeführt werden, durch das die Zusammensetzungen der wachsenden Schichten leicht gesteuert werden können und das zur Massenproduktion geeignet ist. Ferner lassen sich auch Molekularstrahlepitaxie-Verfahren oder Gasphasenabscheidungsverfahren (VD-Verfahren) unter Verwendung von Halogen-Verbindungen mit guten Ergebnissen einsetzen.

Bei dieser Struktur ist die Gitterkonstante von 5,45 A (0,545 nm) von GaP im wesentlichen gleich groß wie die Gitter-

konstante von Si von 5,43 A (0,543 nm), so daß eine GaP-Schicht hoher Qualität auf dem Si-Einkristallsubstrat wachsen kann. Auf der GaP-Schicht wächst die Ga In. P-Schicht mit einer

X ■ I"X . .

allmählichen Änderung des Zusammensetzungsverhältnisses χ zwischen 1 und 0 auf und darauf schließlich die InP-Schicht (x=0), so daß eine mögliche Gitterdeformation aufgrund des Unterschiedes der Gitterkonstanten zwischen Si und InP durch die Ga In. P-Schicht 27 relaxiert wird, und die aufgewachsene InP-Schicht 26 ist eine Schicht hoher Qualität ohne Defekte, wie Versetzungen aufgrund von Fehlpassungen oder dergl.

Das vorstehend erläuterte Zusammensetzungsverhältnis χ kann entweder kontinuierlich allmählich hgeändert werden oder kontinuierlich schrittweise in Schritten von beispielsweise 0,05 bis 0,2 zwischen dem p-Leitenden Si-Substrat 21 und der InP-Schicht 26.

Zwischen dem p-leitenden Si-Substrat 21 und der InP-Schicht kann eine Schicht mit einer InP/GaP-tiberstruktur¹ mit etwa 50 sehr dünnen Schichten angeordnet werden, wobei dünne InP-Schichten und GaP-Schichten mit einer Dicke von jeweils etwa

100 A (10 nm) abwechslungsweise derart geschichtet oder laminiert werden, daß eine dünne GaP-Schicht benachbart zum Si-Substrat und eine dünne InP-Schicht benachbart zur InP-Schicht 26 angeordnet sind.

- is ~ "^:" ^: *"*" ^: "3Ä26338¹

Eine Ausfuhrungsform mit einer Schicht mit Überstruktur ist in Figur 7E dargestellt. Gemäß Figur 7E ist eine InP/GaP-überstrukturschicht 67 derart auf der p-leitenden GaP-Schicht 50 angeordnet, daß sehr dünne InP-Schichten und sehr dünne GaP-Schichten mit einem Durchmesser von jeweils etwa

100 A (10 nm) aufeinandergeschichtet sind und daß eine der sehr dünnen GaP-Schichten auf dem p-leitenden Si-Substrat 21 angeordnet ist und eine der sehr dünnen InP-Schichten auf der InP-Schicht 26 angeordnet ist. Die p-leitende InP-Schicht 26 ist auf der überstrukturschicht 67 ausgebildet.

Bei dieser Ausgestaltung wird die Ausbildung von Fehlpassungsversetzungen oder dergl. unterdrückt, selbst wenn sich die Gitterkonstanten zwischen InP und GaP unterscheiden. Infolgedessen weist die auf der überstrukturschicht ausgebildete p-leitende InP-Schicht 26 gute Qualität und wenige Kristalleffekte auf.

Bei der in Figur 7A dargestellten Ausführungsform weist die Ga In_1- P-Schicht 27 eine große Bandlücke auf, und dementsprechend wird eine Potentialbarriere gegen die in der InP-Schicht 26 erzeugten Minoritätsladungsträger ausgebildet, so daß der Konversionswirkungsgrad vergrößert wird.

Die Wirkung der Potentialbarriere wird mit Bezug auf die Figuren 7B und 7C erläutert, die der Ausführungsform · gemäß Figur 7A bzw. einer bekannten Solarzelle mit η -p-übergang entsprechen. In den Figuren 7B und 7C zeigt "e" ein

Elektron oder einen Elektronenfluß an. 30

Wie aus Figur 7B ersichtlich, können die in der p-leitenden InP-Schicht erzeugten Minoritätsladungsträger (Elektron e) aufgrund der durch die p-leitende Ga In₁ P-Schicht ausgebildeten Potentialbarriere nicht rückwärts diffundieren. Infolgedessen erhöht sich die Anzahl der in die InP-Schicht vom n⁺-Typ fließenden Elektronen, und entsprechend wird der Konversionswirkungsgrad verbessert.

L J

^Γ - 19 -

Gemäß Figur 7C diffundieren die in der p-leitenden InP-Schicht erzeugten Elektronen e weiter im Innern der p-leitenden InP-Schicht, so daß die Zahl der in die InP-Schicht vom η -Typ fließenden Elektronen kleiner ist als diejenige im Falle von Figur 7B. Dies bedeutet eine Verringerung des Konversionswirkungsgrades .

InP weist eine kleinere Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit als GaAs auf, so daß die Struktur einer InP-Solarzelle keine Fensterschicht erfordert, die für eine GaAs-Solarzelle wesentlich ist. Infolgedessen kann eine InP-Solarzelle mit einfacher Struktur ausgebildet werden, wie in den Figuren 5, 6, 7A, 7D oder 7E gezeigt.

Figur 8 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen InP-Solarzelle mit einem η-leitenden InP-Einkristallsubstrat 31 und einer auf dem Substrat 31 gewachsenen p-leitenden InP-Schicht 32. Die Ohm¹sehen Kontakte 3 mit Gittermuster sind auf der p-leitenden InP-Schicht 32 angeordnet. Die Antireflexions-Beschichtung 4 bedeckt die Kontakte 3 auf der p-leitenden InP-Schicht 32. Die Elektrode 5 ist auf der Rückseite des Substrates 31 angeordnet.

Figur 9 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen InP-Solarzelle mit einer η-leitenden InP-Epitaxialschicht 46, die mittels Epitaxieverfahren auf ein n-leitendes InP-Einkristallsubstrat 41 mit hoher Ladungsträgerkonzentration aufgebracht ist. Auf der Epitaxialschicht 46 ist die p-leitende InP-Schicht 32 angeordnet. Die Ohm¹sehen Kontakte 3 weisen ein Gittermuster auf, die Antireflexions-Beschichtung 4 und die Elektrode 5 auf der Rückseite sind wie in der Ausführungsform gemäß Figur 8 ausgebildet.

Figur 10 zeigt eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen InP-Solarzelle. Auf der p-leitenden InP-Schicht 32 gemäß der Solarzellenstruktur von Figur 8 ist eine p-leiten-

L J

de Fensterschicht 8 ausgebildet, beispielsweise aus (Al Ga. }. 47^Ino 53^As °^^er ^n 47*ⁿ0 53^ASf ^eren Gitter an InP angepaßt ist. Die Antireflexions-Beschichtung 4 ist auf der p-leitenden Fensterschicht 8 ausgebildet. Die übrige Konfiguration entspricht derjenigen von Figur 8.

Figur 11 zeigt eine siebte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen InP-Solarzelle. Auf der p-leitenden InP-Schicht 32 der Solarzellenstruktur gemäß Figur 9 ist eine p-leitende Fensterschicht 8 ausgebildet, beispielsweise aus (Al Ga.. ) Q ₄_In_n c-jAs cder Al₀ .-In_{0 5}qAs,und die Antireflexions-Beschichtung 4 ist auf der p-leitenden Fensterschicht 8 ausgebildet. Die übrige Konfiguration entspricht derjenigen gemäß Figur 9.

Die Substratschichten 1 und 31 in den Figuren 5, 8 und 10 wirken sowohl als aktive Schicht für die photovoltaische .Umwandlung als auch als Substratschicht. In den Ausführungsformen gemäß den Figuren 6, 7A, 7D, 7E, 9 und 11 sind die aktive Schicht und die Substratschicht getrennt ausgebildet, beispielsweise als Schichten 16 und 11, 26 und 21, 46 und Obwohl diese getrennten Schichten eine relativ komplizierte Struktur ergeben, weist diese Schichtstruktur Vorteile auf bezüglich Problemen mit erhöhtem Reihenwiderstand, die aus a_er verringerten Ladungsträgerkonzentration aufgrund der Bestrahlung resultieren.

Zudem kann bei dieser Multi-layer-Struktur ein Siliciumsubstrat verwendet werden, wie in den Figuren 7A, 7D oder 7E dargestellt, das leicht und preiswert ist, so daß eine InP-Solarzelle mit geringem Gewicht und niedrigen Kosten realisiert werden kann.

Bei der Struktur der InP-Solarzelle gemäß Figur 5 ist wich-³^ tig, daß eine Fensterschicht aus einem Material mit großer Bandlücke, wie in herkömmlichen GaAs-Solarzellen, nicht er-

L ' J

forderlich ist, und daß die einfache Struktur, beispielsweise gemäß den Ausfuhrungsformen der Figuren 5 bis 9, Vorteile bei der Herstellung aufweist. Dieser Vorteil der InP-Solarzellen ist dem Umstand zuzuschreiben, daß die Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit für InP um etwa drei Größenordnungen geringer ist als diejenige für GaAs.

