KUBON MARCUS (DE)
KOLTER MAGNUS (DE)
BENEKING CLAUS (DE)
KUBON MARCUS (DE)
KOLTER MAGNUS (DE)
M. FARAJI ET AL.: "High mobility hydrogenated and oxygenated microcrystalline silicon as a photosensitive material in photovoltaic applications", APPLIED PHYSICS LETTERS., vol. 60, no. 26, 29 June 1992 (1992-06-29), NEW YORK US, pages 3289 - 3291
W. MA ET AL.: "An optimum design of a-Si//poly-Si tandem solar cell", 23RD IEEE PHOTOVOLTAIC SPECIALISTS CONFERENCE, 10 May 1993 (1993-05-10), LOUISVILLE, USA, pages 833 - 838
S.R. KURTZ ET AL.: "Transparent conducting electrodes on silicon", SOLAR ENERGY MATERIALS, vol. 15, no. 4, May 1987 (1987-05-01), AMSTERDAM NL, pages 229 - 236
M. KUBON ET AL.: "Modification of TCO-p interface in a-Si:H solar cells by intermediate layers and plasma treatments", 12TH EUROPEAN PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE, 11 April 1994 (1994-04-11), AMSTERDAM, NL, pages 1268 - 1271
| 1. | DünnschichtSolarzelle mit wenigstens einer aus aufeinanderfolgender p, un(i ) und ndotierter Schicht bestehenden Schichtenfolge, einer der er¬ sten pdotierten Schicht benachbarten TCOSchicht und einer mit der letzten ndotierten Schicht verbundenen, insbesondere metallischen Kontakt¬ schicht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen der TCOSchicht und der mit dieser benachbarten pdotierten Schicht eine ndotierte Zwischenschicht vorgesehen ist und wenigstens die Zwischenschicht oder die ihr benachbarte, p dotierte Schicht mikrokristallin ist. |
| 2. | Solarzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Material für die ndotierte Zwischen¬ schicht insbesondere mikrokristallines SiC oder SiO vorgesehen ist. |
| 3. | Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Summe der Schichtdicken der mit der TCO Schicht verbundenen Zwischenschicht und der mit dieser verbundenen pdotierten Schicht die Schichtdicke einer optimierten pSchicht auf der¬ selben TCOSchicht ohne Zwischenschicht nicht übersteigt. |
| 4. | Solarzelle nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Material für die TCOSchicht ZnO oder Ti02 vorgesehen ist. |
| 5. | Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die TCOSchicht als Substrat ausgebildet ist, auf dem die die Solarzelle bildenden Schichten in Stapelfolge angeordnet sind. |
Dünnschicht-Solarzelle
Die Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Solarzelle auf der Basis des amorphen hydrierten Siliziums und/oder seiner Legierungen gemäß dem Oberbegriff nach An¬ spruch 1.
Dünnschicht-Solarzellen auf der Basis des amorphen hy¬ drierten Siliziums (a-Si:H) und/oder seiner Legierungen werden mit der Dotierungsfolge n-i-p oder p-i-n oder in bekannten Abwandlungen (z.B. durch zusätzlich einge- baute Pufferschichten) durch Schichtabscheidung auf ge¬ eigneten opaken oder transparenten Substraten herge¬ stellt. Dabei kann eine solche Solarzelle auch in Form einer gestapelten Solarzelle in Kaskadenanordnung (sog. Stapelzelle, z.B. p-i-n-p-i-n) vorgesehen sein.
Für den Fall, daß der Lichteinfall von der p-dotierten Seite her erfolgt, wird aufgrund der unterschiedlichen Beweglichkeiten der Ladungsträgerarten n und p eine Verbesserung des Wirkungsgrades y der Solarzelle er- zielt.
Zur Verbesserung des Lichteintritts in die für die Lichtumwandlung maßgebliche, undotierte (i)-Schicht und
auch zur elektrischer Verbesserung wird die Bandlücke der p-dotierten Schicht vorteilhaft höher als die der i-Schicht gewählt. Dies kann beispielsweise durch Le¬ gierungen des a-Si:H mit N, C oder O realisiert werden.
