DE102013217653B4

DE102013217653B4 - Photovoltaische Solarzelle und Mehrfachsolarzelle

Info

Publication number: DE102013217653B4
Application number: DE102013217653.8A
Authority: DE
Inventors: Volker Steenhoff
Original assignee: Ewe-Forschungszentrum fur Energietechnologie E V; EWE FORSCHUNGSZENTRUM fur ENERGIETECHNOLOGIE EV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: DE102013217653A1

Abstract

Photovoltaische Solarzelle, mit mindestens einer Vorderseitenelektrode (1) und mindestens einer Rückseitenelektrode (2) sowie einer zwischen Vorder- (1) und Rückseitenelektrode (2) angeordneten photoelektrisch aktiven Absorberschicht (3), welche Absorberschicht (3) zumindest zu 30 Massenprozent Germanium enthält,
wobei
die Absorberschicht (3) eine Dicke kleiner 40 nm aufweist,
die Solarzelle mindestens eine Vorderseitenreflexionsschicht (6, 6a) und mindestens eine Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) aufweist, wobei die Absorberschicht (3) zwischen Vorder-(6, 6a) und Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) angeordnet ist und
die optische Weglänge zwischen Vorder- (6, 6a) und Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner ½ λ_Tauc ist, mit einer der Tauc-Bandlücke der Absorberschicht (3) entsprechenden Wellenlänge λ_Tauc.