In Figur 12 sind die Änderungen des Wirkungsgrades aufgrund einer Bestrahlung mit 1 MeV-Elektronen bei einer übergangstiefe x. von 0,7 um bei einer herkömmlichen GaAs-Solarzelle mit heterogener Grenzschicht (Kurve F) und bei einer erfindungsgemäßen InP-Solarzelle gegenübergestellt. Die Kurven A, B und C entsprechen Fällen, in denen das p-leitende InP-Substrat 1 gemäß Figur 5 eine Ladungsträgerkonzentration von P₀ ⁰¹SxIO¹⁵ cm"³, p₀ & 2 χ 10¹⁶ cm"³ bzw. P₀ ^ 1 x 10¹⁷ cm³ aufweist. Die Kurven D und E zeigen Fälle, in denen das η-leitende InP-Substrat 31 gemäß Figur 8 eine Ladungsträgerkonzentra
aufweist.

g g

konzentration n_Q * 5 χ 10¹⁵ cm"³ bzw. n_Q ~ ί χ 10^1β cm"³

Aus Figur 12 geht hervor, daß die Charakter!stika einer erfindungsgemäßen InP-Solarzelle denjenigen einer GaAs-Solarzelle mit heterogener Grenzschicht überlegen sind, die bisher als Solarzelle mit guter Strahlungsbeständigkeit betrachtet wurde. Wenn man annimmt, daß die Lebensdauer einer Solarzelle als diejenige Periode definiert ist, während der/Wirkungsgrad der Solarzelle relativ zum ursprünglichen Wirkungsgrad mindestens 75 % beträgt, ist aus Figur 12 klar ersichtlich, daß bei der Verwendung einer InP-Solarzelle im Weltraum für eine InP-Solarzelle mit der η -p-Struktur eine Lebensdauer von mindestens 10 Jahren und für eine InP-Solarzelle mit der ρ -η-Struktur eine Lebensdauer von mindestens 200 Jahren erwartet werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen InP-Solarzelle nimmt der Qualitätsverlust aufgrund der Strahlung ab, wenn die Ladungsträger-

L J

konzentration der p-Schicht oder η-Schicht zunimmt, und der Qualitätsverlust in der ρ -η-Struktur ist geringer als derjenige in der η -p-Struktur.

Bei der in den Figuren 5 bis 11 dargestellten erfindungsgemäßen Solarzelle wird eine in Figur 13 dargestellte Beziehung eingehalten zwischen der Ladungsträgerkonzentration n_n,

—3
P₀ (cm ) des inP-Einkristallsubstrates oder der InP-Epitaxialschicht, und dem eine 25prozentige Verringerung der ursprünglichen Ausgangsleistung hervorrufenden 1 MeV-Elektronenfluß, d.h. der Strahlungsbeständigkeit der Solarzelle* Die Beziehung läßt sich durch Aufzeichnen des Elektronenflusses für verschiedene Ladungsträgerkonzentrationen erhalten, auf einem Diagramm wie in Figur 12, das die Be-Ziehung zwischen der 1 MeV-^lektronenfluenz 'und der relativen Ausgangsleistung bzw. dem Konversionswirkungsgrad zeigt.

In Figur 13 bezieht sich Kurve I auf eine in "Figur 9 oder 11 dargestellte, erfindungsgemäße InP-Solarzelle mit ρ -n-übergang. Kurve II bezieht sich auf eine in Figur 8 oder 10 dargestellte, erfindungsgemäße InP-Solarzelle mit ρ -n-übergang. Kurve III von Figur 13 bezieht sich auf eine in Figur 5, 6, 7A, 7D oder 7E gezeigte, erfindungsgemäße InP-Solatzelle mit η -p-Ubergang. Kurve IV von Figur 13 bezieht sich auf eine herkömmliche GaAs-Solarzelle.

In Figur 13 zeigt die waagrechte Achse die Ladungsträgerkonzentration p₀ eines p-leitenden InP-Substrates (Figur 5) oder einer p-leitenden Epitaxialschicht (Figur 6, 7A, 7D oder 7E) , .©ine Ladungsträgerkonzentratioh n_Q eines n-leitenden InP-Substrates (Figur 8 oder 10) oder einer η-leitenden Epitaxialschicht (Figur 9 oder 11) in einer erfindungsgemäßen Solarzelle.

Die Kurve IV von Figur 13 ist flach, da im Falle einer GaAs-Solarzelle die Größe der Abnahme der Diffusionslänge der

_ 23 - OhZuo ju

Minoritätsladungsträger aufgrund einer Bestrahlung mit 1 MeV-Elektronen von der Ladungsträgerkonzentration der n-leitenden Schicht nahezu unabhängig ist. Andererseits hängen in InP-Solarzellen sowohl die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger (Figur 3) als auch die Abnahme der Ladungsträgerkonzentration (Figur 4) stark von der Ladungsträgerkonzentration ab, und demgemäß zeigt der einer 25prozentigen Verringerung des ursprünglichen Ausganges entsprechende 1 MeV-Elektronenfluß eine bemerkenswerte Abhängigkeit von der Ladungsträgerkonzentration.

Es hat sich gezeigt, daß die Strahlungsbeständigkeits-Charakteristika der in den Figuren 5, 6, 7A, 7D oder 7E dargestellten InP-Solarzellen mit η -p-Ubergang verbessert werden, wenn die Ladungsträgerkonzentration des p-leitenden InP-Substrates oder der p-leitenden InP-Epitaxialschicht zunimmt. Mit Bezug auf Figur 13 kann die Ladungsträgerkonzentration des p-leitenden InP-Substrates oder der p-leitenden InP-Epitaxialschicht folgendermaßen bestimmt werden.

Wenn in Kurve III von Figur 13 für p_ ein Wert von mindestens

16 —3
2x10 cm gewählt wird, läßt sich die Lebensdauer der Solarzellen verglichen mit den GaAs-Solarzellen gemäß Kurve IV verbessern. Infolgedessen verringert sich die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, wie Elektronen, wenn die Ladungsträgerkonzentration mindestens 2 χ 10 cm beträgt, und dementsprechend nimmt der ursprüngliche Konversionswirkungsgrad ab.

Figur 13 zeigt deutlich, daß in der in den Figuren 8 oder gezeugten Ausführungsform (Kurve II) für eine erfindungsgemäße InP-Solarzelle mit p⁺-n-übergang die mit dieser Solarzelle erzielten Charakteristika diejenigen von herkömmlichen GaAs-Solarzellen (vgl. Kurve IV) übertreffen, wenn die Ladungsträgerkonzentration n_n des η-leitenden InP-Einkristall-

15 -3
substrates 1 χ 10 cm beträgt. Wenn die Ladungsträgerkon-

L J

^Γ - 24 -

zentration η_η des η-leitenden InP-Einkristallsubstrates min-

15 -3
destens 5x10 cm beträgt, übertreffen die mit InP-Solarzellen mit ρ -η-Übergang erzielten Charakteristika diejenigen von InP-Solarzellen mit η -p-übergang (vgl. Kurve III) ebenfalls. Die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, wie

18 -^i Löcher, nimmt ab, wenn n_ mindestens 1x10 cm beträgt, und entsprechend nimmt der ursprüngliche Umwandlungswirkungsgrad ab.

Zudem läßt sich bei den in den Figuren 9 oder 11 dargestellten Strukturen eine stark verbesserte Strahlungsbeständigkeit erzielen, wenn die Ladungsträgerkonzentration n_n der n-leiten

14 -3 den InP-Schicht 46 mindestens 5x10 cm beträgt. Es ist wesentlich, daß die in Figur 9 oder 11 dargestellte Struktur bei geringen Ladungsträgerkonzentrationen eine bessere Strahlungsbeständigkeit zeigt als die in den Figuren 8 oder 10 dargestellte Struktur. Der Grund dürfte darin liegen, daß die Dicke der η-leitenden InP-Schicht 46 etwa 5 μΐη beträgt und relativ zum Substrat 31 mit einer Dicke von etwa 500 um dünn .20 ist, und daß dementsprechend fast kein Problem auftritt, selbst wenn der Reihenwiderstand aufgrund der durch die Bestrahlung verursachten Abnahme der Ladungsträgerkonzentration zunimmt.

Wenn eine erfindungsgemäße InP-Solarzelle mit ρ -n-übergang eine Struktur gemäß den Figuren 8 oder 10 aufweist, werden die Charakteristika der Strahlungsbeständigkeit verbessert, wenn die Ladungsträgerkonzentration des η-leitenden InP-Einkristallsubstrates 31 zunimmt. Wenn eine erfindungsgemäße InP-Solarzelle mit ρ -η-Übergang eine Struktur gemäß den Figuren 9 oder 11 aufweist, werden die Charakteristika der Strahlungsbeständigkeit verbessert, wenn die Ladungsträgerkonzentration in der η-leitenden InP-Schicht 46 zunimmt.

