DE102013217653A1 - Photovoltaic solar cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Solarzelle, mit mindestens einer Vorderseitenelektrode und mindestens einer Rückseitenelektrode sowie einer zwischen Vorder- und Rückseitenelektrode angeordneten photoelektrisch aktiven Absorberschicht, welche Absorberschicht zumindest zu 30 Massenprozent Germanium enthält. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht eine Dicke kleiner 40 nm aufweist, dass die Solarzelle eine Vorderseitenreflexionsschicht und eine Rückseitenreflexionsschicht aufweist, wobei die Absorberschicht zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht angeordnet ist und dass die optische Weglänge zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht kleiner ½ λTauc ist, mit einer der Tauc-Bandlücke der Absorberschicht entsprechenden Wellenlänge λTauc.The invention relates to a photovoltaic solar cell having at least one front-side electrode and at least one rear-side electrode and a photoelectrically active absorber layer arranged between front and rear electrode, which absorber layer contains at least 30% by mass of germanium. The invention is characterized in that the absorber layer has a thickness of less than 40 nm, that the solar cell has a front side reflection layer and a back side reflection layer, wherein the absorber layer is disposed between the front and rear side reflection layers and the optical path length between the front and back side reflection layers is smaller than ½ λ Tauc with a wavelength λTauc corresponding to the Tauc band gap of the absorber layer.
Description
Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a photovoltaic solar cell according to the preamble of
Solche typischerweise als „Dünnschichtsolarzelle” bezeichneten photovoltaischen Solarzellen weisen mindestens eine Vorderseitenelektrode und mindestens eine Rückseitenelektrode auf sowie eine zwischen Vorder- und Rückseitenelektrode angeordnete photoelektrisch aktive Absorberschicht.Such photovoltaic solar cells, which are typically referred to as "thin-film solar cell", have at least one front-side electrode and at least one rear-side electrode and a photoelectrically active absorber layer arranged between the front and rear-side electrodes.
Über die Vorderseite in die photovoltaische Solarzelle eindringende elektromagnetische Strahlung, typischerweise Sonnenlicht, wird zumindest teilweise in der photoelektrisch aktiven Absorberschicht absorbiert und es erfolgt eine Ladungsträgergeneration, d. h. Generation von Elektron-Lochpaaren. Die Elektron-Lochpaare werden an einem pn-Übergang getrennt und der Vorder- bzw. der Rückseitenelektrode zugeführt, so dass über externe Kontakte elektrische Energie abgegriffen werden kann.Electromagnetic radiation penetrating into the photovoltaic solar cell via the front side, typically sunlight, is at least partially absorbed in the photoelectrically active absorber layer, and a charge carrier generation occurs, ie. H. Generation of electron-hole pairs. The electron-hole pairs are separated at a pn junction and supplied to the front and the backside electrode, so that electrical energy can be tapped off via external contacts.
Im Rahmen dieser Beschreibung umfasst die Bezeichnung „pn-Übergang” auch solche pn-Übergänge, bei welchen zwischen den dotierten Schichten eine intrinsische Schicht angeordnet ist, so genannte pin-Übergänge als Untergruppe der pn-Übergänge. Ebenfalls beinhaltet diese Bezeichnung im Rahmen dieser Beschreibung solche Strukturen, in denen eine oder beide der dotierten Schichten durch ein Material ersetzt ist bzw. sind, welches schon ohne Dotierung aufgrund der Lage des Ferminiveaus bzw. seiner Austrittsarbeit eine Ladungstrennung herbeiführt, insbesondere in Form eines an sich bekannten Schottky-Kontaktes (Metall-Halbleiter-Übergang). Insofern bezeichnet die Bezeichnung „pn-Übergang” im Rahmen dieser Beschreibung auch jede Schichtabfolge bestehend aus einer intrinsischen Halbleiterschicht bzw einer Folge mehrerer intrinsischer Halbleiterschichten, an deren einer Seite eine Schicht aus einem Material mit einem Ferminiveau nahe der Leitungsbandkante mindestens eines der intrinsischen Materialien befindet, und an deren anderer Seite eine Schicht aus einem Material mit einem Ferminiveau nahe der Valenzbandkante mindestens eines der intrinsischen Materialien angordnet ist.In the context of this description, the term "pn junction" also encompasses those pn junctions in which an intrinsic layer is arranged between the doped layers, so-called pin junctions as a subgroup of the pn junctions. In the context of this description, this term likewise includes structures in which one or both of the doped layers is or are replaced by a material which causes charge separation even without doping due to the position of the Fermi level or its work function, in particular in the form of one known Schottky contact (metal-semiconductor junction). In this respect, the term "pn junction" in the context of this description also denotes any layer sequence consisting of an intrinsic semiconductor layer or a sequence of multiple intrinsic semiconductor layers, on one side of which a layer of a material having a Fermi level is located near the conduction band edge of at least one of the intrinsic materials, and at the other side of which a layer of a material having a Fermi level near the valence band edge of at least one of the intrinsic materials is arranged.
Die Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen zielt aktuell in erster Linie auf die Reduktion von Energieaufwand und Material- sowie Energiekosten im Produktionsprozess bei gleichzeitiger Maximierung der Effizienz der Solarzelle ab. Unabhängig von dem verwendeten photoelektrisch aktiven Absorbermaterial spielt hierbei insbesondere die Schichtdicke des Absorbermaterials eine wesentliche Rolle: Mit zunehmender Schichtdicke der Absorberschicht wird typischerweise die Absorption und somit die Kurzschlussstromdichte erhöht, während die Offenklemmspannung und der Füllfaktor der Solarzelle abnehmen. Eine wesentliche Herausforderung der Weiterentwicklung von Dünnschichtsolarzellen besteht daher darin, die Schichtdicke der Absorberschicht abzusenken, ohne oder nur mit geringfügiger Verringerung der Absorption der Solarzelle.The development of thin-film solar cells is currently aimed primarily at reducing energy consumption and material and energy costs in the production process while maximizing the efficiency of the solar cell. Regardless of the photoelectrically active absorber material used, in particular the layer thickness of the absorber material plays an essential role: With increasing layer thickness of the absorber layer, the absorption and thus the short-circuit current density is typically increased, while the open-circuit voltage and the fill factor of the solar cell decrease. An essential challenge for the further development of thin-film solar cells is therefore to lower the layer thickness of the absorber layer, with little or no reduction in the absorption of the solar cell.
Die vorliegende Erfindung betrifft solche photovoltaischen Dünnschichtsolarzellen, bei welchen die Absorberschicht zumindest zu 30 Massenprozent (entsprechend einem Massenanteil von 0.3), vorzugsweise mehr als 50 Massenprozent Germanium enthält. Solarzellen mit Absorberschichten aus amorphem oder mikrokristallinem Germanium oder einer Germaniumlegierung sind bereits bekannt; eine solche Solarzelle ist in
Eine bekannte Herstellungsmethode sieht hierbei die Verwendung der PECVD-Technologie vor (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) um die Absorberschicht abzuscheiden. Außerdem sind diverse Sputterverfahren zur Herstellung Germaniumhaltiger Schichten bekannt. Diese an sich bevorzugten Abscheidemethoden weisen jedoch den Nachteil auf, dass hiermit hergestellte Absorberschichten, insbesondere solche mit hohem Germaniumanteil, eine eher niedrige elektronische Qualität aufweisen, insbesondere hinsichtlich der Ladungsträgerlebensdauer, so dass eine negative Beeinträchtigung des Wirkungsgrades der Solarzelle die Folge ist.A known production method provides for the use of the PECVD technology (plasma enhanced chemical vapor deposition) to deposit the absorber layer. In addition, various sputtering processes for the production of germanium-containing layers are known. However, these deposition methods which are preferred per se have the disadvantage that absorber layers produced therewith, in particular those with a high germanium content, have a rather low electronic quality, in particular with regard to the charge carrier lifetime, so that a negative effect on the efficiency of the solar cell is the result.
Ein an sich bekannter Ansatz zur Reduktion des Einflusses der geringen Ladungsträgerlebensdauer auf den Wirkungsgrad von Solarzellen ist die Reduktion der Absorberschichtdicke, welche jedoch üblicherweise mit einer Verringerung der Absorption der Solarzelle und damit ebenfalls mit einer Begrenzung der Effizienz verbunden ist.A known approach for reducing the influence of the low carrier lifetime on the efficiency of solar cells is the reduction of the absorber layer thickness, which is usually associated with a reduction of the absorption of the solar cell and thus also with a limitation of the efficiency.