Als Kontaktschichten dienen auf der Lichteintrittsseite in der Regel transparente, leitfähige Oxidschichten, die sog. Transparent Conductiv Oxide(TCO)-Schichten, wie z.B. ITO, Snθ2, ZnO, Ti0 2 • Auf der lichtabgewandten Seite kann ebenfalls eine TCO-Schicht, oder aber auch eine Metallschicht oder eine Kombination aus beiden ge¬ wählt werden.
Es ist bekannt, daß der TCO-p-kontakt einen beachtens- werten Anteil am gesamten Serienwiderstand einer a-Si:H Solarzelle haben kann, so daß nachteilig der sog. Füll¬ faktor (FF) erhöht und der Wirkungsgrad y der Solar¬ zelle reduziert wird.
In T. Soshida et al . , Proc. 10 th European PV Solar
Energy Conf. Lisbon 1991, p. 1193 wird für das Kontakt¬ system ZnO-p zur Reduzierung des TCO-p-Kontaktwider- standes die Einfügung einer SiOx-"Rekombinations¬ schicht" zwischen ZnO und p vorgeschlagen. Quantitative Maßangaben für den dadurch angeblich erzielten Erfolg einer Verbesserung fehlen dabei jedoch.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Solarzelle zu schaf¬ fen, die den bekannten Solarzellen gegenüber, insbeson- dere für ZnO oder Ti0 2 als TCO, einen insofern auch den Wirkungsgrad "y" der Solarzelle begünstigenden, niedrigen TCO-p-Kontaktwiderstand und damit verbunden einen erhöhten sog. Füllfaktor FF (bzw. eine erhöhte LeerlaufSpannung V oc ) aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1.
Die Einfügung einer n-dotierten Zwischenschicht zwi- sehen TCO und p-dotierter Schicht und die mikrokristal¬ line (μc) Ausbildung der Zwischenschicht tragen zu einem verbesserten FF und verringerter LeerlaufSpannung V oc auf TCO, insb. ZnO, bei. Es ist dabei vorteilhaft, alternativ oder kummulativ die p-dotierte Schicht mi- krokristallin vorzusehen.
Zur Verringerung oder Vermeidung von Absorptionsverlu¬ sten ist gemäß Anspruch 2 als Material für die einge¬ fügte n-Schicht ein Material mit erhöhter Bandlücke (z.B. μc-SiC oder μc-SiO) vorgesehen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfin¬ dungsgemäßen Solarzelle gemäß Anspruch 3 ergibt sich, wenn die Schichtdicken der n- und p-Schicht so gewählt werden, daß die Gesamtschichtdicke dieser beiden
Schichten die Schichtdicke einer optimierten p-Schicht auf demselben (TCO-)Substrat nicht übersteigt.
In diesem Falle tritt allenfalls gleichviel - oder we- niger - Lichtverlust auf, wie im Fall des TCO-p-Kontak- tes ohne eingefügte n-Schicht. Damit werden nicht nur der Füllfaktor und die LeerlaufSpannung V oc erhöht, sondern auch der Wirkungsgrad "y" der Solarzelle insge¬ samt verbessert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird gemäß Anspruch 4 als Material für die TCO-Schicht ZnO oder Tiθ2 vorgesehen. Die Verwendung von ZnO oder TiÜ2 als TCO-Substrat bzw. Kontaktschicht auf der Lichtein- trittsseite weist folgende Vorteile auf:
a) ZnO oder Tiθ2 erlauben eine höhere Lichteinkopplung gegenüber Snθ2_ weil sie im sichtbaren Bereich des Spektrums transparenter sind und
b) ZnO oder Tiθ2 besitzen eine bessere chemische Stabi¬ lität gegenüber Reduktion durch das für die a-Si:H-Ab- scheidung üblicherweise benutzte, Wasserstoffhaltige Niederdruck-Silanplasma.