Die Ladungsträgerkonzentration des η-leitenden Substrates 31 kann durch Zusatz von Verunreinigungen, wie Si, Sn, Ge, S, Se

L J

r _ ₂₅ _ .:. : ·-.· : 3Λ2Β3 38¹

oder Te, auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. Die in Figur 12 dargestellte Charakteristik wird aufgrund der Art der zugesetzten Verunreinigungen nicht geändert.

Bei den in den Figuren 8 bis 11 gezeigten Konfigurationen kann das Substrat 31 ein (100)-orientierter, η-leitender InP-Einkristall mit Verunreinigungen, wie Si, Sn, Ge, S, Se oder Te sein und eine Ladungsträgerkonzentration zwischen

15 18—3

1 χ 10 und 1 χ 10 cm aufweisen. Das η-leitende InP-Einkristallsubstrat 41 mit hoher Ladungsträgerkonzentration kann auch aus einem (100)-orientierten η-leitenden InP-Einkristall hergestellt sein, der die vorstehenden Verunreinigungen in einer derartigen Menge enthält, daß die Ladungsträgerkonzentrati

wird.

17 19 —3

tration im Bereich von 5x10 bis 1x10 cm eingestellt

Die η-leitende InP-Epitaxialschicht 46 kann hergestellt werden durch OMCVD-Verfahren, herkömmliche Flüssigphasenepitaxie-

vcn Verfahren, VD-Verfahren unter Verwendung/Halogenverbindungen oder Molekularstrahlepitaxie-Verfahren, und weist vorzugs-

1 λ weise eine Ladungsträgerkonzentration zwischen 2 χ 10 und

17-3
5x10 cm und eine Dicke von 1 bis 5 μπι auf.

Die p-leitende InP-Schicht 32 kann durch neues Aufwachsen durch Epitaxie auf dem η-leitenden InP-Einkristallsubstrat 31 oder der η-leitenden Epitaxialschicht 46 hergestellt werden. Gegebenenfalls kann auch der Oberflächenabschnitt des n-leitenden InP-Einkristallsubstrates 31 oder der η-leitenden InP-Epitaxialschicht 46 durch thermisches Eindiffundieren von Akzeptor-Verunreinigungen, wie Zn, in den p-Typ umgewandelt werden. In diesem Fall kann die Ladungsträgerkonzentration der p-leitenden InP-Schicht 32 zwischen 5 χ 10¹⁷ und 1 χ 10 cm und die Übergangstiefe x. zwischen 0,05 und 2 μπι betragen. Für die Struktur einer in den Figuren 8 und 10 dargestellten

16 —3 InP-Solarzelle mit n_Q = 1 χ 10 cm zeigt die Kurve I in

Figur 14 die Beziehung zwischen der Bestrahlungsbeständig-

L J

keit, d.h. der Lebensdauer unter dem Einfluß der Weltraumstrahlung (1 MeV-Elektronenfluenz entsprechend einer 25prozentigen Verringerung der ursprünglichen Ausgangsleistung) und der Dicke der p-leitenden InP-Schicht 32, d.h. der übergangstiefe x.. Es zeigt sich, daß die Charakteristik der Bestrahlungsbeständigkeit mit der Verringerung der Übergangstiefe x. verbessert wird.

Außerdem ist aus der in Kurve II dargestellten Beziehung zwisehen dem ursprünglichen Umwandlungswirkungsgrad und der Ubergangstiefe x. ersichtlich, daß der Umwandlungswirkungsgrad vor der Bestrahlung, also der ursprüngliche Umwandlungswirkungsgrad der InP-Solarzelle ebenfalls zunimmt, wenn die Übergangstiefe x. verringert wird.
15

Aus den in Figur 14 dargestellten Ergebnissen geht hervor, daß. sich eine InP-Solarzelle mit überlegener Beständigkeit gegen Strahlung und hohem'Wirkungsgrad realisieren läßt, wenn die Übergangstiefe x., d.h. die Dicke der p-leitenden InP-Schicht 32 höchstens 2 um beträgt.

Wenn x. 0,1 μΐη oder weniger beträgt, nimmt der Widerstand in Horizontalrichtung der ρ -Schicht 32 parallel zur Fläche des Überganges zu und infolgedessen nimmt der ursprüngliche Um-Wandlungswirkungsgrad ab. Der Grund dafür, daß x. in der ρ Schicht 32 größer als im Falle der η -Schicht/gemäß den Figuren 5 oder 6 ist, die nachstehend erläutert werden, dürfte darin liegen, daß Zn oder Cd als Dotierungsmittel der ρ Schicht 32 zugesetzt werden können, um eine Ladungsträgerkonzentration von nur etwa 10 cm~ zu erhalten, während S, Se oder Te als Dotierungsmittel der η -Schicht 2 zugesetzt werden können, um eine hohe Ladungsträgerkonzentration von

20 —3
10 cm zu erhalten, und daß die Beweglichkeit der Lö niedriger ist als die Beweglichkeit der Elektronen.

L J

^Γ _ ₂₇ „ *^:' ^: '""* ^: 3'4263 3S¹

Bei den in den Figuren 5, 6, 7A, 7D und 7E dargestellten InP-Solarzellen mit η -ρ- und η -p-p -Strukturen werden die Charakteristika der Bestrahlungsbeständigkeit ebenfalls verbessert, wenn die übergangstiefe x. abnimmt. Infolgedessen läßt sich eine InP-Solarzelle mit überlegener Strahlungsbeständigkeit und hohem ursprünglichen Wirkungsgrad erzielen, indem x. auf höchstens 1 μπι eingestellt wird. Wenn x. 0,05 μΐη oder weniger beträgt, verringert sich der ursprüngliche Umwandlungswirkungsgrad, da der Widerstand in Horizontalrichtung der η -Schicht 2 parallel zur Fläche des Überganges zunimmt, so daß infolgedessen die Reihenwiderstands-Komponente zunimmt. Die Reproduzierbarkeit bei der Herstellung der Solarzelle wird ebenfalls erheblich verringert, wenn x. 0,05 μπι oder weniger

beträgt.
15

Nachstehend wird die Herstellung der in den Figuren 8,9, 10 und 11 gezeigten Ohm¹sehen Kontakte 3 erläutert. Bei der in den Figuren 8, 9, 10 und 11 gezeigten InP-Solarzelle mit ρ -η-Übergang wird Au-Zn (5 %) mit einer Dicke von etwa

2000 A (200 nm) mittels Vakuum-Niederschlagung auf die p-leitende InP-Schicht 2 aufgebracht. Dann wird das Gittermuster mit beispielsweise einem Gitterabstand oder Intervall von 500 μπι und einer Breite von 50 μπι durch Abhebe verfahren unter Verwendung eines Photoresists hergestellt. Als die in den Figuren 8, 9, 10 und 11 dargestellte Antireflexions-Beschichtung 4 kann Ta₀O- verwendet werden, und der Ta_o0_-Film wird auf der Schicht 32 oder 8 mit einer Dicke von 700 A (70 nm) durch Vakuum-Deposition derart niedergeschlagen, daß der Film

die Gitterelektrode 3 bedeckt.
30

Für die Rückseiten-Elektrode 5 der in den Figuren 8, 9, 10 und 11 gezeigten InP-Solarzelle mit p⁺-n-übergang kann Au-Sn

(10 %) mit einer Dicke von etwa 2000 A (200 nm) durch Vakuumdeposition auf der Rückseite des Substrates 31 niedergeschla-,

gen werden.

L J

^Γ - 28 - ·^:* ^: ""* ^: 3'4263

Bei der Solarzelle gemäß den Figuren 10 und 11 kann die p-leitende Fensterschicht 8 aus AlGaInAs oder AlInAs, beispielsweise (Al_xGa^_xJ_{0 47}In_{Q 53}As oder Al_{Q 47}In_{Q 53}As ausgebildet werden. Zusätzlich zur Anpassung der Gitterkonstante an InP muß die p-leitende Fensterschicht 8 eine größere Energielücke als InP aufweisen, und die Dicke der Fensterschicht 8 muß so dünn wie möglich sein. Wenn die p-leitende Fensterschicht 8 beispielsweise eine Ladungsträgerkonzentration von

18 —3
1x10 cm aufweist und aus einem Al- ₄₇In_{0 53}As-Film mit

einer Dicke von 0,2 μΐη ausgebildet ist, kann mit der in Figur 10 dargestellten Struktur ein Umwandlungswirkungsgrad von 17,3 % erzielt werden und bei der in Figur 11 dargestellten Struktur ein Umwandlungswirkungsgrad von 17,8 %.

Die Fensterschicht trägt zur Vergrößerung des Wirkungsgrades bei, auch wenn dieser Beitrag, aufgrund der geringen Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit, nicht so groß ißt wie bei GaAs-Solarzellen, wie vorstehend erläutert.

Bei der in den Figuren 5 und 6 dargestellten InP-Solarzelle mit η -p-übergang können die Gitterkontakte 3 und die Rückseiten-Elektrode 5 durch Niederschlagen von Au-Sn (10 %)und/ oder Au-Zn (5 %) auf der η-leitenden InP-Schicht 2 bzw. auf

dem Substrat 1 oder 11 ausgebildet werden, beispielsweise 25

durch Vakuum-Deposition, im Gegensatz zum Niederschlagen im Falle der vorstehend erläuterten Solarzelle mit ρ -n-übergang.