Zur Verbesserung der Lichteinkopplung in dünnere Absorberschichten, insbesondere im langwelligen Bereich, in welchem typischerweise eine geringere Absorption in der Absorberschicht erfolgt, sind daher unterschiedliche Ansätze bekannt:
Ein Aufrauen der Grenzflächen insbesondere auf der Lichteinfallsseite verfolgt das Ziel, das einfallende Licht in unterschiedliche Winkel zu streuen, so dass sich die effektive optische Weglänge des Lichts im Absorber und damit auch die Absorptionswahrscheinlichkeit erhöht.To improve the coupling of light into thinner absorber layers, in particular in the long-wave range, in which there is typically a lower absorption in the absorber layer, therefore, different approaches are known:
A roughening of the interfaces, in particular on the light incidence side, pursues the goal of scattering the incident light into different angles, so that the effective optical path length of the light in the absorber and thus also the probability of absorption increase.
Weiterhin wird versucht, den gleichen Effekt mittels gezielt hergestellter optischer Streustrukturen (beispielsweise Nanopartikel) zu erzielen, wobei solche Streustrukturen typischerweise in oder rückseitig der Absorberschicht angeordnet werden.Furthermore, attempts are being made to achieve the same effect by means of selectively produced optical scattering structures (for example nanoparticles), such scattering structures typically being arranged in or on the back of the absorber layer.
Diese Methoden können zwar die Absorption und damit die Effizienz der Solarzelle verbessern; dies erfordert jedoch im Gegenzug zusätzlich teilweise aufwändige und nur schwer kontrolliert großskalig einsetzbare und somit kostenintensive Produktionsschritte, beispielsweise zusätzliches nasschemisches Ätzen von Substraten, die Herstellung und Positionierung von Nanopartikeln oder die Verwendung von Lithographie-Verfahren.Although these methods can improve the absorption and thus the efficiency of the solar cell; However, this in turn requires in addition sometimes complex and difficult to control großskalig usable and thus costly production steps, such as additional wet-chemical etching of substrates, the production and positioning of nanoparticles or the use of lithographic processes.
Darüber hinaus können raue Oberflächen ein kontrolliertes, homogenes Schichtwachstum erschweren.In addition, rough surfaces can make controlled, homogeneous layer growth more difficult.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine photovoltaische Solarzelle zur Verfügung zu stellen, welche eine Verringerung der Dicke der Absorberschicht gegenüber vorbekannten, insbesondere germaniumhaltigen Solarzellen ohne oder nur mit vergleichsweise geringfügiger Verringerung der Absorption ermöglicht. Die erfindungsgemäße Solarzelle soll außerdem in der Herstellung gegenüber den vorgenannten Prozessen unaufwändiger herstellbar sein, um Kosten zu reduzieren.The invention is therefore based on the object of providing a photovoltaic solar cell which makes it possible to reduce the thickness of the absorber layer in comparison to previously known, in particular germanium-containing solar cells, with or without a comparatively slight reduction in absorption. The solar cell according to the invention should also be less expensive to manufacture compared to the aforementioned processes in order to reduce costs.
Gelöst ist diese Aufgabe durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle finden sich in den Ansprüchen 2 bis 15. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.This object is achieved by a photovoltaic solar cell according to
Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle weist mindestens eine Vorderseitenelektrode und mindestens eine Rückseitenelektrode sowie eine zwischen Vorder- und Rückseitenelektrode angeordnete photoelektrisch aktive Absorberschicht auf.The photovoltaic solar cell according to the invention has at least one front-side electrode and at least one rear-side electrode and a photoelectrically active absorber layer arranged between the front and rear-side electrodes.
Wie bei vorbekannten photovoltaischen Solarzellen erfolgt somit eine zumindest teilweise Absorption in die Solarzelle eindringender elektromagnetischer Strahlung in der photoelektrisch aktiven Absorberschicht. Hierbei enthält die Absorberschicht zumindest zu 30 Massenprozent, vorzugsweise zumindest zu 50 Massenprozent Germanium.As with prior art photovoltaic solar cells thus takes place at least partial absorption in the solar cell penetrating electromagnetic radiation in the photoelectrically active absorber layer. In this case, the absorber layer contains at least 30 percent by mass, preferably at least 50 percent by mass of germanium.
Wesentlich ist, dass die Absorberschicht eine Dicke kleiner 40 nm aufweist, dass die Solarzelle eine Vorderseitenreflexionsschicht und eine Rückseitenreflexionsschicht aufweist, wobei die Absorberschicht zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht angeordnet ist und dass die Solarzelle derart ausgebildet ist, dass die optische Weglänge zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner ½ λTauc ist, mit einer der Tauc-Bandlücke Eτ der Absorberschicht entsprechenden Wellenlänge λTauc (λTauc = 1240/Eτ, wobei Eτ in eV und λTauc in nm angegeben sind).It is essential that the absorber layer has a thickness of less than 40 nm, that the solar cell has a front side reflection layer and a back side reflection layer, wherein the absorber layer is disposed between front and rear side reflection layers, and the solar cell is formed such that the optical path length between the front and back side reflection layers for incident light perpendicular to the cell is smaller ½ λ Tauc , with a wavelength corresponding to the Tauc band gap E τ of the absorber layer λ Tauc (λ Tauc = 1240 / E τ , where E τ in eV and λ Tauc are given in nm).
Dabei ist die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht für senkrecht einfallendes Licht in an sich bekannter Weise zu bestimmen. Insbesondere kann die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht für senkrecht einfallendes Licht bestimmt werden, indem für die dazwischenliegenden Schichten die jeweilige Brechzahl bei λTauc mit der jeweiligen Schichtdicke multipliziert wird und die so erhaltenen Einzelwerte aufsummiert werden. Dabei wird in der vorliegenden Beschreibung unter der Bezeichnung „Brechzahl” der Realteil des komplexen Brechungsindex verstanden.The optical path length between the front-side reflection layer and the back-reflection layer for perpendicularly incident light must be determined in a manner known per se. In particular, the optical path length between the front-side reflection layer and the back- reflection layer for perpendicularly incident light can be determined by multiplying the respective refractive index at λ Tauc by the respective layer thickness for the intermediate layers and summing the individual values thus obtained. In the present specification, the term "refractive index" is understood to mean the real part of the complex refractive index.
Die Definition der Tauc-Bandlücke ist in der Literatur einschlägig bekannt, wie beispielsweise in
Die Erfindung ist in der Erkenntnis begründet, dass eine im Vergleich zu vorbekannten Solarzellen dünnere Absorberschicht gewählt werden kann, sofern die optische Weglänge wie zuvor beschrieben ausgebildet ist. Denn dies ist eine Bedingung zur Ausbildung einer optischen Resonanz zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht, welche die Absorption in der Absorberschicht wesentlich erhöht. Eine Optimierung insbesondere der Kurzschlussstromdichte der Solarzelle wurde bisher durch eine Erhöhung der Absorberdicke vorgenommen. Aufwändige Untersuchungen und Simulationen haben jedoch ergeben, dass ein Handeln entgegen dieser Lehre durch Abdünnen der zwischen Vorderseiten- und Rückseitenreflexionsschicht angeordneten Schichten, insbesondere also auch der Absorberschicht, dann zu einer Erhöhung insbesondere des Kurzschlussstroms führt, wenn eine optische Resonanz auftritt.The invention is based on the knowledge that a thinner absorber layer, which is thinner compared to previously known solar cells, can be selected provided that the optical path length is as described above is trained. For this is a condition for forming an optical resonance between the front and back reflection layer, which substantially increases the absorption in the absorber layer. An optimization in particular of the short-circuit current density of the solar cell has hitherto been carried out by increasing the absorber thickness. Elaborate examinations and simulations have shown, however, that an action contrary to this doctrine by thinning the layers arranged between the front side and rear side reflection layer, in particular also the absorber layer, then leads to an increase in the short circuit current, in particular, when an optical resonance occurs.
Die vorbeschriebene Kombination bei der erfindungsgemäßen Solarzelle umfassend Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht, eine Absorberschicht mit einer Dicke kleiner 40 nm und eine Ausbildung entsprechend der genannten Bedingung der optischen Weglänge führt typischerweise bereits zur Ausbildung einer vorteilhaften optischen Resonanz, zumindest wird eine optische Resonanz hierdurch begünstigt.The above-described combination in the solar cell according to the invention comprising the front and rear reflection layer, an absorber layer having a thickness of less than 40 nm and a configuration corresponding to the aforementioned optical path length condition typically already leads to the formation of an advantageous optical resonance, at least an optical resonance is thereby favored.