Description

Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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.
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.
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.
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.
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 US 2012/0319111 A1 beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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.
Darüber hinaus können raue Oberflächen ein kontrolliertes, homogenes Schichtwachstum erschweren.
Aus US 5 324 364 A ist eine Mehrfachsolarzelle mit einer Vorderseiten- und einer Rückseitenelektrode bekannt, welche als pin-Solarzelle ausgebildet ist und eine Germanium enthaltende Absorberschicht aufweist.
Aus DE 10 2011 109 079 A1 ist ein Dünnschicht-Solarzellenmodul bekannt, mit einem Substrat, einer transparenten Elektrodenschicht, einer hinteren Elektrode und auf der transparenten Elektrodenschicht vorgesehene photoelektrische Umwandlungsschichten.
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.
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.
Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle weist mindestens eine Vorderseitenelektrode und mindestens eine Rückseitenelektrode sowie eine zwischen Vorder- und Rückseitenelektrode angeordnete photoelektrisch aktive Absorberschicht auf.
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.
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 λ_Tauc ist, mit einer der Tauc-Bandlücke E_T der Absorberschicht entsprechenden Wellenlänge λ_Tauc (λ_Tauc = 1240 / E_T, wobei E_T in eV und λ_Tauc in nm angegeben sind).
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 λ_Tauc 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.
Die Definition der Tauc-Bandlücke ist in der Literatur einschlägig bekannt, wie beispielsweise in Tsao, C.-Y., Weber, J. W., Campbell, P., Conibeer, G., Song, D., & Green, M. a. (2010). In situ low temperature growth of poly-crystalline germanium thin film on glass by RF magnetron sputtering. Solar Energy Materials and Solar Cells, 94(9), 1501-1505. doi:10.1016/j.solmat.2010.02.035 zusammengefasst. Hier wird auch auf die unterschiedlichen Verfahren für die Bestimmung direkter und indirekter Bandlücken eingegangen. Die Bezeichnung „Bandlücke“ bezeichnet im Rahmen dieser Erfindung die üblicherweise verwendete physikalische Definition der energetischen Bandlücke eines Halbleiters.
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.
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.
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.
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 Vanecek, M., Babchenko, O., Purkrt, A., Holovsky, J., Neykova, N., Poruba, A., ... Kroll, U. (2011). Nanostructured three-dimensional thin film silicon solar cells with very high efficiency potential. Applied Physics Letters, 98(16), 163503. doi:10.1063/1.3583377 gezeigt.
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:AI (AZO), SnO₂:F (FTO), In₂O₃:F (ITO) auszubilden.
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.
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 1 sowie gleichzeitig eine Vorderseitenreflexionsschicht 6.
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.
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 λ_Tauc bis λ_Tauc, insbesondere vorzugsweise in einem Wellenlängen Bereich 300nm bis λ_Tauc 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.
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.
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 λ_Tauc und λ_Tauc. 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.
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.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht etwa in der Ausformung der Rückseitenreflexionsschicht als an sich bekannten Fabry-Perot-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.
Die Rückseitenreflexionsschicht ist vorzugsweise ausgebildet, für elektromagnetische Strahlung zumindest auf der der Absorberschicht zugewandten Seite zumindest in einem Wellenlängenbereich ½ λ_Tauc bis λ_Tauc, vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich 250nm bis λ_Tauc, eine Reflektivität von mindestens 80%, vorzugsweise 90% aufzuweisen.
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.
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.
Die Vorderseitenreflexionsschicht ist vorzugsweise aus einem oder mehreren der Materialien aus der Gruppe Oxide (insbesondere eines oder mehrere aus der Gruppe ZnO:AI, 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 < 20nm ausgebildet.
Die Rückseitenreflexionsschicht ist vorzugsweise aus einem oder mehreren der Materialien wie bereits zur Vorderseitenreflexionsschicht aufgeführt ausgebildet.
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.
Bei Ausbilden der Rückseitenelektrode zugleich als Rückseitenreflexionsschicht erfolgt die Ausbildung vorzugsweise aus einem oder mehreren der Materialien wie bereits zur Vorderseitenreflexionsschicht aufgeführt.
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.
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.
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.
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.
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.
Vorzugsweise ist die weitere dotierte Zwischenschicht daher mit einer geringeren optischen Absorption, insbesondere im Bereich ½ λ_Tauc bis λ_Tauc, vorzugsweise im Wellenlängenbereich 300nm bis λ_Tauc ausgebildet.
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.
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.
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.
Besonders vorteilhaft ist hier beispielsweise die Kombination einer Absorberschicht aus amorphem Germanium oder einer Silizium-Germanium-Legierung mit einer Dotierschicht 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 350nm und 1200nm, während sie für mikrokristallines Silizium für 250nm bis 600nm unter 6% und zwischen 600nm und 1200nm 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.
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 undotiertem 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 undotierte Puffer-Zwischenschicht angeordnet ist. Die undotierte 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 undotierte Puffer-Zwischenschicht derart auszuformen, dass ein gradueller Verlauf der Bandlücke zwischen Absorberschicht und dotierter Zwischenschicht entsteht.
Durch die Pufferschicht tritt an der Grenzfläche zwischen dotiertem und undotiertem 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.
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.
Die Puffer-Zwischenschicht ist vorzugsweise aus Silizium oder einer SiliziumLegierung, insbesondere eine Siliziumlegierung mit einem oder mehreren der Elemete O, C, N, Ge ausgebildet.
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.
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. 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.
Vorzugsweise beträgt die Gesamtdicke sämtlicher Puffer-Zwischenschichten und dotierten Zwischenschichten weniger als 100 nm, bevorzugt weniger als 50nm, weiterhin bevorzugt weniger als 20 nm.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist die optische Weglänge zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht kleiner 1/3 λ_Tauc, weiterhin bevorzugt ¼ λ_Tauc. 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.
Die Dicke der Absorberschicht beträgt zur Kosteneinsparung und Effizienzsteigerung sowie zur Erzielung der optischen Resonanz vorzugsweise weniger als 40 nm, insbesondere vorzugsweise weniger als 30nm. Bei mehreren Germanium enthaltenden Absorberschichten beträgt vorzugsweise die Dicke jeder derartigen Absorberschicht jeweils weniger als 40 nm, insbesondere vorzugsweise weniger als 30nm. 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.
Die erfindungsgemäße Solarzelle kann als so genannte „Einfachsolarzelle“ ausgebildet sein, welche einen pn-Übergang aufweist.
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 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.
Sind zwischen zwei Reflexionsschichten mehrere Absorberschichten angeordnet welche unterschiedliche Bandlücken aufweisen, so bezieht sich die Definition von λ_Tauc auf denjenigen germaniumhaltigen Absorber mit der geringsten Bandlücke, also dem höchsten Wert von λ_Tauc, 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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigt:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle, welche als Einzelresonator und als Single-Junction-Solarzelle ausgebildet ist;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle, welche als Einzelresonator und als Tandemsolarzelle ausgebildet ist,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle, welche als Einzelresonator und als Triple-Solarzelle ausgebildet ist,
4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle, welche als Mehrfachresonator und Triple-Solarzelle ausgebildet ist, und
5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle, welche sich vom in 4 dargestellten Beispiel durch Ausbilddung der Vorderseitenreflexionsschicht als a-SiO(p)-schicht unterscheidet.