Die Gitterelektrode 3, die Antireflexions-Beschichtung 4,

die Rückseiten-Elektrode 5 und die Fensterschicht 8 sind an 30

sich bekannt und können mit herkömmlichen Materialien und Verfahren hergestellt werden. Die genannten Beispiele für diese Teile dienen deshalb insbesondere der Illustration.

Nachstehend werden die Unterschiede in den Charakteristika 35

der Solarzellen erläutert, die auf Unterschieden in den Konfigurationen der Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Solarzelle basieren, die in den Figuren 5 bis 9 dargestellt

ι sind.

^L J

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 werden sowohl die p-leitende InP-Einkristallschicht 11 mit hoher Ladungsträgerkonzentration, die lediglich als Substrat dient, und die p-leitende InP-Schicht 16, die als p-Halbleiter zur Ausbildung des η -p-überganges dient, anstelle des p-leitenden InP-Einkristallsubstrates 1 von Figur 5 verwendet. Bei der Solarzelle mit η -p-übergang ist die Breite der übergangs-Verarmungsschicht um so größer, je niedriger die Ladungsträgerkonzentration ρ des p-Halbleiters ist, so daß die Möglichkeit besteht, daß der Umwandlungswirkungsgrad vergrößert wird. Wenn jedoch die Ladungsträgerkonzentration P₀ des p-leitenden InP-Einkristallsubstrates 1 in der Struktur gemäß Figur 5 verringert wird, um den Wirkungsgrad zu verbessern, nimmt der Widerstand im Substrat 1 zu. Demzufolge verursacht der vergrößerte Reihenwiderstand eine Veringerung der Füllfaktoren. Infolgedessen wird der Wirkungsgrad nicht verbessert.

Andererseits weist die Struktur gemäß Figur 6 den Vorteil auf, fast kein Problem mit erhöhtem Reihenwiderstand zu verursachen, da die p-leitende InP-Schicht 16, selbst wenn die Ladungsträgerkonzentration der p-leitenden InP-Schicht 16 im η -p-überga]
5 μπι aufweist.

im η -p-übergang gering ist, lediglich eine Dicke von 1 bis

Die vorstehenden Erläuterungen sind auch für Solarzellen mit ρ -n-übergang gültig. Beispielsweise ist die in Figur 9 gezeigte Struktur vorteilhafter als die in Figur 8 gezeigte Struktur, da die erstere sowohl das η-leitende InP-Einkristallsubstrat 41 mit hoher Ladungsträgerkonzentration, das lediglich als Substrat dient, als auch die n-leitende InP-Schicht 46 aufweist, die zur Ausbildung des ρ -n-überganges dient.

Als weiterer wichtiger Vorteil, der durch die Trennung der Funktionen des Substrates und der Ausbildung des pn-übergan-

L J

-30- J4zoj38

ges ermöglicht wird, liegt darin, daß es nicht notwendig ist, ein Substrat mit InP auszubilden. Das Substrat kann nämlich auch anstelle von InP, das schwer und teuer ist, aus Si ausgebildet werden, das leicht und preiswert ist, so daß eine leichte und billige InP-Solarzelle unter Verwendung eines derartigen Si-Substrates hergestellt werden kann. Eine Ausführungsform dieser Art einer InP-Solarzelle ist in Figur 7A dargestellt. Obwohl die in Figur 7A dargestellte Struktur einen η -p-Ubergang aufweist, kann das Si-Substrat auch in vorteilhafter Weise im Falle einer Struktur mit ρ -n-übergang verwendet werden. Wenn, wie in den Figuren 10 und 11 gezeigt, eine p-leitende Fensterschicht 8 vorgesehen ist, kann der Wirkungsgrad verbessert werden. In diesem Falle ist jedoch, wie vorstehend erläutert, die Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit von InP gering, so daß die Fensterschicht nicht derart wesentlich zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer ' InP-Solarzelle beiträgt wie die Fensterschicht in GaAs-Solarzellen.

Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindung, die jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.

Beispiel 1 (n -p-Struktur gemäß Figur 5)

Eine InP-Solarzelle mit η -p-Struktur gemäß Figur 5 wurde mit den nachfolgenden Verfahrensschritten hergestellt.

Ein 7 mm χ 7 mm großes, 350 um dickes (100)-orientiertes p-leitendes InP-Substrat wurde mittels mechanischem Polieren hochglanzpoliert. Das p-leitende InP-Substrat wurde mit Zn dotiert und wies eine Ladungsträgerkonzentration von

16 —3
5x10 cm auf. Nach dem Entfetten des p-leitenden InP-Substrates durch Ultraschallreinigung in Trichloräthylen wurde es mit einer Iprozentigen Brom-Methanol-Lösung chemisch poliert.

^Γ - 31 - *^:" ^: "" ^: 3^*2 6 3 3 8¹

Fünf Stücke des p-leitenden InP-Substrates wurden zusammen mit 5 mg rotem Phosphor und 50 mg Indiumsulfid (In₀S-) in einer Quarzampulle mit 10 mm Innendurchmesser bei einem Druck von 1 χ 10~ Torr im Vakuum verschlossen. Die Quarzampulle wurde in einem elektrischen Ofen bei 650⁰C 3 Stunden lang einer Wärmebehandlung unterzogen.

Durch diese Wärmebehandlung diffundierte Schwefel thermisch in das p-leitende InP-Substrat ein, wodurch eine InP-Schicht vom η -Typ mit einer Dicke von 0,6 μΐη und einer Ladungsträger-

18 — 3
konzentration von 5x10 cm auf der Oberfläche des InP-Substrates ausgebildet wurde. Auf der Rückseite des p-leitenden InP-Substrates wuchs ebenfalls eine InP-Schicht vom η -Typ auf. Zum Entfernen dieser InP-Schicht vom η -Typ auf der Rückseite wurde die Rückseite bis zu einer Tiefe von 5 bis 10 μΐη mit Iprozentiger Brom-Methanol-Lösung abgeätzt, während die Vorderseite mit Apiezon-Wachs geschützt wurde, nachdem das p-leitende InP-Substrat aus der Quarzampulle entnommen wurde.

Danach wurde ein Au-Zn (7 Gewichtsprozent)-Film durch Vakuum-

Deposition mit einer Dicke von 2000 A (200 nm) auf der Rückseite des p-leitenden InP-Substrates ausgebildet. Dieses Substrat wurde 5 Minuten lang einer Wärmebehandlung in mit 500 ml/Minute strömender Stickstoffgasatmosphäre bei 450⁰C unterzogen, so daß auf dem p-leitenden InP-Substrat Ohm'sche Elektroden ausgebildet wurden. Die Ohm¹sehen Kontaktelektroden wurden auf die Oberfläche der InP-Schicht vom η -Typ folgendermaßen aufgebracht. Zur Ausbildung eines Gittermusters mit

einer Breite von 50 μπι und einem Gitterabstand oder Intervall von 500 um auf der InP-Schicht von η -Typ wurde ein AZ-1350J Photoresist verwendet. Auf der η -leitenden Schicht wurde durch Vakuum-Deposition ein Au-Sn (10 Gewichtsprozent)-Film mit einer Dicke von 2000 A (200 nm) ausgebildet, und danach wurden die Gitterelektroden durch Abhebeverfahren ausgebildet. In diesem Zustand wurden Ohm'sche Kontakte zwischen

L J

dem Au-Sn-PiIm und der η -leitenden InP-Oberfläche ausgebildet, und es war deshalb keine Wärmebehandlung erforderlich.

Die p-leitenden InP-Substrate wurden gespalten, so daß ihre Abmessungen 5 mm χ 5 mm betrugen. Danach wurden sie, während die Au-Zn-Elektroden auf der Rückseite angeordnet waren, mit Silberpaste auf eine silberbeschichtete Aluminiumoxid-Platte aufgebracht. Als Verbindungsdraht wurde ein Al-Draht unter Verwendung eines Ultraschall-Binders mit den Au-Sn-Elek troden verbunden.

Mit den vorstehenden Verfahrensschritten wurde eine als Solar zelle funktionierende Vorrichtung hergestellt. Um die Reflexionsverluste des Lichtes an der Vorderseite zu verringern, wurde die Antireflexions-Beschichtung durch Wachsen auf der Oberfläche der η -leitenden InP-Schicht aufgebracht. Die auf die Aluminiuraoxid-Platte aufmontierte Vorrichtung wurde ohne weitere Änderungen und bei einem Vakuum von etwa 1x10 Torr in ein Vakuum-Verdampfungssystem eingebracht, und auf der gesamten Oberfläche der Probe wurde mittels

Elektronenstrahl-Niederschlagung ein Ta₃O₅-FiIm mit 800 A (80 nm) Dicke ausgebildet.

Beim Messen des photoelektrischen Umwandlungs-Wirkungsgrades ^2£> der auf diese Weise hergestellten Solarzelle unter Verwendung eines Luft-Masse (air mass) (AM) 1.5 Sonnensimulators als Lichtquelle wurde ein Wirkungsgrad von 16,8 % ermittelt bei einer Leerlaufspannung V von 0,81 Volt, einer Kurzschluß-

OC

Stromdichte von 28 mA/cm² und einem Füllfaktor von 0,74.