Die erfindungsgemäße Solarzelle bietet somit eine Alternative zu den eingangs beschriebenen Techniken zur Lichtstreuung, um die Absorption in der Absorberschicht bei reduzierter Absorberschichtdicke zu erhöhen: Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle wird eine optische Resonanz ausgebildet, so dass insbesondere mit einer Germanium enthaltenden photoelektrisch aktiven Absorberschicht mit einer Dicke kleiner 40 nm dennoch eine ausreichende Absorption für einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad erzielt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Solarzelle können somit hohe Wirkungsgrade auch bei Absorberschichten mit vergleichsweise schlechter elektronischer Materialqualität erzielt werden, insbesondere vergleichsweise hohe Offenklemmspannungen und Füllfaktoren.The solar cell according to the invention thus offers an alternative to the techniques described above for light scattering, in order to increase the absorption in the absorber layer with reduced absorber layer thickness. In the solar cell according to the invention, an optical resonance is formed so that in particular with a germanium-containing photoelectrically active absorber layer having a thickness less than 40 nm, however, sufficient absorption can be achieved for a comparatively high efficiency. With the solar cell according to the invention high efficiencies can thus be achieved even with absorber layers with comparatively poor electronic material quality, in particular comparatively high open-circuit voltages and filling factors.
Da für den vorbeschriebenen Effekt der optischen Resonanz keine aufgerauten Oberflächen oder andere optische Streuzentren notwendig sind, gestaltet sich die Herstellung der erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle prozessunaufwendiger und damit kostengünstiger. Dennoch liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades die erfindungsgemäße Solarzelle mit einer oder mehrerer der eingangs beschriebenen Techniken zur Lichtstreuung zu kombinieren, beispielsweise um eine gefaltete Solarzellenstruktur zu erreichen, ähnlich wie in
Die Vorderseitenelektrode der Solarzelle kann in an sich bekannter Weise als Kontaktierungsstruktur, insbesondere metallische Kontaktierungsstruktur, beispielsweise in Form eines Kontaktierungsgitters ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist die Vorderseitenelektrode als Flächenelektrode ausgebildet, welche die Vorderseite der Solarzelle mit einem Flächenanteil von mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90%, insbesondere bevorzugt ganzflächig bedeckt. Die Flächenelektrode ist bevorzugt für einfallende elektromagnetische Strahlung zumindest im Absorptionsbereich der photoelektrisch aktiven Absorberschicht im Wesentlichen transparent ausgebildet. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Flächenelektrode als an sich bekannte transparente Elektrode, beispielsweise mittels TCO (Transparent Conductive Oxide), insbesondere aus einem der Materialien ZnO:Al (AZO), SnO2:F (FTO), In2O3:F (ITO) auszubilden.The front-side electrode of the solar cell can be formed in a manner known per se as a contacting structure, in particular a metallic contacting structure, for example in the form of a contacting grid. Advantageously, the front-side electrode is designed as a surface electrode, which covers the front side of the solar cell with an area fraction of at least 80%, preferably at least 90%, particularly preferably over the whole area. The surface electrode is preferably designed to be substantially transparent to incident electromagnetic radiation, at least in the absorption region of the photoelectrically active absorber layer. It is within the scope of the invention, the surface electrode as per se known transparent electrode, for example by means of TCO (Transparent Conductive Oxide), in particular from one of the materials ZnO: Al (AZO), SnO 2 : F (FTO), In 2 O 3 : F (ITO).
Die Vorderseitenreflexionsschicht ist ebenfalls bevorzugt ganzflächig ausgebildet. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, Flächenbereiche auszusparen, beispielsweise die Vorderseitenreflexionsschicht lediglich mit einem Flächenanteil (bezüglich einer Vorderseite der Absorberschicht) von zumindest 80%, bevorzugt zumindest 90% auszubilden.The front-side reflection layer is also preferably formed over the entire surface. Likewise, it is within the scope of the invention to eliminate surface areas, for example, to form the front-side reflection layer only with an area fraction (with respect to a front side of the absorber layer) of at least 80%, preferably at least 90%.
Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, die Vorderseitenreflektionsschicht in Form mehrerer ganz oder teilweise übereinander liegender Schichten bzw. Strukturen unterschiedlicher Materialien auszuformen. Beispielsweise kann die Reflexionsschicht als Metall-Gitter-Struktur, insbesondere aus Silber, ausgeformt sein, in welcher das Metall die Oberfläche der Solarzelle nur zu einem geringen Anteil, beispielsweise 10%, bedeckt, während vorderseitig dieses Metallgitters eine weitere Schicht aus einem TCO ausgeformt ist, derart, dass beide Schichten zusammen eine Bedeckung der Zelle von zumindest 80% ergeben. Da beide Materialien beispielsweise an der Grenzfläche zu amorphem oder mikrokristallinem Silizium eine hohe Reflektivität aufweisen, bilden sie in diesem Fall zusammen eine Vorderseitenelektrode
Insbesondere liegt es außerdem im Rahmen der Erfindung, die Vorderseitenreflexionsschicht als an sich bekannten Bragg-Reflektor auszuformen, insbesondere mit dem Ziel, wellenlängenabhängige Transmissions- und Reflexionseigenschaften desselbigen zu erzielen.In particular, it is also within the scope of the invention to form the front side reflection layer as a known Bragg reflector, in particular with the aim of achieving wavelength-dependent transmission and reflection properties thereof.
Die Vorderseitenreflexionsschicht ist vorzugsweise ausgebildet, elektromagnetische Strahlung, welche von der Vorderseite in die photovoltaische Solarzelle eindringt, in Richtung der Absorberschicht zu transmittieren. Insbesondere ist die Vorderseitenreflexionsschicht vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich ½ λTauc bis λTauc, insbesondere vorzugsweise in einem Wellenlängen Bereich 300 nm bis λTauc für von der Vorderseite in die Solarzelle eindringende elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen transparent ausgebildet. Vorzugsweise soll in die Reflexionsschicht eingedrungene elektromagnetische Strahlung einer entsprechenden Wellenlänge beim einmaligen Durchlaufen der Vorderseitenreflexionsschicht zu einem Anteil von weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10% absorbiert werden. Dies kann gemäß dem allgemein bekannten Lambert-Beer-Gesetz entweder durch Wahl eines Materials mit niedrigem Absorptionskoeffizienten oder durch eine entsprechend dünne Ausgestaltung der Vorderseitenreflexionsschicht sichergestellt werden. The front-side reflection layer is preferably designed to transmit electromagnetic radiation, which penetrates from the front into the photovoltaic solar cell, in the direction of the absorber layer. In particular, the front-side reflection layer is preferably designed to be substantially transparent in a wavelength range ½ λ Tauc to λ Tauc , in particular preferably in a wavelength range 300 nm to λ Tauc for electromagnetic radiation penetrating into the solar cell from the front side. Preferably, electromagnetic radiation of a corresponding wavelength which has penetrated into the reflective layer is to be absorbed when passing through the front-side reflection layer to a fraction of less than 20%, preferably less than 10%. This can be ensured according to the well-known Lambert-Beer law either by choosing a material with a low absorption coefficient or by a correspondingly thin design of the front side reflection layer.
Aufgabe der Vorderseitenreflexionsschicht ist vorzugsweise, insbesondere zusammen mit der Absorberschicht bzw. der in Richtung der Absorberschicht an die Vorderseitenreflexionsschicht angrenzenden Schicht eine teilreflektierende Grenzfläche zu bilden, um die Ausnutzung von Interferenzen zu ermöglichen. Die Reflektivität einer Grenzfläche kann bekanntermaßen mithilfe der komplexen Brechungsindizes der aneinander grenzenden Materialien anhand der im Allgemeinen bekannten Fresnel-Gleichungen als Betragsquadrat der hieraus abgeleiteten Fresnel-Koeffizienten bestimmt werden. Unter der Bezeichnung „Reflektivität” wird im Rahmen dieser Beschreibung ausschließlich die nach obiger Vorschrift bestimmte Reflexion an einer einzelnen Grenzfläche, ohne Berücksichtigung von Interferenzeffekten, verstanden.The task of the front-side reflection layer is preferably to form a partially reflecting interface, in particular together with the absorber layer or the layer adjoining the front-side reflection layer in the direction of the absorber layer, in order to enable the utilization of interferences. As is well known, the reflectivity of an interface can be determined using the complex refractive indices of the adjacent materials using the generally known Fresnel equations as the sum of the squares of the Fresnel coefficients derived therefrom. For the purposes of this description, the term "reflectivity" is understood to mean exclusively the reflection at a single interface determined in accordance with the above provision, without consideration of interference effects.