Ausführungsbeispiele
Im folgenden sind in der Tabelle 1 Beispiele von präpa¬ rierten Test-Solarzellen auf (a-Si:H)-Basis darge¬ stellt.
Für jede Solarzelle sind
- die gemessenen LeerlaufSpannung V oc in milli-Volt, die sog. Kurzschlußstromdichte j sc in illi-Ampere der Füllfaktor FF in %, sowie - der Wirkungsgrad y in % angegeben.
Tabelle 1 v oc J SC FF y
(mV) mA/cm 2 (%) (%)
a) Glas-Sn0 2 -p-i-n-Ag 821 13,24 71,6 7,77 b) Glas-Sn0 2 -ZnO-p-i-n- Ag 798 13,45 68,3 7,33 (10 nm undotiertes ZnO) c) Glas-Sn0 2 -ZnO-p-i-n- Ag 804 13,48 68,2 7,4 (10 nm Aluminium-dotiertes ZnO) d) wie a) 829 13,5 71,2 7,95 e) Glas-Sn0 2 -ZnO-p-i-n-Ag 755 13,65 55 5,5 (10 nm Bor-dotiertes ZnO) f) Glas-Sn0 2 -SiOx(ρ)-p-i-n-Ag 827 12,8 70,7 7,49 g) Glas-Sn0 2 -ZnO-SiOx(p)-p-i-n-Ag 820 13,05 65,8 7,05 (10 nm Aluminium-dotiertes ZnO) h) wie a) 840 14,0 69,2 7,8 i) Glas-ZnO:B-p-i-n-Ag
(ohne Sn0 2 l) 780 15,6 66,1 8,1 j) Glas-Sn0 2 -n(μc)-p-i-n-Ag 804 10,28 72,1 5,96 (15 nm n(μc) ) k) Glas-Sn0 2 -ZnO- 802 10,47 71,4 5,99 n(μc)-p-i-n-Ag
(10 nm Aluminium-dotiertes ZnO)
(15 nm n(μc) ) 1) Glas-Sn0 2 -n(μc)-p-i-n-Ag 807 12,25 72,3 7,15
(10 nm n(μc) ) m) Glas-Sn0 2 -ZnO- 815 12,57 71,8 7,35 n(μc )-p-i-n-Ag
(10 n Aluminium-dotiertes ZnO) (10 nm n(μc) ) n) Glas-Sn0 2 -n(μc)-p-i-n-Ag 817 11,65 71,1 6,76
(10 nm n(μc) ) o) Glas-Sn0 2 -ZnO-n(μc)-p-i-n-Ag819 12,4 71,1 7,21
(10 nm, Bor-dotiertes ZnO) (10 nm n(μc) )
Versuche zeigen:
den FF- und V oc -Abfall beim Übergang von Sn0 2 -Sub- straten zu Sn0 -ZnO-Substraten (a) verglichen mit b) bzw. c); d) mit e) für Bor-dotiertes ZnO),
den FF- und V oc -Abfall auch für den Fall, daß die TCO-Schicht ganz aus ZnO besteht (h), verglichen mit
daß die Einfügung einer p- oder undotierten SiOx- Schicht zwischen TCO und p das Problem nicht löst ( f), g), (sowohl im Falle einer undotierten als auch einer p-dotierten SiOx-Zwischenschicht waren die Werte bei der Konfiguration "g" schlechter),
die deutliche Verbesserung des FF und V oc besonders für Glas-Sn0 2 -ZnO-Substrate durch Einfügung einer mikrokristallinen (μc) n-Schicht zwischen TCO und p- Schicht (k), im Vergleich mit b), c), e), g), i),
die weitere Verbesserung dadurch, daß die Dicke der (μc) n-Schicht verringert wurde (1), m) ) ,
den Nachweis, daß die Verbesserung auch auf Bor-do¬ tiertem ZnO erreicht wird (o) ) .
Next Patent: INTEGRATION OF LASER WITH PHOTODIODE FOR FEEDBACK CONTROL