Zur Bestimmung der Beständigkeit gegen Strahlung wurde die hergestellte Solarzelle mit 1 MeV-Elektronen bestrahlt. Die Bestrahlung wurde bei Raumtemperatur und unter Leerlaufbedingungen durchgeführt. Zum Vergleich wurde gleichzeitig eine GaAs-Solarzelle mit heterogener Grenzfläche und einer übergangstiefe von 0,5 μΐη bestrahlt, deren Umwandlungswirkungsgrad 18 % betrug. Nach der Bestrahlung mit den 1 MeV-

Elektronen mit einer Fluenz von 1 χ 10 cm betrug der Umwandlungswirkungsgrad der erfindungsgemäßen InP-Solarzelle 15,8 %, während der Umwandlungswirkungsgrad der GaAs-Solarzelle mit heterogener Grenzfläche 13,3 % betrug. Der Umwandlungswirkungsgrad wurde somit nach der Bestrahlung mit

15 -2

1 MeV-Elektronen bei einem Fluß von 1x10 cm auf diese Weise bei der herkömmlichen GaAs-Solarzelle auf etwa 75 % des Ausgangswertes reduziert, während bei der erfindungsgemäßen InP-Solarzelle ein Umwandlungswirkungsgrad von etwa 95 % des Ausgangswertes aufrechterhalten wurde.

Beispiel 2(n -p-p -Struktur gemäß Figur 6).

Eine InP-Solarzelle mit η -p-p -Struktur gemäß Figur 6 wurde durch Flüssigphasenepitaxie hergestellt.

Als ρ -leitendes Substrat wurde ein (1oo)-orientierter, Zndotierter InP-Kristall mit einer Ladungsträgerkonzentra-

18 —3
tion von 2x10 cm hergestellt. Die Oberflächenbearbei-

® tung des ρ -leitenden Substrats entsprach derjenigen des p-leitenden Substrats in Beispiel 1.

Unter Verwendung des Schritt-Reinigung-Verfahrens (stepcleaning method) mit In als Lösungsmittel wuchsen nachein7 ander eine mit Zn dotierte p-leitende InP-Schicht mit eine^r Ladungsträgerkonzentration von 7 χ 10 cm und einer Dicke von 4 um und eine mit Te dotierte η -leitende InP-Schicht

18 —3 mit einer Ladungsträgerkonzentration von 7,5x10 cm und einer Dicke von 0,3 μπι auf das ρ -leitende Substrat auf. Dabei betrug die Wachstumstemperatur 59O⁰C und die Molantei-Ie von Zn und Te im geschmolzenem In betrugen 4x10 bzw. 9,8 χ 10"⁴.

Die nachfolgenden Herstellungsschritte, d.h. das Verfahren von der Ausbildung der Ohm'sehen Kontaktelektrode zur Ausbildung der Antireflexions-Beschichtung aus Ta^Oj. auf dem ρ -lei-

^Γ - 34 - "· ^: "-*" - 3 416 3 3 8^Π

tenden Substrat und der n -leitenden Schicht entsprachen denjenigen gemäß Beispiel 1.

Beim Messen des photoelektrischen ümwandlungswirkungsgrades S der auf diese Weise hergestellten Solarzelle unter Verwendung eines air mass O-Sonnensimulators als Lichtquelle wurde ein Wirkungsgrad von 16,5 % ermittelt. Zur Ermittlung der Beständigkeit gegen Strahlung wurde die hergestellte Sonnenzelle mit 1 MeV-Elektronen bestrahlt. Selbst nach der Bestrahlung mit 1 MeV-Elektronen bei einem Fluß von 1x10 cm" betrug der Umwandlungswirkungsgrad 16,0 %. Es wurde die überlegene Strahlungsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Solarzelle bestätigt.

Beispiel 3 (n -p-p -Struktur auf Si-Substrat gemäß Figur 7A)

Zur Herstellung einer InP-Solarzelle mit einer η -p-p -Struktur auf einem Si-Substrat wurde ein MOCVD-Verfahren angewandt.

Als Si-Substrat wurde ein (100)-orientierter und B-dotierter

— 2 λ p-leitender Si-Kristall mit einem Widerstand von 1x10 Ju. cm verwendet. Die Oberfläche des Si-Substrates wurde mittels chemischen Polierens mit einem CP4-Element bearbeitet. Zur Verhinderung der Ausbildung des natürlichen Oxidfilmes wurde das Si-Substrat bis unmittelbar vor Einführen des Substrats in den MOCVD-Reaktor in einer Fluorwasserstoffsäure-Lösung gelagert.
30

Unter Verwendung des MOCVD-Systems mit horizontalem Reaktor wuchsen nacheinander eine p-leitende GaP-Schicht, eine p-leitende Ga In_1- P-Schicht, eine p-leitende InP-Schicht und eine η -leitende InP-Schicht auf dem Si-Substrat bei einem Druck von 0,1 Atmosphären (etwa 10 kPa) auf. Die p-leitende GaP-Schicht mit einer Dicke von 0,5 μΐη und einer La-

- ³⁵ - '^:" ^: *'"" ^: 3"42633S¹

von 18-3

dungsträgerkonzentration/1 χ 10 cm wurde bei einer Wachstums temperatur von 700⁰C mit Triäthyl-Gallium (TEG) und Phosphin (PH₃) als Rohmaterialien und Diäthyl-Zink (DEZ) als Dotiergas aufgebracht. Dann wurde gleichzeitig mit der Reduzierung im TEG-Strom Triäthyl-Indium (TEI) zugesetzt zur Ausbildung der p-leitenden Ga In_1- P-Schicht, wobei χ sich schrittweise in Schritten von 0,1 bis 0 ändert und die

18 —3 Schicht eine Ladungsträgerkonzentration von 1x10 cm

aufweist; die Dicke bei jedem Schritt beträgt 0,2 μια und die ^ Dicke der gesamten Schicht 2 μπι. Gleichzeitig wurde die Wachstumstemperatur von 700⁰C auf 600⁰C geändert, mit Reduzierungen bei jedem Schritt. Danach wurde mit TEI und PH₃ als Rohmaterialgasen und DEZ als Dotiergas eine p-leitende InP-Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1 χ 10 cm und 3 μπι Dicke ausgebildet. Das Dotiergas wurde dann von DEZ in Schwefelwasserstoff (H₉S) geändert zur

Ausbildung der η -leitenden InP-Schicht mit einer Ladungs-

18 —3

trägerkonzentration von 2 χ 10 cm und 0,3 um Dicke.

Auf der Rückseite des Si-Substrates wurde durch Vakuum-Nie-

derschlagung eine Al-Film mit 2000 A (200 nm) Dicke ausgebildet. Das Si-Substrat wurde einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffgasströmung bei 45O⁰C für 10 Minuten unterzogen, so daß auf dem Si-Substrat Ohm'sche Kontaktelektroden +

ausgebildet wurden. Auf der η -leitenden InP-Schicht wurde mit den gleichen Verfahrensschritten wie in Beispiel 1 ein gitterförmiges Ohm'sches Kontaktmuster aus Au-Sn ausgebildet. Das Entfernen der äußeren Bereiche des Substrates durch Abspalten, das Montieren der Vorrichtung auf einer

Aluminiumoxid-Platte und die Ausbildung der Antireflexions-Beschichtung aus Ta₀O₅ wurden ebenfalls in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 durchgeführt.

Beim Messen des Umwandlungswirkungsgrades der auf diese Wei-

se hergestellten Solarzellen wurde bei simulierter AMO-Bestrahlung ein ursprünglicher Umwandlungswirkungsgrad von

3AOo3

- 36 -

16,5 % und nach Bestrahlung mit 1 MeV-Elektronen und einem Fluß bzw. einer Fluenz von 1 χ
kungsgrad vom 16,0 % ermittelt.

15 — 7 Fluß bzw. einer Fluenz von 1 χ 10 cm ^Δ ein Umwandlungswir-

Beispiel 4 (n -p-p -Struktur auf einem Si-Substrat

gemäß Figur 7D)

Von der Oberfläche eines (100)-orientierten p-leitenden Si-Einkristallsubstrates mit einem Widerstand von 10 JI.cm wurde der natürliche Oxidfilm entfernt. Unter Verwendung von Triäthyl-Gallium und Phosphin als Rohmaterialien und Diäthyl-Zink als Dotiergas wurde die p-leitende GaP-Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1x10 cm und einer Dicke von 0,5 μΐη auf dem Si-Substrat ausgebildet. Den Rohmaterialien wurde Triäthyl-Indium zugesetzt, wobei die Strömungsraten jedes Gases kontrolliert wurden, so daß auf der p-leitenden GaP-Schicht die p-leitende Ga In ₁_ P-Schicht mit einer

Ji I H

Dicke von 3 μΐη ausgebildet wurde, deren Zusammensetzungsverhältnis χ sich allmählich von 1 bis 0 änderte. 20

Dann wurde die Zufuhr des Triäthyl-Gallium unterbrochen, so daß auf der Ga In., P-Schicht eine p-leitende InP-Schicht

"" 16 —3

mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1x10 cm und einer Dicke von 3 μπι ausgebildet wurde. Danach wurde anstelle

von Diäthyl-Zink Schwefelwasserstoff als Dotiergas zugeführt, und die η-leitende InP-Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von 2x10 cm und einer Dicke von 0,3 μπι ausgebildet. Die Ohm'sche Kontaktelektrode aus Au-Ge mit einem Gittermuster und die Ohm'sche Kontaktelektrode aus Al wurden

durch Vakuum-Niederschlagung ausgebildet. Danach wurde auf der η-leitenden InP-Schicht und der gemusterten Elektrode durch Plasma-CVD-Verfahren die Antireflexions-Beschichtung aus Si^N. mit einer Dicke von 500 A (50 nm) ausgebildet.

