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    • 专利摘要:
    Es wird eine InGaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen angegeben, deren Wandlungswirkungsgrad dadurch verbessert ist, dass zum genannten InGaP Al zugesetzt ist, dessen Anteil eingestellt ist. Bei einem Stromanpassungsverfahren in dieser Zelle wird der Al-Anteil im AlInGaP-Material für eine obere Zelle so eingestellt, dass zwischen in dieser oberen Zelle und einer mittleren Zelle erzeugten Photoströmen Übereinstimmung erzielt wird. Hierbei verwendet die genannte Solarzelle als obere Zelle mit pn-Übergang eine solche aus dem genannten AlInGaP-Material, als mittlere Zelle eine solche mit pn-Übergang und mit Gitteranpassung an die obere Zelle aus einem (In)GaAs(N)-Material sowie als untere Zelle eine solche aus einem Ge-Material mit pn-Übergang und Gitteranpassung an die mittlere Zelle.
    公开号:DE102004013627A1
    申请号:DE102004013627
    申请日:2004-03-19
    公开日:2004-10-21
    发明作者:Takaaki Agui；Tatsuya Takamoto
    申请人:Sharp Corp；
    IPC主号:H01L31-04
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Solarzelle mit mehreren Übergängen mit hohem Wirkungsgrad,und insbesondere betrifft sie auch ein Verfahren zum Verbesserndes Wirkungsgrads einer Solarzelle mit mehreren Übergängen, die an verschiedene Sonnenlichtartenangepasst ist, wie das Spektrum von Erdsonnenlicht, das Spektrumvon gebündeltemSonnenlicht und das Spektrum von Sonnenlicht im Weltraum. Außerdem betrifft dieErfindung ein Verfahren zum Unterdrücken einer Beeinträchtigungeiner Solarzelle aufgrund von Strahlung im Weltraum sowie eine Solarzellemit mehreren Übergängen, dieweniger zu einer Beeinträchtigungdurch Strahlung neigt.
    [0002] InjüngererZeit werden als im Weltraum verwendete Solarzellen, die als Spannungsversorgungfür Weltraumanlagenwie künstlicheSatelliten verwendet werden, zunehmend Solarzellen mit mehreren Übergängen verwendet,die als Hauptmaterial einen Halbleiter in Form einer III-V-Verbindungverwenden. Da erwartet wird, dass derartige Zellen einen höheren Wirkungsgradder photoelektrischen Wandlung als Si-Solarzellen erzielen werden,wie sie herkömmlicherweiseim Weltraum verwendet wurden, sind sie für kleine oder für Hochleistungssatellitengeeignet, deren Design mit Si-Zellen schwierig war.
    [0003] Unterderartigen Solarzellen ist diejenige, die aktuell unabhängig vonAnwendungen auf der Erde oder im Weltraum den höchsten Wandlungswirkungsgraderzielt, eine solche aus InGaP/InGaAs/Ge mit drei Übergängen. Einbeispielhaftes Verfahren zum Verbessern des Wandlungswirkungsgradseiner Solarzelle mit mehreren Übergängen bestehtdarin, die Photoströmein den Einzelzellen anzupassen. Hierbei ist, da drei Zellen, nämlich eineInGaP-Zelle, eine InGaAs-Zelle und eine Ge-Zelle, verwendet werden,die in Reihe geschaltet sind, der Wert für den Kurzschlussstrom innerhalbder Solarzelle mit mehreren Übergängen aufden niedrigsten Photostrom dieser Zellen beschränkt. Um den höchsten Kurzschlussstromzu erzielen, ist es erforderlich, Sonnenlicht auf zwischen den Zellengut ausgeglichene Weise zu absorbieren und gleiche Werte für die inden Zellen erzeugten Photoströmezu erzielen. D. h., dass ein Verfahren zum Anpassen der Ströme erforderlichist.
    [0004] Herkömmlicherweisewurde, um eine Stromanpassung zu erzielen, ein Verfahren verwendet,bei dem die durch die InGaAs-Zellein einem unteren Teil absorbierte Lichtmenge dadurch eingestelltwird, dass die Dicke der InGaP-Zelle im oberen Teil verringert wird,um die durch sie hindurch strahlende Lichtmenge zu vergrößern. ZumBeispiel ist in US-A-5,223,043 eineSolarzelle mit zwei Übergängen offenbart,bei der GaInP als Material füreine obere Zelle verwendet ist, die als auf der Sonnenlicht-Einfallsfläche ausgebildeteerste Solarzelle dient, und GaAs als Material für eine untere Zelle verwendetist, die als unter der oberen Zelle ausgebildete zweite Solarzelledient. Die 10 zeigteine Grundstruktur derartiger Zellen. Der Wandlungswirkungsgrad,wie er durch diese herkömmlichenZellen mit mehreren Übergängen beieinem Charakteristiktest unter Verwendung einer Lichtquelle erzieltwird, die das Sonnenlichtspektrum im Weltraum simuliert, beträgt bei einemLaborprodukt ungefähr26 % und bei einem industriellen Produkt ungefähr 22 %.
    [0005] DieDicke einer InGaP-Zelle in einer Solarzelle mit mehreren Übergängen für Verwendungauf der Erde wurde im Hinblick auf Sonnenlicht auf der Erde mitdem Spektrum AM 1,5 auf ungefähr0,6 μm eingestellt. Andererseitswurde die Dicke einer InGaP-Zelle innerhalb einer Solarzelle mitmehreren Übergängen für die Verwendungim Weltraum im Hinblick auf Raumsonnenlicht mit dem Spektrum AM0 auf ungefähr0,4 μm eingestellt.Außerdemwurde, um die Strahlungsbeständigkeitim Weltraum zu verbessern, die Dicke der InGaP-Zelle auf den kleinenWert von 0,3 μmeingestellt. Hinsichtlich eines Einflusses durch Strahlung im Raum istdas Ausmaß einerAbsenkung des Photostroms in einem Material auf InGaP-Basis nichtwesentlich, währendes bei einem InGaAs-Material groß ist. Daher wurde, um eineVerkleinerung des Kurzschlussstroms im Raum zu unterdrücken, dieDicke der InGaP-Zelle ausreichend klein gemacht, um die Menge deszur InGaAs-Zelle hindurchgestrahlten Lichts ausreichend zu erhöhen. Wieoben beschrieben, wurde bei der herkömmlichen Technik hauptsächlich einVerfahren zum Einstellen einer Filmdicke der Zelle dazu verwendet, denWandlungswirkungsgrad zu verbessern.