Dieser Definition entsprechend ist die Vorderseitenreflexionsschicht vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Grenzfläche zwischen der Vorderseitenreflexionsschicht und der in Richtung der Absorberschicht an die Vorderseitenreflexionsschicht grenzenden Schicht eine Reflektivität von mindestens 10%, vorzugsweise mehr als 15%, insbesondere vorzugsweise mehr als 20% aufweist, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen ½ λTauc und λTauc. Hierdurch wird es möglich, dass elektromagnetische Wellen, welche an der Rückseitenreflexionsschicht reflektiert werden, bei Wahl der zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht liegenden Schichten gemäß Anspruch 1, mit direkt an der Vorderseitenreflexionsschicht reflektierten elektromagnetischen Wellen destruktiv interferieren.According to this definition, the front-side reflection layer is preferably formed such that the interface between the front-side reflection layer and the layer adjacent to the front-side reflection layer in the direction of the absorber layer has a reflectivity of at least 10%, preferably more than 15%, in particular preferably more than 20%, in particular Wavelength range between ½ λ Tauc and λ Tauc . This makes it possible for electromagnetic waves reflected on the rear side reflection layer to interfere destructively with the electromagnetic waves reflected directly on the front side reflection layer upon selection of the layers located between the front and back reflection layers according to
Die Rückseitenreflexionsschicht ist ebenfalls vorteilhafterweise flächig, insbesondere ganzflächig ausgebildet. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, Flächenbereiche auszusparen. Vorzugsweise ist die Rückseitenreflexionsschicht mit einem Flächenanteil {bezogen auf eine Rückseite der Absorberschicht} von zumindest 80%, vorzugsweise von zumindest 90% ausgebildet. Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, die Rückseitenreflektionsschicht in Form mehrerer ganz oder teilweise übereinander liegender Schichten unterschiedlicher Materialien auszuformen. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, die Rückseitenreflexionsschicht als an sich bekannten Bragg-Reflektor auszuformen, insbesondere mit dem Ziel, wellenlängenselektive Transmissions- und Reflexionseigenschaften der selbigen zu erzielen.The backside reflection layer is also advantageously flat, in particular over the entire surface. It is also within the scope of the invention to save surface areas. Preferably, the backside reflection layer is formed with an area ratio {with respect to a backside of the absorber layer} of at least 80%, preferably at least 90%. It is within the scope of the invention to form the back reflection layer in the form of several completely or partially superimposed layers of different materials. In particular, it is within the scope of the invention to form the rear-side reflection layer as a known Bragg reflector, in particular with the aim of achieving wavelength-selective transmission and reflection properties of the same.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht etwa in der Ausformung der Rückseitenreflexionsschicht als an sich bekannten Fabry-Pérot-Resonator, vorzugsweise bestehend aus einer zwischen zwei dünnen Metallschichten angeordneten TCO-Schicht, da hierdurch eine einfache Möglichkeit zur Erzielung einer wellenselektiven Teiltransparenz der Solarzelle gegeben ist.An advantageous embodiment consists, for example, in the shaping of the rear-side reflection layer as a known Fabry-Pérot resonator, preferably consisting of a TCO layer arranged between two thin metal layers, since this provides a simple possibility for achieving a wave-selective partial transparency of the solar cell.
Die Rückseitenreflexionsschicht ist vorzugsweise ausgebildet, für elektromagnetische Strahlung zumindest auf der der Absorberschicht zugewandten Seite zumindest in einem Wellenlängenbereich ½ λTauc bis λTauc, vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich 250 nm bis λTauc, eine Reflektivität von mindestens 80%, vorzugsweise 90% aufzuweisen.The rear-side reflection layer is preferably designed to have a reflectivity of at least 80%, preferably 90%, for electromagnetic radiation at least on the side facing the absorber layer at least in a wavelength range ½ λ Tauc to λ Tauc , preferably in a wavelength range 250 nm to λ Tauc .
Es liegt jedoch ebenfalls, im Rahmen der Erfindung, die Rückseitenreflexionsschicht derart auszuformen, dass sie für absorberseitig auftreffende elektromagnetische Strahlung in einem Teilbereich der optischen Wellenlängen nur geringe, vorzugsweise jedoch mindestens 10% Reflektivität, weiter vorzugsweise 20% Reflektivität aufweist.However, it is also within the scope of the invention to form the rear-side reflection layer such that it has only minor, but preferably at least 10% reflectivity, more preferably 20% reflectivity, for electromagnetic radiation impinging on the absorber side in a subregion of the optical wavelengths.
Eine besonders konstruktiv einfache und damit kostengünstige vorteilhafte Ausgestaltung der photovoltaischen Solarzelle ergibt sich in einer vorteilhaften Ausführung, in welcher die Vorderseitenelektrode gleichzeitig als Vorderseitenreflexionsschicht ausgebildet ist. Ebenso ist es alternativ oder zusätzlich vorteilhaft, die Rückseitenelektrode gleichzeitig als Rückseitenreflexionsschicht zur Erzielung eines kostengünstigen Herstellungsverfahrens auszubilden.A particularly structurally simple and thus inexpensive advantageous embodiment of the photovoltaic solar cell results in an advantageous embodiment in which the front-side electrode is simultaneously formed as a front-side reflection layer. Likewise, it is alternatively or additionally advantageous to design the backside electrode simultaneously as a backside reflection layer in order to achieve a cost-effective production method.
Die Vorderseitenreflexionsschicht ist vorzugsweise aus einem oder mehreren der Materialiert aus der Gruppe Oxide (insbesondere eines oder mehrere aus der Gruppe ZnO:Al, SnO2:F (auch FTO genannt), In2O3:F (auch ITO genannt), SiO(:B oder :P), SiC(:B oder P), SiN(:B oder :P), oder komplexere Legierungen aus Si, O, C und N.), dünne Metallschichten, vorzugsweise Silber, Aluminium, Gold, vorzugsweise mit Schichtdicken < 20 nm ausgebildet. The front-side reflection layer is preferably composed of one or more of the group consisting of oxides (in particular one or more of ZnO: Al, SnO 2 : F (also called FTO), In 2 O 3 : F (also called ITO), SiO ( : B or: P), SiC (: B or P), SiN (: B or: P), or more complex alloys of Si, O, C and N.), thin metal layers, preferably silver, aluminum, gold, preferably with Layer thickness <20 nm formed.
Die Rückseitenreflexionsschicht ist vorzugsweise aus einem oder mehreren der Materialien wie bereits zur Vorderseitenreflexionsschicht aufgeführt ausgebildet.The backside reflective layer is preferably formed from one or more of the materials as already listed for the front side reflective layer.
Bei Ausbildung der Vorderseitenreflexionsschicht gleichzeitig als Vorderseitenelektrode kann die Ausbildung der Vorderseitenreflexionsschicht wie zuvor beschrieben erfolgen, wobei die Vorderseitenreflexionsschicht zusätzlich eine elektrische Querleitfähigkeit aufweisen muss, vorzugsweise einen Schichtwiderstand kleiner 20 Ω/☐, vorzugsweise kleiner 10 Ω/☐ aufweist.When forming the front side reflection layer simultaneously as the front side electrode, the formation of the front side reflection layer can be performed as described above, wherein the front side reflection layer must additionally have a lateral electric conductivity, preferably has a sheet resistance smaller than 20 Ω / □, preferably smaller than 10 Ω / □.
Bei Ausbilden der Rückseitenelektrode zugleich als Rückseitenreflexionsschicht erfolgt die Ausbildung vorzugsweise aus einem oder mehreren der Materialien wie bereits zur Vorderseitenreflexionsschicht aufgeführt.When forming the backside electrode at the same time as a backside reflective layer, the formation is preferably made of one or more of the materials as already listed for the front side reflective layer.
Die Absorberschicht ist vorzugsweise als Germaniumschicht, insbesondere bevorzugt als amorphe oder mikrokristalline Germaniumschicht ausgebildet. Hierdurch kann auf an sich bekannte Herstellungsverfahren zum Ausbilden der Schicht zurückgegriffen werden, wobei aufgrund der geringen Dicke (kleiner 40 nm) der Absorberschicht entsprechend kurze Herstellungszeiten sowie eine verringerte Rekombinationsrate von Ladungsträgern in der Absorberschicht erzielt werden.The absorber layer is preferably formed as a germanium layer, particularly preferably as an amorphous or microcrystalline germanium layer. This makes it possible to resort to production methods known per se for forming the layer, wherein due to the small thickness (less than 40 nm) of the absorber layer correspondingly short production times and a reduced recombination rate of charge carriers in the absorber layer are achieved.
Wie eingangs beschrieben erfolgt bei der erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle zumindest teilweise die Absorption der einfallenden elektromagnetischen Strahlung in der photoelektrisch aktiven Absorberschicht, worauf in der Absorberschicht eine Ladungsträgertrennung von Elektron-Lochpaaren erfolgt. Diese werden an einem pn-Übergang getrennt und separat einer jeweils zugeordneten Elektrode zur Ladungsträgerabführung zugeführt. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, separate dotierte Schichten in an sich bekannter Weise zur Ausbildung eines pn-Übergangs vorzusehen.As described above, the photovoltaic solar cell according to the invention at least partially absorbs the incident electromagnetic radiation in the photoelectrically active absorber layer, followed by charge carrier separation of electron hole pairs in the absorber layer. These are separated at a pn junction and separately fed to a respective associated electrode for charge carrier removal. It is within the scope of the invention to provide separate doped layers in a conventional manner for forming a pn junction.