Diese InP-Solarzelle wies einen Umwandlungswirkungsgrad von 16,5 % unter simulierter AMO-Bestrahlung auf. Dieser Wert von

L J

16,5 % ist größer als der Wirkungsgrad im Falle der Solarzelle mit dem InP-Einkristallsubstrat.

Beispiel 5(n -p-p -Struktur auf einem Si-Substrat gemäß Figur 7E)

Nach Ausbildung der p-leitenden GaP-Schicht in derselben Weise wie in Beispiel 4 wurde die InP/GaP-überstrukturschicht ausgebildet. Während Phosphin kontinuierlich zugeführt wurde, wurden Triäthyl-Indium (TEI) und Triäthyl-Gallium (TEG) abwechselnd jeweils 10 Sekunden lang zugeführt, so daß 50 InP-

Schichten mit einer Dicke von jeweils 100 A (10 nm) und 50 GaP-Schichten mit einer Dicke von jeweils 150 A (15 nm) abwechselnd aufeinandergeschichtet wurden. Die gesamte Dicke der überstrukturschicht betrug 1,25 um. Ferner wurde Zn derart zur überstrukturschicht dotiert, daß deren Ladungsträger-

18—3
konzentration 1x10 cm betrug.

Die auf diese Weise hergestellte InP-Solarzelle wies einen

hohen Umwandlungswirkungsgrad von mindestens 16,5 % unter simulierter AmO-Bestrahlung auf.

Beispiel 6 (p -η-Struktur gemäß Figur 8)

+

Eine InP-Solarzelle mit ρ -η-Struktur wurde mittels eines Zn-Diffusionsverfahrens hergestellt.

Ein (100)-orientierter und undotierter InP-Kristall mit 30

15 —3 einer Ladungsträgerkonzentration von 5x10 cm wurde als η-leitendes InP-Substrat hergestellt· Die Oberflächenbearbeitung des η-leitenden InP-Substrates war die gleiche wie diejenige des p-leitenden Substrates in Beispiel 1.

Fünf η-leitende InP-Substrate wurden zusammen mit 5 mg rotem

Phosphor und 10 mg Zinkphosphid in einer auf einen Druck von 1x10 Torr evakuierten Quarzampulle mit einem Innen-

L J

^Γ - 38 -

druck von 100 nun vakuumversiegelt. Die Quarzampulle wurde in einen elektrischen Ofen bei 550⁰C eingeführt und 30 Minuten lang einer Wärmebehandlung unterzogen. Durch diese Wärmebehandlung diffundierte das Zn in das η-leitende InP-Substrat und bildete eine ρ -leitende InP-Schicht von 1,0 um Dicke

2x 18 -3 und einer Ladungsträgerkonzentration von/10 cm auf der Oberfläche des η-leitenden InP-Substrates aus. Da der Diffusionskoeffizient von Zn in InP normalerweise groß ist, beträgt die Diffusionslänge unter diesen Umständen etwa 3 μΐη. Erfindungsgemäß wurde aber überschüssiger Phosphor in die Ampulle eingebracht, so daß der Phosphordruck in der Ampulle anstieg und die Diffusion von Zn unterdrückte; infolgedessen wurde eine dünne ρ -leitende InP-Schicht von 3,0 μπι Dicke ausgebildet. Auch auf der Rückseite des η-leitenden InP-Substrates wurde eine ρ -leitende InP-Schicht ausgebildet. Um diese rückwärtige ρ -leitende InP-Schicht zu entfernen, wurde die Rückseite bis zu einer Tiefe von 5 bis .10 μπι in einer Iprozentigen Brom-Methanol-Lösung abgeätzt,.während die Vorderseite mit Apiezon-Wachs geschützt wurde.

20

Danach wurde ein Au-Sn (10 Gewichtsprozent)-Film mit 2000 A (200 nm) Dicke auf der Rückseite des η-leitenden InP-Substrates durch Vakuum-Deposition ausgebildet. Dieses Substrat wurde einer Wärmebehandlung in mit 500 ml/min strömender Stickstoffgasatmosphäre bei 400⁰C für 5 Minuten unterzogen, so daß auf dem n-leitenden InP-Substrat Ohm'sche Kontaktelektroden ausgebildet wurden. Die Ohm'sehen Kontaktelektroden wurden auf die Oberfläche der ρ -leitenden InP-Schicht in der nachstehenden Weise aufgebracht. Auf der Oberfläche der ρ -lei-

30

tenden InP-Schicht wurde unter Verwendung eines AZ-1350J-Photoresists ein Gittermuster mit einer Breite von 50 μπι und Gitterabständen von 500 μΐη ausgebildet. Auf dem Resist wurde durch Vakuum-Deposition ein Au-Zn (7 Gewichtsprozent)-

Film mit einer Dicke von 2000 A (200 nm) ausgebildet, und

35

danach wurden die gitterförmigen Au-Zn-Kontaktelektroden durch Abhebemethoden ausgebildet. Hierbei wurden Ohm'sche

^Γ - 39 - ·^:" ^: "--' ^; 3'426 3

Kontakte zwischen dem Au-Zn-FiIm und der ρ -leitenden InP-Oberflache ausgebildet, und es war deshalb keine Wärmebehandlung erforderlich,

Die Solarzelle wurde auf die gleiche Weise wie gemäß Beispiel 1 hergestellt, und ihr Umwandlungswirkungsgrad und ihre Strahlungsbeständigkeit wurden danach ermittelt. Die Ergebnisse zeigen einen ursprünglichen Wirkungsgrad unter AMO-Bedingungen von 16,3 % und nach einer Bestrahlung mit 1 MeV-Elektronen mit einer Fluenz von 1 χ 10 cm eine Ausgangsleistung von 97,5 % der ursprünglichen Leistung.

Beispiel 7 (p -η-Struktur gemäß Figur 8)

Eine 0,5 μπι dicke p-leitende InP-Schicht mit 1 χ 10 cm Zn als Verunreinigung wurde auf der Oberfläche eines (100)-orientierten η-leitenden InP-Einkristallsubstrates ausge-

16 —"^
bildet, das 2x10 cm Si als Verunreinigung enthielt. Wegen der überlegenen Kontrolle der .Filmdicke wurde ein MOCVD-Verfahren verwendet. Die p-leitende Schicht wuchs auf dem Substrat unter Verwendung von Triäthyl-Indium (C₃H₅J₃In und Phosphin als Rohmaterialien und Diäthyl-Zink(C-H₅)₂Zn als Dotierungsmittel. Danach wurde die gitterförmige Kontakt-

elektrode aus etwa 2000 A (200 nm) dickem Au-Zn (5 %) und

die 2000 A (200 nm) dicke Au-Sn (10 %) Rückseiten-Elektrode durch Vakuum-Deposition ausgebildet. Diese wurden 5 Minuten lang einer Wärmebehandlung in Stickstoffgasatmosphäre bei 450⁰C unterzogen, so daß sie Ohm'sche Kontakte aufwiesen. Die gitterförmige Kontaktelektrode war 50 μπι breit und hatte einen Gitterabstand von 500 μπι. Die Elektrodenmuster wurden durch Abhebeverfahren unter Verwendung eines Photoresists

ausgebildet. Schließlich wuchs eine 700 A (70 nm) dicke Ta₃O Antireflexions-Beschichtung durch Vakuum-Deposition auf, und danach wurde die Solarzelle mit der Struktur gemäß Figur hergestellt.