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.
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.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit einer Vorderseitenelektrode 1, eine Rückseitenelektrode 2 und einer Absorberschicht 3. Zwischen Vorderseitenelektrode 1 und Absorberschicht 3 ist eine erste dotierte Zwischenschicht 4 und weiterhin eine erste undotierte Puffer-Zwischenschicht 5 angeordnet.
Zwischen der Absorberschicht 3 und der Rückseitenelektrode 2 ist eine zweite undotierte Puffer-Zwischenschicht 5a sowie eine zweite dotierte Zwischenschicht 4a angeordnet. Die Absorberschicht 3 weist eine Dicke kleiner 40 nm auf und ist als intrinsische amorphe Germaniumschicht ausgebildet.
Wesentlich ist, dass die Vorderseitenelektrode 1 gleichzeitig als Vorderseitenreflexionsschicht 6 und die Rückseitenelektrode 2 gleichzeitig als Rückseitenreflexionsschicht 7 ausgebildet ist:
Die Vorderseitenreflexionsschicht 6 ist ausgebildet, Licht im Wellenlängenbereich 300nm bis 1200nm zu einem möglichst geringen Anteil zu absorbieren. Licht, welches innerhalb der Solarzelle auf die Vorderseitenreflexionsschicht 6 trifft, d. h. von der ersten dotierten Zwischenschicht 4 ausgehend auf die Grenzfläche zwischen erster dotierter Zwischenschicht 4 und Vorderseitenreflexionsschicht 6, wird zumindest im oben genannten Wellenlängenbereich zu einem Anteil von 15% oder mehr reflektiert. Dies liegt in den stark unterschiedlichen komplexen Brechungsindizes von Vorderseitenreflexionsschicht 6 und erster dotierter Zwischenschicht 4 begründet. Die Brechzahlen liegen bei etwa 2 für ZnO:AI und 4 für a-Si bzw. µc-Si, sind jedoch wellenlängenabhängig und genügen für eine genaue Berechnung der Reflexionskoeffizienten nicht aus, da hierzu der vollständige komplexe Brechungsindex benötigt wird.
Die Rückseitenreflexionsschicht 7 ist als Silberschicht ausgebildet und die mit der in Richtung Absorber angrenzenden Schicht gebildete Grenzfläche somit reflektierend zumindest im Wellenlängenbereich 600-1200nm zu einem Anteil von mindestens 90%.
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 1.1eV, die entsprechende Wellenlänge λ_Tauc von Licht liegt bei etwa 1127nm (1240nm geteilt durch 1.1 für die Bandlückenenergie), so dass ½ λ_Tauc einer Wellenlänge von etwa 564nm 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 6 und Rückseitenreflexionsschicht 7 von 138nm (5nm*3.5 + 5nm*3.5 + 15nm*4.4 + 5nm*3.7 + 5nm*3.7), was geringer ist als ½ λ_Tauc, insbesondere sogar kleiner als ¼ λ_Tauc.
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 3 ein hoher Wirkungsgrad der Solarzelle erzielt werden kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit ein optischer Resonator ausgebildet, weshalb diese Solarzelle auch als Einzelresonator bezeichnet wird.
In der nachfolgenden Tabelle sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Solarzellenstruktur gemäß 1 aufgeführt, wobei teilweise mehrere vorzugsweise Parameter oder Parameterbereiche angegeben und unterstrichen der Parameterwert des Ausführungsbeispiels angegeben sind.