    [0006] Beieiner InGaP/InGaAs/Ge-Zelle mit drei Übergängen mit ei nem auch in einemGe-Substrat ausgebildeten pn-Übergangist der in der Ge-Zelle erzeugte Photostrom ausreichend größer alsder in den anderen Unterzellen. Daher ist es nicht erforderlich,die Menge des zur Ge-Zelle hindurchgestrahlten Lichts einzustellen.
    [0007] Beimoben beschriebenen herkömmlichenStromanpassungsverfahren erfolgte die Stromanpassung ohne Schwierigkeiten,und es konnten hohe Kurzschlussströme erzielt werden. Jedoch wurdekeine wesentliche Änderungder in einer Unterzelle erzeugten Spannung erzielt, und demgemäß wurdekeine ausreichende Verbesserung der Leerlaufspannung einer Solarzellemit mehreren Übergängen erzielt.
    [0008] Umdie spätereErläuterungder Erfindung besser verständlichzu machen, werden nun anhand der bereits genannten 10 eine InGaAs/GaAs-Solarzelle mit zwei Übergängen undein zugehörigerHerstellprozess gemäß der herkömmlichenTechnik beschrieben. Die 10 isteine schematische Schnittansicht, die den Aufbau einer Epitaxieschichtbei der herkömmlichenZelle zeigt.
    [0009] AlsErstes wird auf einem p-GaAs-Substrat unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrenseine Schichtstruktur hergestellt. D. h., dass ein mit Zn dotiertesGaAs-Substrat mit einem Durchmesser von ungefähr 50 mm in eine vertikaleMOCVD-Vorrichtung eingebracht wird und die in der 10 dargestellte Schichtstruktur sukzessiveepitaktisch aufgewachsen wird. Genauer gesagt, wird auf dem p-GaAs-Substrat einep-InGaP-Schichtals hintere Schicht fürein elektrisches Feld hergestellt. Auf dieser wird dann eine p-GaAs-Schichtals Basisschicht hergestellt, auf der wiederum eine n-GaAs-Schichtals Emitterschicht hergestellt wird. Ferner wird auf dieser einen-AlInP-Schicht als Fensterschicht hergestellt, auf der wiederumeine n-InGaP-Schicht und darauf eine p-AlGaAs- Schicht hergestellt werden. Zwischender n-AlInP-Schicht und der p-AlGaAs-Schicht ist ein Tunnelübergangausgebildet.
    [0010] Außerdem wirdauf der p-AlGaAs-Schicht eine p-AlInP-Schicht als hintere Schichtfür einelektrisches Feld hergestellt. Auf dieser wird eine p-InGaP-Schichtals Basisschicht hergestellt, auf der wiederum eine n-InGaP-Schichtals Emitterschicht hergestellt wird. Dann wird auf dieser eine n-AlInP-Schicht als Fensterschicht hergestellt,auf der eine n-GaAs-Schichtals Deckschicht hergestellt wird. Hierbei sind die Filmdicken deroben beschriebenen Schichten in der Zeichnung in der Einheit μm dargestellt.
    [0011] Während desoben beschriebenen epitaktischen Wachstums ist die Züchtungstemperaturvorzugsweise auf 700°Ceingestellt. Als Materialien zum Züchten der GaAs-Schicht können unabhängig davon,ob der Leitungstyp n oder p ist, Trimethylgallium (TMG) und Arsin(AsH3) verwendet werden.
    [0012] AlsMaterial zum epitaktischen Züchtender InGaP-Schicht könnenunabhängigdavon, ob ihr Leitungstyp n oder p ist, Trimethylindium (TMI), TMGund Phosphin (PH3) verwendet werden. Außerdem können alsMaterialien zum epitaktischen Züchtender AlInP-Schicht unabhängigdavon, ob ihr Leitungstyp n oder p ist, Trimethylaluminium (TMA),TMI und PH3 verwendet werden.
    [0013] Inallen oben beschriebenen Schichten aus GaAs, InGaP und AlInP kannMonosilan (SiH4) als Fremdstoff zur n-Dotierungverwendet werden, und DEZn kann als Fremdstoff zur p-Dotierung verwendetwerden.
    [0014] BeimHerstellen eines Tunnelübergangswährendder oben beschriebenen epitaktischen Züchtung können TMI, TMG und AsH3 als Materialien für die AlGaAs-Schicht verwendetwerden, und als Fremdstoff zur p-Dotierung kann Kohlenstofftetrabromid(CBr4) verwendet werden.
    [0015] Nachdemdurch epitaktische Züchtungeine Solarzellenstruktur hergestellt wurde, wird auf deren Oberfläche, mitAusnahme eines Gebiets, in dem ein Elektrodenmuster hergestelltwird, durch Photolithographie ein Resist hergestellt. Dann wirddie Solarzellenstruktur in eine Abscheidungs-Vakuumvorrichtung eingebracht,und durch ein Widerstandserwärmungsverfahrenwird auf dem Substrat mit dem hergestellten Resist eine Schichtaus Au hergestellt, die 12 % Ge enthält. Die Au-Schicht kann z. B. eine Dicke von ungefähr 100 nmaufweisen. Danach werden eine Ni- und eine Au-Schicht in dieserReihenfolge durch EB-Abscheidung mit einer Dicke von ungefähr 20 nmbzw. ungefähr5000 nm auf der Au-Schicht hergestellt. Dann wird eine Oberflächenelektrodemit einem gewünschtenMuster durch ein Abhebeverfahren erhalten.
    [0016] UnterVerwendung der auf die oben beschriebene Weise hergestellten Oberflächenelektrodeals Maske wird die n-GaAs-Deckschichtin einem Teil, in dem die Oberflächenelektrodenicht ausgebildet ist, durch eine alkalische, wässrige Lösung abgeätzt.