Ebenso können in an sich bekannter Weise eine oder beide der Elektrodenschichten und/oder eine oder beide der Reflexionsschichten selbst als dotierte bzw. metallene Elektrodenschicht zur Ausbildung eines pn-Übergangs bzw. Schottky-Kontaktes ausgebildet sein, beispielsweise bei Verwendung einer als TCO oder Metall ausgeführten Vorderseitenreflexionsschicht, deren Ferminiveau nahe der Leitungsbandkante des Absorbers liegt. In diesem Fall ist eine Ausformung einer zusätzlichen dotierten Schicht zwischen Absorber und Reflexionsschicht nicht unbedingt erforderlich.Likewise, in known manner, one or both of the electrode layers and / or one or both of the reflection layers themselves may be formed as a doped or metal electrode layer for forming a pn junction or Schottky contact, for example when using a TCO or metal Front reflection layer whose Fermi level is close to the conduction band edge of the absorber. In this case, it is not absolutely necessary to form an additional doped layer between the absorber and the reflection layer.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzelle ist zwischen Absorberschicht und Vorderseitenreflexionsschicht und/oder zwischen Absorberschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest eine weitere dotierte Zwischenschicht zur Ladungsträgertrennung angeordnet.In a further preferred embodiment of the solar cell according to the invention, at least one further doped intermediate layer for charge carrier separation is arranged between absorber layer and front side reflection layer and / or between absorber layer and backside reflection layer.
Vorzugsweise ist diese weitere dotierte Zwischenschicht als im Vergleich zur Absorberschicht schwächer absorbierende Schicht ausgebildet. Dies ist darin begründet, dass solche Schichten typischerweise geringe Ladungsträgerlebensdauern und entsprechend geringe Diffusionslängen der Minoritätsladungsträger aufweisen, so dass in diesen dotierten Zwischenschichten generierte Elektron-Lochpaare nicht oder nur geringfügig zu der an Elektroden abgreifbaren elektrischen Energie beitragen.Preferably, this further doped intermediate layer is formed as a layer which absorbs less in comparison to the absorber layer. This is due to the fact that such layers typically have low charge carrier lifetimes and correspondingly small diffusion lengths of the minority charge carriers, such that electron hole pairs generated in these doped intermediate layers do not contribute or only slightly contribute to the electrical energy that can be tapped off at electrodes.
Vorzugsweise ist die weitere dotierte Zwischenschicht daher mit einer geringeren optischen Absorption, insbesondere im Bereich ½ λTauc bis λTauc, vorzugsweise im Wellenlängenbereich 300 nm bis λTauc ausgebildet.The further doped intermediate layer is therefore preferably formed with a lower optical absorption, in particular in the range ½ λ Tauc to λ Tauc , preferably in the wavelength range 300 nm to λ Tauc .
In einer vorzugsweisen Ausführungsform weist die dotierte Zwischenschicht einen ähnlichen Brechungsindex wie die in Richtung des Absorbers angrenzende Schicht auf, derart, dass die Reflektivität an der Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten geringer ist als 5%. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Licht fast ausschließlich an den dafür vorgesehenen in Richtung Absorber weisenden Grenzflächen der Reflexionsschichten reflektiert wird, anstatt zusätzlich starke Reflexion an der in Richtung Absorber weisenden Grenzschicht der dotierten Zwischenschicht zu erfahren.In a preferred embodiment, the doped intermediate layer has a similar refractive index as the adjacent layer in the direction of the absorber, such that the reflectivity at the interface between these two layers is less than 5%. This results in the advantage that light is reflected almost exclusively at the intended in the direction of the absorber facing boundary surfaces of the reflective layers, instead of additionally strong reflection on the facing towards the absorber boundary layer of the doped intermediate layer.
Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn es sich bei der entsprechenden Reflexionsschicht um eine Metallschicht handelt und ein mit der Reflexion an dieser verbundener Phasensprung ausgenutzt werden soll. Auch dann, wenn die optische Weglänge vergrößert werden soll, ohne die Absorberdicke zu erhöhen, kann dies vorteilhaft sein.This is particularly important if the corresponding reflection layer is a metal layer and if a phase jump associated with the reflection is to be utilized. Even if the optical path length is to be increased without increasing the absorber thickness, this can be advantageous.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist die vorgenannte dotierte Zwischenschicht aus einem anderen Material als die photoelektrisch aktive Absorberschicht ausgebildet, insbesondere vorzugsweise aus einem Material mit einer höheren Tauc-Bandlücke als die Absorberschicht sie aufweist, um eine gegenüber der Absorberschicht geringere Absorption in den Dotierschichten zu erzielen.In a further preferred embodiment, the aforementioned doped intermediate layer is formed of a different material than the photoelectrically active absorber layer, in particular preferably of a material having a higher Tauc band gap than the absorber layer, in order to achieve a lower absorption in the doping layers than the absorber layer ,
Besonders vorteilhaft ist hier beispielsweise die Kombination einer Absorberschicht aus amorphem Germanium oder einer Silizium-Germanium-Legierung mit einer Datierschicht aus amorphem oder mikrokristallinem Silizium. Im Falle von amorphem Silizium zeigt die Grenzfläche zwischen dotierter Zwischenschicht und Absorberschicht eine Reflektivität von weniger als 5% im Wellenlängenbereich zwischen 350 nm und 1200 nm, während sie für mikrokristallines Silizium für 250 nm bis 600 nm unter 6% und zwischen 600 nm und 1200 nm ebenfalls unter 5% liegt. Mikrokristallines Silizium ist hierbei ein besonders vorteilhaftes Material für die Verwendung in dotierten Zwischenschichten in Kombination mit einem amorphen Germaniumabsorber, da beide Materialien ähnliche Bandlücken und Elektronenaffinitäten aufweisen.Here, for example, the combination of an absorber layer of amorphous germanium or a silicon-germanium alloy with a dating layer of amorphous or microcrystalline silicon is particularly advantageous. In the case of amorphous silicon, the interface between doped intermediate layer and absorber layer exhibits a reflectivity of less than 5% in the wavelength range between 350 nm and 1200 nm, while for microcrystalline silicon for 250 nm to 600 nm below 6% and between 600 nm and 1200 nm also less than 5%. Microcrystalline silicon is a particularly advantageous material for use in doped interlayers in combination with an amorphous germanium absorber since both materials have similar bandgaps and electron affinities.
Typischerweise kommt es bei der Verwendung unterschiedlicher Absorber- und Dotierschichtmaterialien zu einer Banddiskontinuität im Bereich der Grenzfläche zwischen Absorberschicht und dotierter Zwischenschicht, welche eine Barriere für Ladungsträger darstellt und somit deren Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Bereich des Übergangs zwischen dotiertem und undatiertem Bereich erhöht. Aufgrund der durch Dotierung erhöhten Defektdichte kommt es dort daher zu einer stärkeren Rekombination von Ladungsträgerpaaren. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass zwischen Absorberschicht und dotierter Zwischenschicht zumindest eine undatierte Puffer-Zwischenschicht angeordnet ist. Die undatierte Puffer-Zwischenschicht weist bevorzugt eine Bandlücke größer als die Absorberbandlücke, bevorzugt gleich oder größer der Bandlücke der dotierten Zwischenschicht auf. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, die undatierte Puffer-Zwischenschicht derart auszuformen, dass ein gradueller Verlauf der Bandlücke zwischen Absorberschicht und dotierter Zwischenschicht entsteht.Typically, the use of different absorber and doping layer materials leads to a band discontinuity in the area between the absorber layer and doped intermediate layer, which forms a barrier for charge carriers and thus increases their probability of residence in the region between the doped and undated regions. Due to the increased density of defects due to doping, there is therefore a greater recombination of charge carrier pairs there. In this case, it is advantageous that at least one undated buffer intermediate layer is arranged between the absorber layer and the doped intermediate layer. The undated buffer intermediate layer preferably has a band gap greater than the absorber band gap, preferably equal to or greater than the band gap of the doped intermediate layer. In particular, it is within the scope of the invention to form the undated buffer intermediate layer such that a gradual development of the band gap between the absorber layer and the doped intermediate layer is produced.
Durch die Pufferschicht tritt an der Grenzfläche zwischen dotiertem und undatiertem Material keine Barriere bzw. eine verringerte Barriere für die Ladungsträger auf, so dass deren dortige Aufenthaltswahrscheinlichkeit und damit die Rekombinationsrate gesenkt werden. Hierdurch steigen Spannung und Füllfaktor der Zelle.Due to the buffer layer, no barrier or a reduced barrier for the charge carriers occurs at the interface between doped and undated material, so that their local probability of residence and thus the recombination rate are lowered. This increases the voltage and fill factor of the cell.