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:AI“) kennzeichnet eine entsprechende Legierung. Der Zusatz (optional) in dieser und den nachfolgenden Tabellen bedeutet, dass vorzugsweise die jeweilige Schicht auch weggelassen werden kann.

(Bezugszeichen) Schichtname	Material	Dicke	Dotierung
(1,6) Vorderseitenelektrode,	ZnO:Al	(50nm bis 1000 nm);
Vorderseitenreflexionsschicht		600 nm
(4) (optional)	µc-Si(p);	(5 nm bis 10 nm);	Bor
dotierte Zwischenschicht	a-Si(p)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		5 nm	10¹⁹ cm^-3
(5) (optional)	µc-Si(i):	(5 nm bis 20 nm);	-
Puffer-Zwischenschicht	a-Si(i)	(5 nm bis 20 nm);
		5 nm
(3)	a-Ge(i):	(1 nm bis 25 nm);	-
Absorberschicht	µc-Ge(i)	(1 nm bis 25 nm);
		15 nm
(5a) (optional)	a-Si(i);	(5 nm bis 20 nm);	-
2. Puffer-Zwischenschicht	µc-Si(i)	(5 nm bis 20 nm);
		5 nm
(4a) (optional)	a-Si(n);	(5 nm bis 10 nm);	Phosphor
2. dotierte Zwischenschicht	µc-Si(n)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		5 nm	10¹⁹ cm^-3
(2,7)	Ag	(5 nm bis 500 nm);	-
Rückseitenelektrode	Ag	(5 nm bis 500 nm);
Rückseitenreflexionsschicht		250 nm

In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend nur auf die wesentlichen Unterschiede zu der in 1 dargestellten Solarzelle eingegangen:
Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle ist als Tandemsolarzelle ausgebildet, d. h. es sind zwei Absorberschichten und zwei pn-Übergänge vorgesehen, wobei beide Absorberschichten als intrinsische amorphe Germaniumschichten ausgeführt sind.
Zusätzlich zu den bereits zu 1 beschriebenen Schichten Absorberschicht 3, dotierte Zwischenschichten 4 und 4a sowie undotierte Puffer-Zwischenschichten 5 und 5a weist die in 2 dargestellte Solarzelle eine zweite Absorberschicht 3a auf, an welcher vorderseitig eine dritte undotierte Puffer-Zwischenschicht 5b sowie eine dotierte Zwischenschicht 4b und rückseitig eine vierte undotierte Puffer-Zwischenschicht 5c sowie eine vierte dotierte Zwischenschicht 4c angeordnet ist. Dieser zweite pn-Übergang bestehend aus dritte dotierte Zwischenschicht 4b, dritte Puffer-Zwischenschicht 5b, zweite Absorberschicht 3a, vierte Puffer-Zwischenschicht 5c und vierte dotierte Zwischenschicht 4c ist zusätzlich zum in 1 dargestellten ersten pn-Übergang zwischen Vorderseitenreflexionsschicht 1 und erster dotierter Zwischenschicht 4 angeordnet, so dass sich im durch die beiden Reflexionsschichten gebildeten Resonator hier zwei pn-Übergänge befinden. Zusätzlich ist diese Zelle im Unterschied zur in 1 dargestellen Zelle zur Erhöhung der Reflexion mit einer separaten Vorderseitenreflexionsschicht 1 ausgeführt, welche zwischen dritter dotierter Zwischenschicht 4b und Vorderseitenreflexionsschicht 1 angeordnet ist.
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 2 ist, dass hier die Vorderseitenelektrode 1 nicht gleichzeitig als Vorderseitenreflexionsschicht 6 ausgeführt wird. Stattdessen ist eine separate Vorderseitenreflexionsschicht 6 zwischen Vorderseitenelektrode 1 und dritter dotierter Zwischenschicht 4b angeordnet.
Die Rückseitenelektrode 2 ist auch hier gleichzeitig als Rückseitenreflexionsschicht 7 ausgebildet.
Die Vorderseitenreflexionsschicht 6 ist in diesem Fall in an sich bekannter Weise als dünne Silberschicht, wie beispielsweise in DE 10 2012 201 284 A1 beschrieben, ausgebildet und ist aufgrund ihrer dünnen Ausbildung für einfallende elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich 300 nm bis 1200 nm nur schwach absorbierend und besitzt gleichzeitig als Folge der stark unterschiedlichen komplexen Brechungsindizes von Silber und mikrokristallinem Silizium für innerhalb der Solarzelle auf die Grenzfläche zwischen dritter dotierter Zwischenschicht 4b und Vorderseitenreflexionsschicht 6 auftreffende elektromagnetische Strahlung zumindest im oben genannten Wellenlängenbereich eine hohe Reflektivität. Im Wellenlängenbereich zwischen 600nm und 1200nm beträgt die Reflektivität der Grenzfläche zwischen beiden Materialien gemäß vorgenannter Definition über 90%. Aufgrund der dünnen Ausführung dieser Schicht in Kombination mit einer geeigneten Wahl der optischen Weglänge der Vorderseitenelektrode sowie zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht ergibt sich dennoch eine hohe Transmission des Silbers sowie eine starke Absorption in beiden Absorberschichten.
Weitere vorzugsweise Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit der in 2 dargestellten Struktur sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt, wobei teilweise mehrere vorzugsweise Parameter oder Parameterbereiche angegeben und unterstrichen der Parameterwert des Ausführungsbeispiels angegeben sind.