    [0017] Dannwird auf der Oberflächeeines Epitaxiewafers mit Ausnahme eines Gebiets für ein Mesa-Ätzmusterdurch Photolithographie ein Resist hergestellt. Anschließend wirdeine Epitaxieschicht in einem Gebiet, in dem der Resist nicht ausgebildetist, durch eine alkalische, wässrigeLösungund eine saure, wässrigeLösung abgeätzt, umdas GaAs-Substrat freizulegen.
    [0018] Aufdem rückseitigenSubstrat der Solarzellenstruktur wird durch EB-Abscheidung eineals Rückseitenelektrodedienende Ag-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 1000 nm hergestellt.
    [0019] Nachdemdie Rückseitenelektrodehergestellt wurde, werden ein TiO2- undein Al2O3-Film,die als Antireflexionsbeschichtung dienen, in dieser Reihenfolgemit einer Dicke von ungefähr50 nm bzw. ungefähr85 nm auf der äußerstenFlächehergestellt.
    [0020] Danacherfolgt in Stickstoff eine Wärmebehandlungbei 380°C,um die Oberflächenelektrodezu sintern und die Rückseitenelektrodeund die Antireflexionsbeschichtung zu tempern. Dann wird die Solarzellenstrukturauf solche Weise in eine Zelle zerschnitten, dass eine Teilungslinieauf eine Linie fällt,die einem Mesa-Ätzvorgangunterzogen wurde. Die Zelle kann z. B. eine Größe von 10 mm × 10 mmaufweisen.
    [0021] Umdie Eigenschaften der auf die oben beschriebene Weise hergestelltenSolarzelle auszuwerten, werden Strom- und Spannungseigenschaftenbeim Beleuchten einer Solarzelle mit Licht mittels eines Sonnenlichtsimulators,der Bezugssonnenlicht entsprechend AM 1,5 emittiert, gemessen, wobeider Kurzschlussstrom, die Leerlaufsspannung und der Wandlungswirkungsgradgemessen werden. Hierbei wird der Wandlungswirkungsgrad gemäß der folgendenGleichung berechnet: Wandlungswirkungsgrad =Leerlaufspannung (V) × Kurzschlussstrom(mA) × FFwobeiFF einen Füllfaktoreiner Solarzellen-Ausgangssignalkurve repräsentiert. Bei der Erfindungkann FF auf 0,85 gesetzt werden.
    [0022] Die 11 zeigt den Kurzschlussstromin einer Zelle mit zwei Übergängen, wenndie Dicke der p-InGaP-Basisschicht in ihr von 0,35 bis 0,95 μm variiertwird und die Dicke der InGaP-Zelle in ihr von 0,4 bis 1 μm variiertwird. In der 11 repräsentiertdie Ordinate die Stromdichte (mA/cm2), während die Abszisse die Dickeder oberen Zelle (μm)repräsentiert.Die 4 zeigt mittelseiner durchgezogenen Linie ein unter Verwendung eines Simulatorsfür einzweidimensionales Bauteil erzieltes Rechenergebnis für Wertevon Photoströmen,wie sie in der oberen InGaP-Zelle und der unteren GaAs-Zelle erzeugtwerden. Obwohl der Kurzschlussstrom in der Zelle mit zwei Übergängen aufden niedrigeren Wert der beiden Werte beschränkt ist, wie sie durch dieobere und die untere Zelle erzeugt werden, ist es erkennbar, dassdas Rechenergebnis durch den Bauteilesimulator im Wesentlichen demtatsächlichgemessenen Wert entspricht. Außerdemwird, wie es in der 11 dargestelltist, der höchsteWert fürden Kurzschlussstrom erzielt, wenn die Dicke der oberen InGaP-Zelle auf 0,6 μm eingestelltwird. Bei allen oberen InGaP-Zellenmit voneinander verschiedenen Dicken ist die Leerlaufspannung imWesentlichen gleich, und der Wandlungswirkungsgrad ist dann am höchsten, wenndie obere Zelle auf 0,6 μmeingestellt ist.
    [0023] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle mit mehreren Übergängen mithöhererLeerlaufspannung und besserem Wandlungswirkungsgrad sowie ein Stromanpassungsverfahrenfür einesolche zu schaffen.
    [0024] DieseAufgabe ist hinsichtlich des Stromanpassungsverfahrens durch dieLehren der beigefügtenunabhängigenAnsprüche1, füreine Solarzelle mit zwei Übergängen, und4, füreine Solarzelle mit drei Übergängen, sowiehinsichtlich der Solarzelle durch die Lehren der beigefügten unabhängigen Ansprüche 8, für zwei Übergänge, und10, fürdrei Übergänge, gelöst. Beieiner erfindungsgemäßen Solarzelleist die Wellenlänge derAbsorptionskante dadurch verkleinert, dass Al zur oberen Zelle zugesetztist, wobei durch Erhöhendes Al-Anteils dieBandlückein der (Al)InGaP-Zelle vergrößert wird.Dadurch wird auch die Menge des Lichts eingestellt, das zu einerdarunter liegenden InGaAs-Zelle gestrahlt wird, wodurch z. B. ineiner InGaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen ein ausreichender Kurzschlussstromin der InGaAs-Zelleund damit eine gute Stromanpassung erzielt wird. Dies verbessertden Wandlungswirkungsgrad der Zelle.
    [0025] Dievorstehenden sowie andere Aufgaben, Merkmale, Erscheinungsformenund Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detailliertenBeschreibung derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungenbesser erkennbar werden.
    [0026] 1 und 2 sind schematische Schnittansichtendes Aufbaus von Ausführungsformeneiner erfindungsgemäßen Solarzelle.
    [0027] 3 ist eine schematischeSchnittansicht, die den Schichtaufbau einer AlInGaP/InGaAs/Ge-Solarzellemit drei Übergängen gemäß einerAusführungsformder Erfindung zeigt.