Weiterhin weist die Puffer-Zwischenschicht den Vorteil auf, dass die optische Resonanzfrequenz zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht über das Material und die Schichtdicke der Puffer-Zwischenschicht beeinflusst werden kann. Es kann somit in einfacher Weise eine Optimierung der verbleibenden Schichten hinsichtlich einer optimalen Effizienz (abgesehen von dem Effekt der optischen Resonanz) erfolgen und mittels der Wahl der Parameter der Puffer-Zwischenschicht, insbesondere der Dicke der Puffer-Zwischenschicht die gewünschte Resonanzfrequenz der optischen Resonanz vorgegeben werden, ohne dass die Parameter, insbesondere die Dicken der übrigen Schichten hierfür nochmals abgeändert werden müssen. Insbesondere ist typischerweise bei Vorsehen einer Puffer-Zwischenschicht eine dünnere Absorberschicht bei vergleichbarer Absorption der Solarzelle möglich, verglichen mit einem Aufbau ohne Puffer-Zwischenschicht.Furthermore, the buffer interlayer has the advantage that the optical resonance frequency between the front-side reflection layer and the back-reflection layer can be influenced by the material and the layer thickness of the buffer interlayer. It is therefore possible to optimally optimize the remaining layers for optimum efficiency (apart from the effect of the optical resonance) and specify the desired resonance frequency of the optical resonance by means of the choice of the parameters of the intermediate buffer layer, in particular the thickness of the intermediate buffer layer be without the parameters, in particular the thicknesses of the other layers have to be changed again for this purpose. In particular, when providing a buffer interlayer, a thinner absorber layer is typically possible with comparable solar cell absorption as compared to a bufferless interlayer design.
Die Puffer-Zwischenschicht ist vorzugsweise aus Silizium oder einer Silizium-Legierung, insbesondere eine Siliziumlegierung mit einem oder mehreren der Elemete O, C, N, Ge ausgebildet.The intermediate buffer layer is preferably made of silicon or a silicon alloy, in particular a silicon alloy with one or more of the elements O, C, N, Ge.
Insbesondere kann die Puffer-Zwischenschicht aus dem gleichen Material wie die weitere dotierte Zwischenschicht bestehen oder aus einem Material mit einer demgegenüber größeren Bandlücke. Alternativ oder zusätzlich kann die Puffer-Zwischenschicht als dünne Oxidschicht, beispielsweise Siliziumdioxidschicht ausgebildet werden, in diesem Fall ohne den Vorteil der einfachen Anpassbarkeit der optischen Weglänge.In particular, the buffer intermediate layer may consist of the same material as the further doped intermediate layer or of a material with a comparatively larger band gap. Alternatively or additionally, the buffer interlayer can be formed as a thin oxide layer, for example silicon dioxide layer, in this case without the advantage of easy adaptability of the optical path length.
Um einen ähnlichen Effekt wie im Falle eines graduellen Bandlückenverlaufs in der Pufferschicht zu erzielen, liegt es daher außerdem im Rahmen der Erfindung, eine Puffer-Zwischenschicht als Folge mehrerer nominell intrinsischer Schichten auszuführen, welche unterschiedliche Bandlücken aufweisen.In order to achieve a similar effect as in the case of a gradual bandgap in the buffer layer, it is therefore also within the scope of the invention to carry out a buffer interlayer as a consequence of a plurality of nominally intrinsic layers having different band gaps.
Ebenfalls liegt es im Rahmen der Erfindung, eine Puffer-Zwischenschicht ohne weitere dotierte Zwischenschicht vorzusehen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass die Puffer-Zwischenschicht aus einem Material besteht, welches die gleiche oder eine größere Bandlücke als die Absorberschicht aufweist.It is also within the scope of the invention to provide a buffer intermediate layer without further doped intermediate layer. In this case, it is advantageous that the intermediate buffer layer consists of a material which has the same or a larger band gap than the absorber layer.
Vorzugsweise beträgt die Gesamtdicke sämtlicher Puffer-Zwischenschichten und dotierten Zwischenschichten weniger als 100 nm, bevorzugt weniger als 50 nm, weiterhin bevorzugt weniger als 20 nm. Preferably, the total thickness of all buffer interlayers and doped interlayers is less than 100 nm, preferably less than 50 nm, more preferably less than 20 nm.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist die optische Weglänge zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht kleiner 1/3 λTauc, weiterhin bevorzugt ¼ λTauc. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Rückseitenreflexionsschicht als metallische Schicht ausgebildet ist. Dies ist darin begründet, dass aufgrund des hohen Absorptionsgrades der photoelektrisch aktiven Absorberschicht insbesondere bei der Verwendung eines rückseitigen Metallreflektors aufgrund der Phasensprünge bei der Reflexion an besagtem Reflektor typischerweise eine Rotverschiebung der optischen Resonanzen auftritt, so dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht und damit die Dicke der dazwischenliegenden Schichten nochmals geringer gewählt werden muss, um die gewünschte optische Resonanz zu erzielen. Daher kann dann häufig die Dicke des Absorbers weiter reduziert werden, ohne die Absorption der Solarzelle zu verringern, erneut mit dem Effekt einer erhöhten Offenklemmspannung und eines erhöhten Füllfaktors der Solarzelle.In a further preferred embodiment, the optical path length between the front and rear reflection layer is less than 1/3 λ Tauc , further preferably ¼ λ Tauc . This is particularly advantageous when the backside reflective layer is formed as a metallic layer. This is due to the fact that due to the high absorption of the photoelectrically active absorber layer, especially when using a back metal reflector due to the phase jumps in the reflection at said reflector typically a red shift of the optical resonances occurs, so that the optical path length between the front side reflection layer and back reflection layer and thus the Thickness of the intermediate layers must be chosen even lower, in order to achieve the desired optical resonance. Therefore, the thickness of the absorber can often be further reduced without reducing the absorption of the solar cell, again with the effect of increased open-circuit voltage and increased solar cell filling factor.
Die Dicke der Absorberschicht beträgt zur Kosteneinsparung und Effizienzsteigerung sowie zur Erzielung der optischen Resonanz vorzugsweise weniger als 40 nm, insbesondere vorzugsweise weniger als 30 nm. Bei mehreren Germanium enthaltenden Absorberschichten beträgt vorzugsweise die Dicke jeder derartigen Absorberschicht jeweils weniger als 40 nm, insbesondere vorzugsweise weniger als 30 nm. Typischerweise wird bei einer Solarzelle, welche die Bedingungen gemäß Anspruch 1 erfüllt, eine optische Resonanz erzielt oder kann durch weiteres Abdünnen der zwischen Vorderseiten- und Rückseitenreflexionsschicht liegenden Schichten erzielt werden. Die optische Resonanz zeigt sich dann typischerweise durch einen Anstieg der Kurzschlusstromdichte bei Abdünnen dieser Schichten.The thickness of the absorber layer is preferably less than 40 nm, more preferably less than 30 nm, for cost saving, efficiency increase and optical resonance. In the case of a plurality of germanium-containing absorber layers, it is preferable that the thickness of each such absorber layer is less than 40 nm, more preferably less than 30 nm. Typically, in a solar cell satisfying the conditions of
Die erfindungsgemäße Solarzelle kann als so genannte „Einfachsolarzelle” ausgebildet sein, welche einen pn-Übergang aufweist.The solar cell according to the invention can be designed as a so-called "single solar cell" which has a pn junction.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Solarzelle als an sich bekannte Mehrfach-Solarzelle mit mehreren pn-Übergängen ausgebildet. Solche auch „multijunction” genannten Solarzellen sind an sich bekannt und ermöglichen einen höheren Gesamtwirkungsgrad, da durch das Vorsehen mehrerer pn-Übergänge und Absorber mit unterschiedlichen Bandlücken ein breiteres Spektrum der einfallenden elektromagnetischen Strahlung effizienter absorbiert werden kann. Auch die Nutzung zweier pn-Übergänge mit gleichem Absorbermaterial kann in diesem Zusammenhang eine Effizienzsteigerung gegenüber der Einfachsolarzelle bewirken, da hierdurch in der Regel die Dicke der einzelnen Absorber gegenüber der in der Einzelzelle verwendeten Dicke verringert werden und damit die Rekombination reduziert werden kann. Wesentlich ist, dass eine optische Resonanz wie zuvor beschrieben zumindest hinsichtlich einer der germaniumhaltigen Absorberschichten ausgebildet wird.In an advantageous embodiment, the solar cell according to the invention is designed as a per se known multiple solar cell with a plurality of pn junctions. Such "multijunction" solar cells are known per se and allow a higher overall efficiency, since the provision of multiple pn junctions and absorbers with different band gaps a broader spectrum of incident electromagnetic radiation can be absorbed more efficiently. The use of two pn junctions with the same absorber material can in this context increase the efficiency compared to the single solar cell cause, as a rule, the thickness of the individual absorbers are reduced compared to the thickness used in the single cell and thus the recombination can be reduced. It is essential that an optical resonance as described above is formed at least with regard to one of the germanium-containing absorber layers.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzelle ist zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht zumindest eine zweite photoelektrisch aktive Absorberschicht nach Art eines Aufbaus einer Multijunction-Solarzelle angeordnet, wobei die zweite photoelektrische Absorberschicht vorzugsweise eine unterschiedliche Bandlücke zu der ersten photoelektrisch aktiven Absorberschicht aufweist.In an advantageous embodiment of the solar cell according to the invention, at least one second photoelectrically active absorber layer is arranged between the front and rear reflection layer in the manner of a construction of a multi-junction solar cell, wherein the second photoelectric absorber layer preferably has a different bandgap to the first photoelectrically active absorber layer.