^Γ - 40 - "" ^: '"" ' 34-2G338"¹

Die mit dem vorstehend erläuterten Verfahren hergestellte erfindungsgemäße InP-Solarzelle mit einer Lichteinfallsfläche von 1 cm² wurde unter simulierter AMO-Beleuchtung geprüft und ein Umwandlungswirkungsgrad von 17 % ermittelt. Die einer 25prozentigen Verringerung der ursprünglichen Ausgangsleistung äquivalente Bestrahlungsfluenz mit 1 MeV-Elektronen betrug

17 —2

1x10 cm / was bei einer Umrechnung in die Lebensdauer

der Zelle einer Lebensdauer von etwa 1000 Jahren entspricht. Beispiel 8 (p -n-n⁺-Struktur gemäß Figur 9)

Auf der Oberfläche eines mit Sn dotierten η-leitenden InP-Einkristallsubstrates mit einer Ladungsträgerkonzentration

18 —3

2x10 cm wurde zunächst eine mit S dotierte n-leitende inP-Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von

15 -3
5x10 cm und 5 um Dicke und danach eine mit Zn dotierte p-leitende InP-Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentration

18 —¹^

von 2x10 cm und 0,3 \im Dicke durch Epitaxiewachstum aufgebracht. Das bei diesem Beispiel verwendete Epitaxiewachstumsverfahren entspricht dem in Beispiel 7 verwendeten MOCVD-Verfahren. Außer dem üblichen Flüssigphasenepitaxie-Verfahren oder dem Dampfniederschlagverfahren unter Verwendung von Halogen-Verbindungen kann als Epitaxiewachstums-Verfahren auch Molekularstrahlepitaxie verwendet werden. Die p-leitende InP-Schicht kann auch durch thermische Diffusion, von Akzeptor-Verunreinigungen, wie Zn, ausgebildet werden. Im vorliegenden Beispiel waren die Form und das Herstellungsverfahren der vorderen und hinteren Oberflächenelektroden und der Antireflexions-Beschichtung die gleichen wie in Beispiel 7. Die auf diese Weise hergestellte und in Figur 7 gezeigte Solarzelle wies unter simulierter AmO-Bestrahlung einen Umwandlungswirkungsgrad von 17,5 % auf. Die einer 25prozentigen Verringerung der ursprünglichen Ausgangsleistung äquivalente

16 —7 Bestrahlungsfluenz mit 1 MeV-Elektronen betrug 5x10 cm , was umgerechnet in die Lebensdauer unter Weltraumbedingungen einer Lebensdauer von etwa 500 Jahren entspricht.

L -J

^Γ _ 41 -

Da InP eine geringere Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit als GaAs aufweist, kann die Fensterschicht, die zur Verbesserung des Wirkungsgrades in GaAs-Solarzellen unumgänglich ist, weggelassen werden. Auch wenn keine derartige Fensterschicht vorgesehen war, wies die Solarzelle mit der einfachen Struktur gemäß Figuren 8 oder 9 einen Umwandlungswirkungsgrad auf, der nicht schlechter war als der übliche Wirkungsgrad von 16 bis 18 % von GaAs-Solarzellen. ^:'

Beispiel 9 (p⁺-n-n -Struktur gemäß Figur 9)

Eine InP-Solarzelle mit einer ρ -n-n -Struktur gemäß Figur wurde durch MOCVD-Verfahren hergestellt. Als η-leitendes InP-

Substrat wurde ein (100)-orientierter und mit Sn dotierter 15

InP-Kriställ mit einer Ladungsträgerkonzentration von

18 —3
3x10 cm hergestellt. Die Oberflächenbearbeitung des n-leitenden InP-Substrates war die gleiche wie für das Substrat in Beispiel 1.

+

Das MOCVD-Wachsturn der η-leitenden Schicht und der ρ -leitenden Schicht auf der Oberfläche des η -leitenden Substrates wurde folgendermaßen durchgeführt. Als In-Quelle wurde Triäthyl-Indium (TEI) und als P-Quelle wurde Phosphin (PH^) verwendet. Die gewählten Bedingungen waren folgender-^J

maßen: Wachstumstemperatur etwa 58O⁰C, Molverhältnis P/In etwa 130 und gesamter H₂~Strom 3,6 l/min. Der Reaktor war horizontal angeordnet und langgestreckt und der innere Reaktordruck während des Wachstums betrug 0,1 Atmosphären (etwa 10 kPa). Die InP-Wachstumsrate betrug 1,2 um/h. Zu- +

nächst wuchs auf dem n~leitenden Substrat eine 4 μπι dicke, nicht dotierte InP-Schicht auf. Die nicht-dotierte Schicht wurde als n-leitende Schicht, verwendet, da die nicht dotierte Schicht n-leitend ist und ihre Ladungsträgerkonzentration

1S —3
5 x 10 cm beträgt. Danach wuchs auf der n-leitenden Schicht unter Verwendung /dxathyl-Zink (DEZ) als Dotiergas die p⁺-leitende Schicht mit einer Dicke von 0,8 μπι auf.

Die Ladungsträgerkonzentration der p⁺-leitenden Schicht betrug 3 χ 10¹⁸ cm"³.

Auf dem η -leitenden Substrat und auf der ρ -leitenden Schicht wuchsen durch dasselbe Verfahren wie in Beispiel 6 Ohm'sche Kontaktelektroden auf. Nach dem Entfernen der äußeren Teile des Substrates durch Abspalten wurde das Substrat auf eine Aluminiumoxid-Platte montiert, die Verbindungsdrähte wurden an den Elektroden befestigt und der Antireflexionsfilm aus Ta₃O₅ wurde ausgebildet, um die Solarzelle zu vervollständigen.

Der Umwandlungswirkungsgrad der auf diese Weise hergestellten InP-Solarzellen wurde unter simulierten AMO-Bestrahlungsbe-¹S dingungen gemessen. Es ergab sich ein Wert von 17 %. Die Solarzellen wurden dann mit 1 MeV-Elektronen mit einer Fluenz

1 fi —0

von 1x10 cm bestrahlt. Der Rückgang des Umwandlungswirkungsgrades vom Ausga,ngswert betrug nur 5 %, und es bestätigte sich, daß die erfindungsgemäßen Solarzellen ausgezeichnete Bestrahlungsbeständigkeit aufweisen.

Beispiel 10 (p -η-Struktur gemäß Figur 10)

Nach dem Ausbilden der gitterförmigen Kontaktelektroden auf der p-leitenden InP-Schicht in derselben Weise wie in Beispiel 7 beschrieben, wuchs auf der p-leitenden InP-Schicht die p-leitende. Al_Q 47In₀ ,.gAs-Fensterschicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1x10 cm und 0,2 um Dicke durch Vakuum-Deposition auf. Danach wurde auf der Fenster- ^⁰ schicht die Antireflexions-Beschichtung in der gleichen Weise wie in Beispiel 7 niedergeschlagen. Die InP-Solarzelle gemäß dem vorliegenden Beispiel zeigte einen Umwandlungswirkungsgrad von 17 % unter simulierter AMO-Beleuchtung. Die einer 25prozentigen Verringerung der ursprünglichen Aus-

gangsleistung entsprechende Bestrahlungsfluenz mit 1 MeV-

17 —2
Elektronen betrug 1x10 cm , was in Lebensdauer umge-

L J

- 43 - ·^:· ^: '-' ^: 3426333"¹

rechnet eine Lebensdauer unter Weltraumbedingungen von etwa 1000 Jahren ergibt.

Beispiel 11 (p -n-n -Struktur gemäß Figur 11). 5

Nach dem Ausbilden der gitterförmigen Kontaktelektroden auf der p-leitenden InP-Schicht in derselben Weise wie in Beispiel 8 beschrieben^ wächst auf der p-leitenden InP-Schicht die p-leitende Al_n ,.-,In_n - ,As-Fensterschicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1x10 cm und einer Dicke von 0,2 μΐη durch Vakuum-Deposition auf. Danach wird auf der Fensterschicht in der gleichen Weise wie in Beispiel 9 die Antireflexions-Beschichtung aufgebracht. Die InP-Solarzelle im vorliegenden Beispiel weist einen Umwandlungswirkungsgrad von 17,5 % unter simulierter AMO-Beleuchtung auf.

Die einer 25prozentigen Verringerung der ursprünglichen Ausgangsleistung äquivalente Bestrahlungsfluenz mit 1,MeV-

16—2

Elektronen betrug 5x10 cm , was umgerechnet einer Lebensdauer der Solarzelle unter Weltraumbedingungen von etwa 500 Jahren entspricht.

Wie vorstehend erläutert, weist die Erfindung durch Verwendung von InP als Material.für Solarzellen und Optimierung der Ladungsträgerkonzentration und der Übergangstiefe des p-leitenden oder η-leitenden Substrates und der p-leitenden oder η-leitenden Epitaxialschicht erhebliche Vorteile auf, insbesondere hinsichtlich der gegenüber herkömmlichen Solarzellen überlegenen Beständigkeit.der erfindungsgemäßen Solarzellen gegenüber Bestrahlung und ihres hohen photoelektrisehen Umwandlungswirkungsgrades.