    [0028] 4 ist ein Kurvenbild, dasdie Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Schicht zuPhotoströmenin dieser Schicht und einer darunter liegenden InGaAs-Zelle (die1 In enthält)bei einer Beleuchtung gemäß AM 1,5zeigt.
    [0029] 5A ist ein Kurvenbild, dasdie Beziehung zwischen der Dicke von InGaP (ohne Al) und dem Wandlungswirkungsgradbei einer herkömmlichenZelle bei einer Beleuchtung gemäß AM 1,5zeigt.
    [0030] 5B ist ein Kurvenbild, dasdie Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Zelle unddem Wandlungswirkungsgrad bei einer Solarzelle gemäß einerAusführungsformder Erfindung bei Beleuchtung gemäß AM 1,5 zeigt.
    [0031] 6 ist ein Kurvenbild, dasdie Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Schicht zuPhotoströmenin dieser Schicht und einer darunter liegenden InGaAs-Zelle (die1 In enthält)bei einer Beleuchtung gemäß AM 0 zeigt.
    [0032] 7A ist ein Kurvenbild, dasdie Beziehung zwischen der Filmdicke und dem Wandlungswirkungsgradin der AlInGaP/In-GaAs/Ge-Solarzellemit drei Übergängen beiBeleuchtung gemäß AM 0 zeigt.
    [0033] 7B ist ein Kurvenbild, dasdie Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Zelle unddem Wandlungswirkungsgrad bei einer Solarzelle gemäß einerAusführungsformder Erfindung bei Beleuchtung gemäß AM 0 zeigt.
    [0034] 8 ist ein Kurvenbild, dasdie Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Schicht zuPhotoströmenin dieser Schicht und einer darunter liegenden InGaAs-Zelle (die1 In enthält)bei einer Beleuchtung gemäß AM 0 zeigt(nach Strahlungsbestrahlung).
    [0035] 9A ist ein Kurvenbild, dasdie Beziehung zwischen der Filmdicke und dem Wandlungswirkungsgradin der AlInGaP/In-GaAs/Ge-Solarzellemit drei Übergängen beiBeleuchtung gemäß AM 0 zeigt(nach Strahlungsbestrahlung).
    [0036] 9B ist ein Kurvenbild, dasdie Beziehung zwischen dem Al-Anteil in einer AlInGaP-Zelle unddem Wandlungswirkungsgrad bei einer Solarzelle gemäß einerAusführungsformder Erfindung bei Beleuchtung gemäß AM 0 zeigt (nach Strahlungsbestrahlung).
    [0037] 10 ist eine schematischeSchnittansicht, die den Aufbau einer Epitaxieschicht in einer Solarzelle mitzwei Übergängen gemäß einerherkömmlichenTechnik zeigt.
    [0038] 11 ist das Kurvenbild, dasdie Beziehung zwischen der Dicke einer InGaP-Zelle und den Kurzschlussstromin der Solarzelle mit zwei Übergängen zeigt.
    [0039] Die 1 zeigt einen Aufbau einerAusführungsformeiner erfindungsgemäßen Solarzellein Zusammenhang mit den beigefügtenAnsprüchen1 und 8. Wie es dort dargestellt ist, ist eine Rückseitenschicht zum Erzeugeneines elektrischen Felds aus einem p-InGaP-Material auf einem Substrataus einem p-GaAs-Materialhergestellt. Auf dieser Schicht ist eine Basisschicht aus einemp-InGaAsN-Material hergestellt, auf der wiederum eine Emitterschichtaus einem n-InGaAsN-Material hergestellt ist. Ferner ist auf dieserSchicht eine Fensterschicht aus einem n-AlInP-Material hergestellt,auf der eine n-InGaP-Schicht und dann eine p-AlGaAs-Schicht hergestelltsind. Zwischen diesen zwei Schichten, also der InGaP-Schicht undder AlGaAs-Schicht, ist ein Tunnelübergang ausgebildet.
    [0040] Außerdem istauf der AlGaAs-Schicht eine Rückseitenschichtzum Erzeugen eines elektrischen Felds aus einem p-AlInP-Materialhergestellt, auf der eine Basisschicht aus einem p-AlInGaP-Materialund dann eine Emitterschicht aus einem n-AlInGaP-Material hergestellt sind. Aufder Emitterschicht ist eine Fensterschicht aus n-AlInP-Materialhergestellt, auf der eine Deckschicht aus n-GaAs-Material hergestelltist. Die Filmdicken der vorstehend angegebenen Schichten sind dergestalt,wie es in der 1 mitder Einheit μmangegeben ist. Die Filmdicke der Basisschicht aus p-AlInGaP-Material wird alsParameter eingestellt.
    [0041] EineSolarzelle mit dem oben beschriebenen Aufbau kann durch ein MOCVD-Verfahrenhergestellt werden. Genauer gesagt, wird ein mit Zn dotiertes GaAs-Substratzur epitaktischen Züchtungin eine vertikale MOCVD-Vorrichtung eingebracht. Dabei können diebereits in Zusammenhang mit der Erläuterung der 10 genannte Züchtungstemperatur und die genanntenMate rialien verwendet werden. Außerdem können als Materialien zur epitaktischenZüchtungder InGaP-Schicht TMI, TMG und PH3 verwendetwerden, wobei Diethyltellur (DETe) als Fremdstoff für n-Dotierungverwendbar ist.
    [0042] Aufdiese Weise wird bei einer Solarzelle mit zwei Übergängen ein Kurzschlussstrom erzielt,der so hoch wie der bei der herkömmlichenTechnik ist, bei der eine Stromanpassung durch Einstellen der Filmdicke erzieltwurde, wobei jedoch hier die Wellenlänge der Absorptionskante abgesenktist. So kann eine hervorragende Leerlaufspannung erzielt werden,wodurch der Wandlungswirkungsgrad verbesserbar ist.