Sind zwischen zwei Reflexionsschichten mehrere Absorberschichten angeordnet welche unterschiedliche Bandlücken aufweisen, so bezieht sich die Definition von λTauc auf denjenigen germaniumhaltigen Absorber mit der geringsten Bandlücke, also dem höchsten Wert von λTauc, da wie bereits erwähnt typischerweise langwelliges Licht am schlechtesten absorbiert wird und die optische Resonanz in der Zelle mit dem entsprechenden Absorber den stärksten schichtdickenmindernden Effekt erzielen kann. Dennoch liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, die optische Weglänge geringer auszuführen und die optische Resonanz auf eine Teilzelle mit einer höheren Bandlücke zu optimieren.If a plurality of absorber layers are arranged between two reflection layers, which have different band gaps, the definition of λ Tauc refers to the germanium-containing absorber with the lowest band gap, ie the highest value of λ Tauc , since, as already mentioned, typically long-wave light is absorbed the poorest and the optical resonance in the cell with the corresponding absorber can achieve the strongest layer thickness-reducing effect. Nevertheless, it is also within the scope of the invention to make the optical path length smaller and to optimize the optical resonance to a subcell having a higher bandgap.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform der Solarzelle enthält diese zusätzlich zu den zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht angeordneten pn-Übergängen weitere photoelektrisch aktive Absorberschichten bzw. pn-Übergänge, welche nicht zwischen einer Vorderseitenreflexionsschicht und einer Rückseitenreflexionsschicht angeordnet sind, insbesondere als obere Teilsolarzellezelle.In a further preferred embodiment of the solar cell, this contains, in addition to the pn junctions arranged between the front and rear reflection layer, further photoelectrically active absorber layers or pn junctions which are not arranged between a front side reflection layer and a rear side reflection layer, in particular as an upper partial solar cell cell.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen mehrere Teilsolarzellen der Multijunction-Solarzelle jeweils eine Vorder- und eine Rückseitenreflexionsschicht auf, zwischen denen jeweils eine oder mehrere Absorberschichten angeordnet sind. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform können somit die Reflexionsschichten auf den bzw. die jeweiligen Absorber optimiert werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Rückseitenreflexionsschicht einer oberen Teilsolarzelle der Mehrfach-Solarzelle gleichzeitig als Vorderseitenreflexionsschicht einer darunter liegenden unteren Teilsolarzelle der Mehrfach-Solarzelle auszubilden, wobei eine solche Schicht im Folgenden als Zwischenreflexionsschicht bzw. Zwischenelektrode bezeichnet wird.In a further advantageous embodiment, a plurality of partial solar cells of the multi-junction solar cell each have a front and a rear-side reflection layer, between which one or more absorber layers are respectively arranged. In this preferred embodiment, the reflection layers can thus be optimized for the respective absorber or absorbers. In particular, it is advantageous to the Forming a back reflection layer of an upper part solar cell of the multiple solar cell simultaneously as a front side reflection layer of an underlying lower part solar cell of the multiple solar cell, such a layer being hereinafter referred to as an intermediate reflection layer and an intermediate electrode, respectively.
Zumindest die Absorberschicht der erfindungsgemäßen Solarzelle wird bevorzugt mittels PECVD abgeschieden. Ebenso kann die Absorberschicht und/oder weitere Schichten mittels rf magnetron sputtern, dc magnetron sputtern oder Hot Wire CVD (HWCVD) abgeschieden werden.At least the absorber layer of the solar cell according to the invention is preferably deposited by means of PECVD. Likewise, the absorber layer and / or further layers can be sputtered by means of rf magnetron, sputtered by magnetron or hot wire CVD (HWCVD).
Alle im Rahmen dieser Beschreibung genannten Germanium und/oder Silizium enthaltenden Schichten werden bevorzugt als hydrogenisierte Schichten abgeschieden, da dies typischerweise eine verbesserte Materialqualität bewirkt. Hierbei handelt es sich um Materialschichten, die zur Absättigung von Defektzuständen einen Wasserstoffanteil von bis zu 20 Atomprozent aufweisen.All of the Germanium and / or silicon-containing layers mentioned in the context of this description are preferably deposited as hydrogenated layers, since this typically results in improved material quality. These are material layers which have a hydrogen content of up to 20 atomic percent to saturate defect states.
Desweiteren beziehen sich die Bezeichnungen von Legierungen ausschließlich auf die enthaltenen chemischen Elemente, ohne deren jeweilige Massenanteile zu beinhalten. Entsprechend steht beispielsweise die Bezeichnung „SiO” für eine Legierung von Silizium und Sauerstoff mit beliebigen Anteilen beider Elemente.Furthermore, the names of alloys refer exclusively to the chemical elements contained, without including their respective mass fractions. Accordingly, for example, the term "SiO" stands for an alloy of silicon and oxygen with arbitrary proportions of both elements.
Weiterhin können sich die abgeschiedenen Halbleiterschichten durch prozessbedingte Verunreinigung oder strukturell bedingt leicht n-leitend oder p-leitend verhalten. Der Begriff „intrinsisch” beinhaltet daher im Rahmen dieser Beschreibung nominell intrinsische Halbleiter, also solche Halbleiter deren Fermienergie nicht durch starke Dotierung (etwa 1015 cm–3 oder mehr) mit Elementen einer anderen Hauptgruppe derart verändert wurden, dass sie sich n- oder p-leitend verhalten, sowie solche Halbleiter, welche sich naturgemäß ohne Dotierung leicht p- oder n-leitend verhalten und deren Dunkelleitfähigkeit durch Gegendotieren verringert wurde.Furthermore, the deposited semiconductor layers may be slightly n-type or p-type due to process-related contamination or structurally related. The term "intrinsic" therefore includes in the context of this description nominal intrinsic semiconductors, ie those semiconductors whose Fermi energy were not changed by heavy doping (about 10 15 cm -3 or more) with elements of another main group such that they are n- or p Conductively behave, as well as those semiconductors, which naturally behave easily without doping p- or n-type and whose dark conductivity was reduced by counter-doping.
Die erfindungsgemäße Solarzelle kann entweder als an sich bekannte „Substrat-Solarzelle”, also auf einem rückseitig angeordneten transparenten oder intransparenten Substrat, vorzugsweise Aluminium, ausgeführt werden. Alternativ erfolgt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Solarzelle als ebenfalls an sich bekannte „Superstrat-Solarzelle”. In dieser Ausführungsform ist die Solarzelle rückseitig auf einem lichtdurchlässigen Substrat, vorzugsweise Glas, angeordnet.The solar cell according to the invention can either be embodied as a "substrate solar cell" known per se, that is to say on a transparent or non-transparent substrate, preferably aluminum, arranged on the back side. Alternatively, an embodiment of the solar cell according to the invention takes place as a likewise known "superstrate solar cell". In this embodiment, the solar cell is arranged on the back on a light-transmitting substrate, preferably glass.
Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, vorderseitig der erfindungsgemäßen Solarzelle in an sich bekannter Weise eine oder mehrere Schichten zur Erzielung antireflektiver Eigenschaften bzw. zur Verkapselung der Solarzelle anzuordnen.It is within the scope of the invention, front side of the solar cell according to the invention in a conventional manner to arrange one or more layers to achieve antireflective properties or encapsulation of the solar cell.
Da die Leitfähigkeit der Elektrodenschichten in Dünnschichtsolarzellen häufig nicht ausreicht, um einen Stromtransport über lange Strecken zu gewährleisten, ist es üblich, größere Dünnschichtsolarzellen durch unterschiedliche Strukturierungsverfahren in mehrere kleinere Zellen aufzuteilen und seriell zu einem Solarmodul zu verschalten (monolithische Serienverschaltung). Dies geschieht beispielsweise durch die Herstellung von Lasergräben nach unterschiedlichen Produktionsschritten der Solarzelle. Es liegt daher im Rahmen der Erfindung, die erfindungsgemäße Solarzelle in an sich bekannter Weise als monolithisch serienverschaltetes Solarmodul auszubilden.Since the conductivity of the electrode layers in thin-film solar cells is often insufficient to ensure current transport over long distances, it is customary to divide larger thin-film solar cells by different structuring methods into several smaller cells and connect them in series to form a solar module (monolithic series connection). This happens, for example, by the production of laser trenches after different production steps of the solar cell. It is therefore within the scope of the invention to form the solar cell according to the invention in a manner known per se as a monolithic series-connected solar module.