Infolgedessen ist die erfindungsgemäße Solarzelle in vorteilhafter Weise als Solarzelle im Weltraum anwendbar. Bei der im "High-efficiency InP homojunction solar cells" von G.W. Turner et al, in Appl.. Phys. Lett., 37 (4), 1980 , Seiten 400 bis 402 beschriebenen Solarzelle ist die η -Schicht

L J

^Γ 44 -

mit Sn dotiert. Im Gegensatz dazu ist bei der vorliegenden ·> Erfindung mindestens ein Element von S, Se oder Te aus der Gruppe VIb des Periodensystems in die η -Schicht der η -p- oder η -p-p -Struktur eindotiert. Diese Dotierungsmittel weisen eine erheblich größere feste Löslichkeit in InP auf als die Elemente der Gruppe IVb, wie Si/ Ge oder Sn. Beispiels-

1 ο _ ο

weise kann Sn bis zu etwa 2x10 cm dotiert werden, wäh- ;'

20-3 rend S, Se oder Te bis zu mindesten 10 cm dotiert werden können. Deshalb kann die η -lei ende Schicht auch dann stark dotiert werden, wenn die η -leitende InP-Schicht dünn ^!ii ist, so daß der Widerstand in diese η -leitenden Schicht ,; verringert wird. Anders ausgedrückt kann die η -leitende InP-Schicht, falls S, Se oder Te als Dotierungsmittel verwen- · det werden, viel dünner sein als wenn Sn als Dotierungsmit- , tel verwendet wird. Infolgedessen wird der Wirkungsgrad der £ Solarzelle erhöht und die Beständigkeit gegen Bestrahlung

- ¹If' verbessert.

Figur 15 zeigt den Vergleich der Verschlechterung des Umwandlungswirkungsgradsdurch Bestrahlung zwischen der vor- .,„„.;: stehend erläuterten bekannten InP-Solarzelle mit Homoüber- '■ $-'■'' gang (homojunction) gemäß Kurve I und der erfindungsgemäßen¹ InP-Solarzelle gemäß Kurve II sowie der bekannten GaAs-Solarzelle gemäß KurveIII und der Si-Solarzelle gemäß Kurve IV. ·- 25

Aufgrund der hohen Dampfdrücke können die Dotierungsmittel S, Se und Te auch durch Diffusion aus der Dampfphase dotiert ψ

'ι werden. Diese Dampfphasendiffusion vereinfacht die Herstel- ; lung der Solarzelle. Insbesondere flache und steile η -p-über— gänge können durch Schwefel-Diffusion hergestellt werden.

Wenn außerdem InP durch Flüssigphasen-Epitaxie (LPE) mit In als Lösungsmittel wächst, können S, Se oder Te wegen ihrer großen Verteilungskoeffizienten mit hohen Konzentrationen dotiert werden. Beispielsweise beträgt der Verteilungskoeffizient für Te 0,3, während derjenige für Sn 2 χ 10~ beträgt. Die genannten Dotierungsmittel sind deshalb für das Dotieren mit

hoher Konzentration mit LPE bevorzug!:. ^s

L f J

Claims

VOSSIUS -VOSSIUS -TA UCH NE έ.·;Η E^KljE Μ^:α]μ>Ϊι* RAUH

PATENTANWÄLTE 3426333

SIEBERTSTRASSE 4 · 8OOO MÜNCHEN 86 · PHONE: (O89) 47 4Ο75 CABLE: BENZOLPATENT MÖNCHEN · TELEX S-29 453 VOPAT D

u.Z.: T 171 (He/GH/kä) 17. Juli 1984

Case: FP 46032

Nippon Telegraph & Telephone Public Corporation Tokyo, Japan
SOLARZELLE

Patentansprüche

V\j InP-Solarzelle mit einem InP-Homoübergang, gekennzeichnet durch

a) ein p-leitendes I.riP-Einkristallsubstrat (1) mit einer Ladungsträgerkonzentration von 2 χ 10 bis 2x10 cm und

b) eine auf dem Substrat(1) angeordnete n~leitende InP-

Schicht (2) mit einer Dicke von 0,05 bis 1 μΐη, die als Dotierungsmittel S, Se und/oder Te und/oder ein anderes Element der Gruppe VIb aufweist.
2. InP-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die η-leitende InP-Schicht (2) eine Ladungsträger]
weist.

17 19 -³ trägerkonzentration von 5 χ 10 bis1 χ 10 cm auf-
3. InP-Solarzelle mit einem p-leitenden Einkristallsubstrat (11; 21), einer auf dem Substrat (11; 21) ausgebildeten p-leitenden InP-Schicht (16; 26) und einer auf der p-leitenden InP-Schicht (16; 26) ausgebildeten n-leitenden InP-Schicht (2), dadurch gekennzeichnet,

(a) daß die p-leitende InP-Schicht (16; 26) durch

L J

Epitaxialwachstum ausgebildet ist und eine Ladungsträ-

16 18 —³

gerkonzentration von 2x10 bis 2x10 cm aufweist, und

b) daß die η-leitende InP-Schicht (2) durch Dotieren mit S, Se und/oder Te und/oder einem anderen Element der Gruppe (VIb) als Dotierungsmittel ausgebildet ist und eine Dicke von 0,05 bis 1 um aufweist.
4. InP-Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die η-leitende InP-Schicht (2) eine Ladungsträger-

17 19 -³

konzentration von 5x10 bis 1x10 cm ~ aufweist.
5. InP-Solarzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das p-leitende Einkristallsubstrat (11) aus InP besteht.
6. InP-Solarzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das p-leitende Einkristallsubstrat (21) aus Si besteht.
7. InP-Solarzelle mit einem InP-Homoübergang, gekennzeichnet durch

a) ein η-leitendes InP-Einkristallsubstrat (31) mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1 χ 10 bis 1x10 cm " und

b) eine auf dem Substrat (31) ausgebildete p-leitende InP-Schicht(32)mit einer Dicke von 0,1 bis 2 um.
8. InP-Solarzelle nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine auf der p-leitenden InP-Schicht (32) ausgebildete Fensterschicht (8).
9. InP-Solarzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Fensterschicht (8) (Al Ga₁ )_n ,-,In_n 0^x=1 oder Al_Q 47In₀ 53AS aufweist.

As mit

^Γ _ 3 _ ' " 3'42633B¹
10. InP-Solarzelle mit einem InP-Homoübergang, gekennzeichnet durch

a) ein η-leitendes Einkristallsubstrat (41),

b) eine auf dem Substrat (41) epitaxial aufgewachsene

η-leitende InP-Schicht (46) mit einer Ladungsträgerkon-

14 18 —3

zentration von 5x10 bis 1 χ 10 cm , und

c) eine auf der n-leitenden InP-Schicht (46) ausgebildete p-leitende InP-Schicht (32) mit einer Dicke von 0,1 bis 2 μπι.
11. InP-Solarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das η-leitende Einkristallsubstrat (41) aus InP besteht.
12. InP-Solarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das η-leitende Einkristallsubstrat aus Si besteht.
13. InP-Solarzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch eine auf. der p-leitenden InP-Schicht

(32) ausgebildete Fensterschicht (8).
14. InP-Solarzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fensterschicht (8) (Al Ga₁ )_n .-,In_n ,.-As mit

X I —X U , 'i I U , -> -j

0<x=1 oder Al_n .-In_n cr»^As aufweist.
15. InP-Solarzelle mit einem InP-Homoübergang, gekennzeichnet durch

a) ein Si-Einkristallsubstrat (21),
b) eine erste und eine zweite InP-Schicht (26, 2), die einen parallel zur Oberfläche des Substrates angeordneten p-n-übergang ausbilden, und

c) eine zwischen dem Substrat (21) und der ersten InP-Schicht (26) angeordnete Ga In_1- P-Schicht (50, 57; 50, 67) mit einer GaP-Schicht (50) oder einer Ga In₁ P-

x ι —χ

Schicht mit hohem Ga-Anteil auf der Seite des Substra-

L J

^Γ - 4 -■" ^: *"* ^: "-"342633g

tes (21) und mit einer InP-Schicht oder einer Ga In₁ P-Schicht (57) mit b
der ersten InP-Schicht (26).

Ga In₁ P-Schicht (57) mit hohem In-Anteil auf der Seite

X I~"X
16. InP-Solarzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammensetzungsverhältnis χ der Ga In_1- P-Schicht (57) von der Seite des Substrates (21) zur Seite der ersten InP-Schicht (26) allmählich abnimmt.
17. InP-Solarzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ga In. P-Schicht eine InP/GaP-überstruktur-

Λ I "*"X

schicht (67) mit abwechselnd aufeinander geschichteten InP-Schichten und GaP-Schichten ist, wobei die dem Substrat (21) benachbarte Schicht eine GaP-Schicht und die der ersten InP-Schicht (26) benachbarte Schicht eine InP-Schicht ist.
18. InP-Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 15 bis 17, gekennzeichnet durch eine auf der n-leitenden InP-Schicht (2) angeordnete Gitterelektrode (3).
19. InP-Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch eine auf der p-leitenden InP-Schicht

(32) angeordnete Gitterelektrode (3).
20. InP-Solarzelle nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine auf der Fensterschicht (8) angeordnete

Gitterelektrode (3).
30
21. InP-Solarzelle nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine auf der η-leitenden InP-Schicht (2) und der Gitterelektrode (3) angeordnete Antireflexions-Beschich-

tung (4) .
35

L J

25 30 35
22. InP-Solarzelle nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine auf der p-leitenden InP-Schicht (32) und der Gitterelektrode (3) ausgebildete Antireflexions-Beschichtung (4).
23. InP-Solarzelle nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine auf der Fensterschicht (8) und der Gitterelektrode (3) angeordnete Antireflexions-Beschichtung (4).
24. InP-Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch eine auf der Rückseite des Substrates (1; 11; 21; 31; 41) angeordnete Rückseitenelektrode 5.