    [0043] Die 2 zeigt einen Aufbau einerAusführungsformeiner Solarzelle in Zusammenhang mit den Ansprüchen 4 und 10. Wie es dortdargestellt ist, ist eine Pufferschicht aus einem n-InGaAs-Material aufeinem mit Ga-dotiertem Substrat aus p-Ge-Material hergestellt. Hierbei diffundiertAs aus der In-GaAs-Schichtin das Ge-Substrat, um auch eine n-Ge-Schicht auszubilden. Auf derPufferschicht ist eine n-InGaP-Schicht hergestellt, auf der wiederumeine p-AlGaP-Schicht hergestellt ist. Zwischen diesen zwei Schichten,d. h. der InGaP-Schichtund der AlGaP-Schicht, ist ein Tunnelübergang ausgebildet. Auf derAlGaAs-Schicht ist eine Rückseitenschichtfür einelektrisches Feld aus einem p-InGaP-Material hergestellt, auf derwiederum eine Basisschicht aus einem p-In-GaAsN-Material hergestellt ist. Aufder Basisschicht ist eine Emitterschicht aus einem n-InGaAsN-Materialhergestellt, auf der wiederum eine Fensterschicht aus einem n-AlInP-Material hergestelltist. Ferner sind darauf eine n-InGaP-Schichtund eine p-AlGaAs-Schicht hergestellt. Zwischen diesen zwei Schichten,d. h. der n-InGaP- und der p-AlGaAs-Schicht,ist ein Tunnelübergangausgebildet.
    [0044] Außerdem istauf der AlGaAs-Schicht eine Rückseitenschicht für ein elektrischesFeld aus einem p-AlInP-Material hergestellt, auf der wiederum eineBasisschicht aus einem p-AlIn-GaP-Materialhergestellt ist, auf der sich eine Emitterschicht aus einem n-AlInGaP-Materialbefindet. Auf der Emitterschicht sind eine Fensterschicht aus einemn-AlInP-Material und eine Deckschicht aus einem n-GaAs-Materialhergestellt. Die Filmdicken der vorstehend angegebenen Schichtensind dergestalt, wie es in der 2 angegebenist, wobei die Filmdicke der Basisschicht aus einem p-AlInGaP-Materialals Parameter eingestellt wird.
    [0045] EinHerstellverfahren füreine Solarzelle mit diesem Aufbau sowie die Materialien für dieselbesind entsprechend denen bei der zuvor anhand der 1 beschriebenen Solarzelle.
    [0046] Aufdiese Weise wird in einer Solarzelle mit drei Übergängen ein Kurzschlussstrom erzeugt,der so hoch wie der bei einer herkömmlichen Solarzelle ist, beider eine Stromanpassung durch Einstellen der Filmdicke erzielt wurde,wobei jedoch die Wellenlängeder Absorptionskante abgesenkt ist. Dabei wird eine hervorragendeLeerlaufspannung erzielt, wodurch der Wandlungswirkungsgrad verbesserbarist.
    [0047] Vorzugsweiseverfügtdas AlInGaP-Material fürdie obere Zelle übereine Dicke, die dazu ausreicht, mindestens 98 % von Sonnenlichtzu absorbieren, das eine Wellenlängeaufweist, die derjenigen der Absorptionskante entspricht oder kleinerist. Hierbei betrifft die Wellenlänge der Absorptionskante diejenigeWellenlänge,die unter denen die längsteist, die eine Solarzelle absorbieren kann. Genauer gesagt, ist vorzugsweise diefolgende Gleichung erfüllt: Absorptionskante-Wellenlänge (nm) = 1239,8/Eg (eV)wobeiEg (eV) die Bandlückenenergieder AlInGaP-Schicht re präsentiert.Außerdemist, wünschenswerterweise,ein Absenken des Werts Eg durch eine Ordnung einer Atomabfolge,wie sie fürein Material auf InGaP-Basis spezifisch ist, nicht bedeutend. Hierbeihat Eg vorzugsweise einen Wert, der der folgenden Gleichung genügt: Eg = 1,88 + 1,26xwobei x den Al-Anteil vonElementen der Gruppe III in der AlInGaP-Schicht repräsentiert.Gemäß der obenbeschriebenen Beziehung wird bei z. B. x = 0,05 die Wellenlänge derAbsorptionskante auf 638 nm eingestellt. Indessen wird sie auf 600nm eingestellt, wenn x = 0,15 gilt. Bei der Erfindung liegt derWert Eg fürAlInGaP vorzugsweise im Bereich von 1,94 bis 2,03 eV. Eg sollteerhöhtwerden, um eine möglichsthohe Spannung zu erzielen. Wenn jedoch der Wert Eg zu groß ist, istder erzeugte Strom zu klein, als dass eine Stromanpassung erzieltwerden könnte.Daher weist ein Material fürdie obere Zelle fürdas Sonnenlicht im Raum, bei dem die Intensität von Licht kurzer Wellenlängen hochist, vorzugsweise einen relativ hohen Wert Eg von 1,97 bis 2,03 eVauf. Andererseits weist das Material für die obere Zelle für Sonnenlichtauf der Erde, bei dem die Intensität von Licht kurzer Wellenlängen nichtzu hoch ist, vorzugsweise einen Eg-Wert von 1,94 bis 1,97 eV auf.
    [0048] Vorzugsweiseliegt der Al-Anteil im AlInGaP-Material im Bereich von 0,05 bis0,15, und der N-Anteil im InGaAsN-Material liegt im Bereich von0 bis 0,03. Wenn der Al-Anteil kleiner als 0,05 ist, ist der Eg-Wertder oberen Zelle zu klein, und es ist auch das Diffusionspotentialklein, was zu einer niedrigeren erzeugten Spannung führt. Wenndagegen der Al-Anteil 0,15 überschreitet,ist der erzeugte Strom zu klein im Vergleich zu dem in der Zelleim unteren Teil, was zu fehlender Stromanpassung führt.
    [0049] Beieiner Solarzelle mit mehreren Übergängen gemäß eineranderen Erscheinungsform der Erfindung liegt der Al-Anteil in einemAlInGaP-Material füreine obere Zelle im Bereich von 0,05 bis 0,15. Diese Solarzelle mitmehreren Übergängen verwendetals obere Zelle eine solche, die mit einem AlIn-GaP-Material ausgebildet ist und einenpn-Übergangaufweist, und sie verwendet als untere Zelle eine solche mit Gitteranpassungzur oberen Zelle, aus einem InGaAsN-Material und mit pn-Übergang.