Die erfindungsgemäße Solarzelle ist insbesondere zur Ausbildung als großflächige, monolithisch verschaltete Dünnschicht-Solarzelle geeignet. Ebenso liegt die Ausbildung als Dünnschicht-Konzentratorsolarzelle im Rahmen der Erfindung.The solar cell according to the invention is particularly suitable for forming a large-area, monolithically interconnected thin-film solar cell. Likewise, the training as a thin-film concentrator solar cell is within the scope of the invention.
Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigt:Further preferred features and embodiments of the invention will be described below with reference to figures and embodiments. Showing:
Die Figuren zeigen schematische, nicht maßstabgetreue Darstellungen des jeweiligen Schichtaufbaus. Bei Benutzung der in den Figuren dargestellten Solarzellen erfolgt der Lichteinfall jeweils von oben, d. h. die Vorderseite der Solarzelle ist obenliegend und die Unterseite oder Rückseite der Solarzelle untenliegend dargestellt. Die Solarzellen sind als großflächige, monolithisch verschaltete Dünnschichtsolarzellen ausgebildet und können dementsprechend an sich bekannte weitere, nicht dargestellte Elemente und Strukturen, insbesondere zur Verschaltung aufweisen.The figures show schematic, not to scale representations of the respective layer structure. When using the solar cells shown in the figures, the incidence of light from above, d. H. the front of the solar cell is overhead and the bottom or back of the solar cell is shown underneath. The solar cells are designed as large-area, monolithically interconnected thin-film solar cells and can accordingly have other known, not shown, elements and structures, in particular for interconnection.
Alle gezeigten Solarzellen oder Teilsolarzellen sind derart ausgeführt, dass die jeweiligen p-dotierten Schichten auf der Lichteinfallsseite der entsprechenden Absorberschicht angeordnet sind. Die sich in naheliegenderweise durch Vertauschen der Positionen der p- und n-dotierten Schichten der jeweiligen Einzelzellen ergebenden Solarzellen liegen ebenfalls im Rahmen der Erfindung und stellen weitere Ausführungsbeispiele dar.All shown solar cells or partial solar cells are designed such that the respective p-doped layers are arranged on the light incident side of the corresponding absorber layer. The solar cells resulting in obvious manner by interchanging the positions of the p- and n-doped layers of the respective individual cells are likewise within the scope of the invention and represent further exemplary embodiments.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.Like reference numerals in the figures indicate the same or equivalent elements.
Zwischen der Absorberschicht
Wesentlich ist, dass die Vorderseitenelektrode
Die Vorderseitenreflexionsschicht
The front
Die Rückseitenreflexionsschicht
Es folgt eine Beispielrechnung für die Bestimmung der optischen Weglänge zwischen Vorderseiten- und Rückseitenreflexionsschicht für die Überprüfung der Resonanzbedingung gemäß Anspruch 1:
Die Tauc-Bandlücke von amorphem Germanium liegt bei etwa 1.1 eV, die entsprechende Wellenlänge λTauc von Licht liegt bei etwa 1127 nm (1240 nm geteilt durch 1.1 für die Bandlückenenergie), so dass ½ λTauc einer Wellenlänge von etwa 564 nm entspricht. Bei dieser Wellenlänge liegt der Realteil des komplexen Brechungsindex (Brechzahl) von amorphem Germanium bei etwa 4.4, von μc-Si bei etwa 3.5, und von a-Si bei etwa 3.7. Mit den in Tabelle 1 angegebenen unterstrichenen Schichtdicken für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel ergibt sich entsprechend eine optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht
The Tauc band gap of amorphous germanium is about 1.1 eV, the corresponding wavelength λ Tauc of light is about 1127 nm (1240 nm divided by 1.1 for the bandgap energy), so that ½ λ Tauc corresponds to a wavelength of about 564 nm. At this wavelength, the real part of the complex refractive index (refractive index) of amorphous germanium is about 4.4, μc-Si is about 3.5, and a-Si is about 3.7. With the underlined layer thicknesses given in Table 1 for the embodiment described here, an optical path length between front side reflection layer accordingly results
Hierdurch ergibt sich eine optische Resonanz in einem für die Absorptionsfunktion der Absorberschicht relevanten Wellenlängenbereich, vorliegend etwa zwischen 600 und 800 nm, so dass aufgrund der hierdurch stark erhöhten Absorption trotz der geringen Dicke der Absorberschicht
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit ein optischer Resonator ausgebildet, weshalb diese Solarzelle auch als Einzelresonator bezeichnet wird. In this embodiment, therefore, an optical resonator is formed, which is why this solar cell is also referred to as a single resonator.
In der nachfolgenden Tabelle sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Solarzellenstruktur gemäß
In dieser Beschreibung werden die bei Halbleitersolarzellen üblichen Abkürzungen für Materialien verwendet, beispielsweise „μc” (z. B. μc-Si) für mikrokristallines Material, „a” (z. B. a-Si) für amorphes Material, „(p)” bzw. „(n)” (z. B. „a-Si(p)”) für eine p- bzw. n-Dotierung und „(i)” (z. B. „a-Si(i)”) für intrinsisches Material. Ein Doppelpunkt „:” (z. B. „ZnO:Al”) kennzeichnet eine entsprechende Legierung. Der Zusatz (optional) in dieser und den nachfolgenden Tabellen bedeutet, dass vorzugsweise die jeweilige Schicht auch weggelassen werden kann.
In
Das in
This in
Zusätzlich zu den bereits zu
Die Ausbildung einer Tandemsolarzelle zur Erhöhung des Wirkungsgrades durch Ausnutzung zweier unterschiedlicher Absorber-Bandlücken bzw. Reduktion der Rekombination gegenüber einer Einzelzelle ist an sich bekannt. Wesentlich bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß
Die Vorderseitenreflexionsschicht
Weitere vorzugsweise Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit der in
Die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht
In
Die Solarzelle gemäß
The solar cell according to
Wesentlich ist, dass im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel aus
Die Vorderseitenreflexionsschicht
Weitere vorzugsweise Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit einer Solarzellenstruktur gemäß
Die exakte Bandlücke von μc-Ge kann je nach Abscheidetemperatur und Herstellungsverfahren variieren. Für die Bestimmung der optischen Weglänge wird hier ein Wert von 0.85 bis 0.9 eV angenommen, entsprechend einer Wellenlänge von etwa 1340 nm bis 1460 nm. Da dies die geringste der beteiligten Bandlücken ist, soll eine Resonanz zur Unterstützung der Absorption in der μc-Ge enthaltenden Teilzelle ausgebildet werden, so dass sich die Definition von λTauc auf dieses Material bezieht, d. h. λTauc entspricht in diesem Beispiel je nach Bandlücke zwischen 1380 nm und 1460 nm. Da sich die Brechungsindizes der beteiligten Materialien zu höheren Wellenlängen kaum ändern, werden an dieser Stelle weiterhin die gleichen Werte verwendet wie in den vorherigen Beispielen. Die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht
In
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend lediglich auf die wesentlichen Unterschiede zu der in
Das in
Ein erster Resonator wird zwischen der als Vorderseitenreflexionsschicht
This in
A first resonator is interposed between the
Der zweite, rückseitig angeordnete optische Resonator erfüllt mit den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Parametern die Bedingung, dass die optische Weglänge zwischen Zwischenreflexionsschicht
Zusätzlich erfüllt der erste, vorderseitig angeordnete Resonator mit den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Parametern die Bedingung, dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht
Es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung, nur eine germaniumhaltige Teilsolarzelle gemäß der obigen Beschreibungen zur Ausbildung einer optischen Resonanz auszuformen, da sich die Erfindung hauptsächlich auf die verbesserte Einkopplung von Licht in solche germaniumhaltige Teilsolarzellen bezieht. Entsprechend ist für die Dicke der dritten Absorberschicht
Weitere vorzugsweise Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit einer Struktur gemäß
Eine weitere, vorzugsweise Ausführungsform unterscheidet sich von der in
Bei mittlerer Aufweitung erfolgt jedoch eine ungünstige weitere Erhöhung der Reflektivität der Grenzschicht zwischen vorgenannter Dotierschicht und Absorberschicht sowie eine ungünstige Reduktion der Reflektivität der Grenzschicht zwischen vorgenannter Vorderseitenreflexionsschicht und Dotierschicht, mit dem Ergebnis einer Abschwächung der Resonanz.With medium expansion, however, there is an unfavorable further increase in the reflectivity of the boundary layer between the aforementioned doping layer and absorber layer and an unfavorable reduction in the reflectivity of the boundary layer between the aforementioned front-side reflection layer and doping layer, with the result of a weakening of the resonance.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, wie in
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2012/0319111 A1 [0006] US 2012/0319111 A1 [0006]
- DE 102012201284 A1 [0095] DE 102012201284 A1 [0095]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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