    [0050] Beieiner Solarzelle mit mehreren Übergängen gemäß noch eineranderen Erscheinungsform der Erfindung liegt der Al-Anteil in einemAlInGaP-Material füreine obere Zelle im Bereich von 0,05 bis 0,15. Als obere Zelle isteine solche aus einem AlInGaP-Material mit pn-Übergang verwendet, als mittlereZelle ist eine solche mit Gitteranpassung an die obere Zelle, auseinem InGaAsN-Material und mit pn-Übergang, verwendet, und alsuntere Zelle ist eine solche mit Gitteranpassung an die mittlereZelle, aus einem Ge-Material und mit pn-Übergang, verwendet.
    [0051] Vorzugsweiseverfügtdas AlInGaP-Material fürdie obere Zelle übereine Dicke, die dazu ausreicht, mindestens 98 % von Sonnenlichtmit einer Wellenlängezu absorbieren, die der Wellenlängebei der Absorptionskante entspricht oder kleiner ist. Darüber hinausliegt der n-Anteil im InGaAsN-Material vorzugsweise im Bereich von0 bis 0,03.
    [0052] DieErfindung wird nun anhand konkreter Ausführungsformen näher erläutert.
    [0053] Beider ersten Ausführungsformwird eine Solarzelle mit drei Übergängen, diegenau der in der 3 dargestelltenentspricht, unter Verwendung einer Prozedur ähnlich wie bei der herkömmlichenTechnik hergestellt. Die 3 isteine schematische Schnittansicht, die die Schichtstruktur einerAlIn-GaP/InGaAs/Ge-Solarzellemit drei Übergängen gemäß der genanntenersten Ausführungsformzeigt. Zahlenwerte in der Zeichnung repräsentieren Schichtdicken jeweilsmit der Einheit μm.
    [0054] Wiees in der 3 dargestelltist, wird eine n-GaAs-Schichtals Pufferschicht auf einem mit Ga dotierten p-Ge-Substrat hergestellt.Hierbei diffundiert As aus der n-GaAs-Schicht in das Ge-Substrat, um eine n-Ge-Schichtzu bilden. Dann wird auf der n-GaAs-Schicht eine n-InGaP-Schichthergestellt, auf der wiederum eine p-AlGaAs-Schicht hergestelltwird. Zwischen der n-InGaP- und der p-AlGaAs-Schicht bildet sichein Tunnelübergang.
    [0055] AlsRückseitenschichtfür einelektrisches Feld wird auf der p-AlGaAs-Schicht eine p-InGaP-Schicht hergestellt,auf der wiederum eine p-GaAs-Schicht als Basisschicht hergestelltwird. Auf dieser werden eine n-GaAs-Schicht und eine n-AlIn-P-Schicht als Fensterschichthergestellt. Ferner werden darauf eine n-InGaP-Schicht und einep-AlGaAs-Schicht hergestellt. Zwischen der n-InGaP- und der p-AlGaAs-Schichtbildet sich ein Tunnelübergang.
    [0056] Außerdem wirdauf der p-AlGaAs-Schicht eine p-AlInP-Schicht als Rückseitenschichtfür einelektrisches Feld hergestellt, auf der wiederum eine p-AlInGaP-Schichtals Basisschicht und eine n-AlInGaP-Schicht als Emitterschicht hergestelltwerden. Dann werden darauf eine n-AlInP-Schicht als Fensterschichtund eine n-GaAs-Schicht als Deckschicht hergestellt.
    [0057] Für dieseerste Ausführungsformwurden der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und der Wandlungswirkungsgraduntersucht, wobei der Al-Anteil in der AlInGaP-Zelle innerhalb derSolarzelle mit drei Übergängen mitdem oben beschriebenen Aufbau variiert wurde. Die Stromdichte wurdedurch einen Simulator für zweidimensionaleBauteile durch Berechnung analysiert. Das Ergebnis ist in der 4 dargestellt. Die 4 ist ein Kurvenbild, dasPhotoströmein der AlInGaP-Zelleund der darunter liegenden InGaAs-Zelle (die 1% In enthält) zeigt,wenn der Al-Anteil in der AlInGaP-Schicht bei Beleuchtung gemäß AM 1,5variiert wird. Hierbei wurde gleichzeitig auch die Dicke der Basisschichtder AlInGaP-Zellevariiert.
    [0058] Inder 4 repräsentiertder Schnittpunkt zwischen dem Photostrom in der AlInGaP-Zelle unddem Photostrom in der InGaAs-Zelle einen Stromanpassungspunkt. DerWandlungswirkungsgrad in der AlInGaP/InGaAsJGe-Solarzelle mit drei Übergängen wurdeauf Grundlage des in der 4 dargestelltenErgebnisses berechnet. Die 5A zeigtden Wandlungswirkungsgrad, wie er gemäß der herkömmlichen Technik erzielt wird,wenn die Dicke von InGaP (ohne Al) variiert wird, während die 5B den Wandlungswirkungsgradzeigt, wie er bei der ersten Ausführungsform erzielt wird, wennder Al-Anteil in der AlInGaP-Zelle variiert wird. Es wird daraufhingewiesen, dass die 5B Ergebnissehinsichtlich jeweiliger Filmdicken der AlInGaP-Schicht zeigt, dievon 0,8 bis 2 μmvariiert wurden.
    [0059] Wiees in der 5B dargestelltist, wurde der Wandlungswirkungsgrad für den Fall berechnet, dass beider ersten Ausführungsformdie Dicke der AlInGaP-Zelle auf nicht kleiner als 0,8 μm eingestelltwar. Im Ergebnis wurde dann, wenn der Al-Anteil im Bereich von 0,05bis 0,15 eingestellt wurde, ein Wandlungswirkungsgrad über dembei der herkömmlichenTechnik erzielt, wie es aus der 5B erkennbarist.
    [0060] Eine ähnlicheUntersuchung wurde auch unter Beleuchtung gemäß AM 0 ausgeführt. Die 6 ist ein Kurvenbild, dasdie Stromdichte in der AlInGaP-Schicht und der unter dieser liegendenInGaAs-Zelle (die 1 % In enthält)zeigt, wenn der Al-Anteilin der AlInGaP-Schicht beim in der 3 dargestelltenAufbau variiert wird. Hierbei wurde gleichzeitig auch die Dickeder Basisschicht der AlInGaP-Zelle variiert.
    [0061] Inder 6 repräsentiertder Schnittpunkt zwischen dem Photostrom in der AlInGaP-Zelle unddem Photostrom in der InGaAs-Zelle einen Stromanpassungspunkt. DerWandlungswirkungsgrad in der AlInGaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mit drei Übergängen wurdeauf Grundlage des in der 6 dargestelltenErgebnisses berechnet. Die 7A zeigtden Wandlungswirkungsgrad, wie er gemäß der herkömmlichen Technik erzielt wird,wenn die Dicke von InGaP (ahne Al) variiert wird, während die 7B den Wandlungswirkungsgradzeigt, wie er bei der ersten Ausführungsform erzielt wird, wennder Al-Anteil in der AlInGaP-Zelle variiert wird. Es wird daraufhingewiesen, dass die 7B Ergebnissehinsichtlich jeweiliger Filmdicken der AlInGaP-Schicht zeigt, dievon 0,8 bis 2 μmvariiert wurden.
    [0062] Wiees in der 7B dargestelltist, wurde der Wandlungswirkungsgrad für den Fall berechnet, dass beider ersten Ausführungsformdie Dicke der AlInGaP-Zelle auf nicht kleiner als 0,8 μm eingestelltwar. Im Ergebnis wurde dann, wenn der Al-Anteil im Bereich von 0,05bis 0,15 eingestellt wurde, ein Wandlungswirkungsgrad über dembei der herkömmlichenTechnik erzielt, wie es aus der 7B erkennbarist.
    [0063] Außerdem wurdeeine Anzahl von Eigenschaften einer gemäß der ersten Ausführungsformhergestellten Solarzelle mit drei Übergängen auf ähnliche Weise auch unter Beleuchtunggemäß AM 0 gemessen,nachdem die Solarzelle mit einem Elektronenstrahl von le15/cm2 bestrahltwurde, was mit der Gesamtstrahlung vergleichbar ist, wie sie aufeiner stationärenUmlaufbahn im Weltraum währendeiner Periode von einem Jahr empfangen wird. Die 8 zeigt ein Rechenergebnis für die Stromdichtein einer AlInGaP-Zelle und der darunter liegenden InGaAs-Zelle (die1 % In enthält),wenn der Al-Anteil in der AlInGaP-Zelle mit dem in der 3 dargestellten Aufbau variiertwird.
    [0064] Auseinem Vergleich der 4 mitder 8 ist es erkennbar,dass die Dicke der GaAs-Zelle kleiner als die der stromangepasstenBasisschicht der AlInGaP-Zelle ist, da die Stromstärke in derGaAs-Zelle nach dem Bestrahlen der Solarzelle mit Strahlung stärker abgesenktist. Auf Grundlage des in der 8 dargestelltenRechenergebnisses variieren der Wandlungswirkungsgrad der AlInGaP/InGaAs/Ge-Solarzellemit drei Übergängen undderjenige, wie er erzielt wird, wenn der Al-Anteil gemäß der Erfindungvariiert wird, wie in den 9A bzw. 9B dargestellt.
    [0065] Wiees in der 9B dargestelltist, wurde der Wandlungswirkungsgrad für den Fall berechnet, dass dieDicke der AlInGaP-Zelle bei der ersten Ausführungsform nicht kleiner als0,8 μm eingestelltwurde. Im Ergebnis wurde ein Wandlungswirkungsgrad über demgemäß der herkömmlichenTechnik erzielt, wenn der Al-Anteil im Bereich von 0,05 bis 0,15eingestellt wurde.
    [0066] Aufeinem p-GaAs-Substrat wird unter Verwendung der bei der vorigenAusführungsformbeschriebenen Prozedur eine Solarzelle mit einem einzelnen Übergangaus dem AlInGaP-Material hergestellt. Genauer gesagt, wird einep-AlGaAs-Schicht für einenTunnelübergangauf dem p-GaAs-Substrat hergestellt, und auf dieser wird als Rückseitenschichtfür einelektrisches Feld eine p-AlInP-Schicht hergestellt. Darauf werdeneine p-AlInGaP-Schicht als Basisschicht und eine n-AlInGaP-Schicht als Emitterschichthergestellt. Ferner werden darauf eine n-AlInP-Schicht als Fensterschichtund eine n-GaAs-Schichtals Deckschicht hergestellt.
    [0067] Dieoben beschriebene Solarzelle mit einzelnem Übergang wird durch dieselbenProzessschritte wie bei der vorigen Ausführungsform, mit Ausnahme derHerstellung der oben beschriebenen Schichtstruktur, als Solarzelleerhalten.
    [0068] Beider Solarzelle mit einzelnem Übergangmit dem oben beschriebenen Aufbau wurde der Al-Anteil in der AlInGaP-Schicht von 0,07bis 0,14 variiert. Außerdemwurde fürGitteranpassung der AlInGaP-Schicht an das GaAs-Substrat in solcherWeise gesorgt, dass die folgende Gleichung erfüllt war: (Al+ Ga) : In = 0,52 : 0,48
    [0069] Darüber hinauswurde auch die Dicke der Basisschicht aus p-AlInGaP von 0,55 bis 2,45 μm variiert, während diejenigeder AlInGaP-Zelle von 0,6 bis 2,5 μm variiert wurde. Die Tabelle1 zeigt ein Untersuchungsergebnis für den Photostrom.
    [0070] Wiees aus den in der Tabelle 1 dargestellten Ergebnissen erkennbarist, wurde bei einer AlInGaP-Zelle mit einem Al-Anteil von 0,07 und einer Zellendickevon 2 bis 2,5 μmein Kurzschlussstrom (Isc) entsprechend dem der herkömmlichenInGaP-Zelle ohne Al (Al-Anteil von 0) erhalten. Außerdem wurdeeine hohe Leerlaufspannung von 90 bis 100 mV erhalten.
    [0071] DieTabelle 2 zeigt einen Vergleich von Eigenschaften zwischen einerAlInGaP/GaAs-Tandemzelle, die mit einer oberen Zelle aus AlInGaPmit einem Al-Anteil von 0,07 und einer Zellendicke von 2,5 μm hergestellt wurde,und einer InGaP/GaAs-Tandemzelle unter Verwendung der herkömmlichenoberen Zelle aus InGaP.
    [0072] Wiees aus den in der Tabelle 2 dargestellten Ergebnissen erkennbarist, kann unter Verwendung einer oberen Zelle aus AlInGaP die Leerlaufspannungverbessert werden, und der Wandlungswirkungsgrad kann um ungefähr 1 % erhöht werden,ohne dass der Kurzschlussstrom abnimmt.
    [0073] Wiees bei den obigen Ausführungsformendargelegt ist, ist durch das Stromanpassungsverfahren gemäß der Erfindungder Wandlungswirkungsgrad einer AlInGaP/InGaAs/Ge-Solarzelle mitdrei Übergängen im Vergleichzum Wandlungswirkungsgrad verbessert, wie er durch das herkömmlicheStromanpassungsverfahren erzielt wird. Genauer gesagt, ist gegenüber demherkömmlichenBeispiel der Wandlungswirkungsgrad bei Beleuchtung gemäß AM 1,5auf ungefährdas 1,026-fache, unter Beleuchtung gemäß AM 0 (vor Strahlungsbestrahlung)auf ungefährdas 1,037-fache und unter Beleuchtung gemäß AM 0 (nach Strahlungsbestrahlung) aufungefährdas 1,047-fache verbessert.
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, dadurchgekennzeichnet, dass der Al-Anteil in einem AlInGaP-Materialeiner oberen Zelle mit pn-Übergangso eingestellt ist, dass zwischen den von der oberen Zelle und einerunteren Zelle innerhalb der Solarzelle mit mehreren Übergängen erzeugtenPhotoströmen Übereinstimmungerzielt ist, wobei die untere Zelle an die obere Zelle gitterangepasst istund sie aus einem InGaAsN-Material mit pn-Übergangbesteht.
    [2] Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das AlInGaP-Material für die obereZelle eine Dicke aufweist, die dazu ausreicht, mindestens 98 % vonSonnenlicht mit einer Wellenlängeentsprechend der Wellenlängeeiner Absorptionskante und darunter zu absorbieren.
    [3] Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Anteil innerhalbvon Elementen der Gruppe III im AlInGaP-Material im Bereich von0,05 bis 0,15 liegt.
    [4] Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, dadurchgekennzeichnet, dass der Al-Anteil in einem AlInGaP-Material eineroberen Zelle mit pn-Übergangso eingestellt ist, dass zwischen der oberen Zelle und einer mittlerenZelle innerhalb der Solarzelle mit mehreren Übergängen erzeugten Photoströmen Übereinstimmungerzielt ist, wobei die untere Zelle an die obere Zelle gitterangepasstist und sie aus einem InGaAsN-Material mit pn-Übergang besteht, und mit einerunteren Zelle aus einem Ge-Material mit pn-Übergang und mit Gitteranpassungan die mittlere Zelle.
    [5] Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, nachAnspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das AlInGaP-Material für die obereZelle eine Dicke aufweist, die dazu ausreicht, mindestens 98 % vonSonnenlicht mit einer Wellenlängeentsprechend der Wellenlängeeiner Absorptionskante und darunter zu absorbieren.
    [6] Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, nachAnspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Anteil innerhalbvon Elementen der Gruppe III im AlInGaP-Material im Bereich von0,05 bis 0,15 liegt.
    [7] Stromanpassungsverfahren für eine Solarzelle mit mehreren Übergängen, nachAnspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der n-Anteil innerhalbder Elemente der Gruppe V im InGaAsN-Material im Bereich von 0 bis0,03 liegt.
    [8] Solarzelle mit mehreren Übergängen, dadurch gekennzeichnet,dass der Al-Anteil innerhalb der Elemente der Gruppe III in einemAlInGaP-Material füreine obere Zelle mit pn-Überganginnerhalb der Solarzelle mit mehreren Übergängen im Bereich von 0,05 bis0,15 liegt und eine untere Zelle mit pn-Übergang und Gitteranpassungan die obere Zelle aus einem InGaAsN-Material besteht.
    [9] Solarzelle mit mehreren Übergängen nach Anspruch 8, dadurchgekennzeichnet, dass die obere Zelle eine Dicke aufweist, die dazuausreicht, mindestens 98 % von Sonnenlicht mit einer Wellenlänge entsprechend derjenigender Absorptionskante oder darunter zu absorbieren.
    [10] Solarzelle mit mehreren Übergängen, dadurch gekennzeichnet,dass der Al-Anteil innerhalb der Elemente der Gruppe III in einemAlInGaP-Material füreine obere Zelle mit pn-Überganginnerhalb der Solarzelle mit mehreren Über gängen im Bereich von 0,05 bis0,15 liegt, eine mittlere Zelle mit pn-Übergang und Gitteranpassungan die obere Zelle aus einem InGaAsN-Material besteht und eine untereZelle mit pn-Übergangund Gitteranpassung an die mittlere Zelle aus einem Ge-Materialbesteht.
    [11] Solarzelle mit mehreren Übergängen nach Anspruch 10, dadurchgekennzeichnet, dass die obere Zelle eine Dicke aufweist, die dazuausreicht, mindestens 98 % von Sonnenlicht mit einer Wellenlänge entsprechend derjenigender Absorptionskante oder darunter zu absorbieren.
    [12] Solarzelle mit mehreren Übergängen nach Anspruch 10, dadurchgekennzeichnet, dass der n-Anteil innerhalb der Elemente der GruppeV im InGaAsN-Material im Bereich von 0 bis 0,03 liegt.
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    同族专利:
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    US20040187912A1|2004-09-30|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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    2004-10-21| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2010-12-16| 8131| Rejection|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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