Die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht 6 und Rückseitenreflexionsschicht 7 ist bei Ausführung der Absorberschicht (3) als amorphe Germaniumschicht auch hier mit den in der Tabelle angegebenen Schichtdicken mit einem Wert von etwa 250nm kleiner ½ λ_Tauc (560nm), wie sich unter Annahme der vorgenannten Werte für die Brechzahlen für amorphes Germanium sowie amorphes und mikrokristallines Silizium berechnen lässt. Bei Ausführung der Absorberschicht (3) als mikrokristalline Germaniumschicht ist die Wellenlänge λ_Tauc entsprechend der Bandlücke dieses Materials zu wählen, da die Bandlücke von mikrokristallinem Germanium kleiner ist als diejenige von amorphem Germanium. Da die Brechungsindizes aller beteiligten Materialien bei höheren Werten von λ_Tauc gleichzeitig etwas niedriger liegen als bei Ausführung der Absorberschicht (3) als amorphe Germaniumschicht, ist in diesem Fall also ebenfalls die optische Weglänge geringer als ½ λ_Tauc.

(Bezugszeichen) Schichtname	Material	Dicke	Dotierung
(1)	ZnO:Al	(50nm bis 1000 nm);	-
Vorderseitenelektrode		(50nm bis 1000 nm);
		80 nm
(6)	Ag	(1 nm bis 15 nm);	-
Vorderseitenreflexionsschicht		(1 nm bis 15 nm);
		10nm
(4b) (optional)	µc-Si(p):	(5 nm bis 10 nm);	Bor
3. dotierte Zwischenschicht	a-Si(p)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		5 nm	10¹⁹ cm^-3
(5b) (optional)	µc-Si(i):	(5 nm bis 10 nm);	-
3. Puffer-Zwischenschicht	a-Si(i)	(5 nm bis 10 nm);
		5nm
(3a)	a-Ge(i)	(1 nm bis 20 nm);	-
2. Absorberschicht		(1 nm bis 20 nm);
		8 nm
(5c) (optional)	a-Si(i);	(0 nm bis 10 nm);	-
4. Puffer-Zwischenschicht	µc-Si(i)	(0 nm bis 10 nm);
		5 nm
(4c) (optional)	a-Si(n);	(5 nm bis 10 nm);	Phosphor
4. dotierte Zwischenschicht	µc-Si(n)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		10 nm	10¹⁹ cm^-3
(4) (optional)	µc-Si(p):	(5 nm bis 10 nm);	Bor
dotierte Zwischenschicht	a-Si(p)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		10 nm	10¹⁹ cm^-3
(5) (optional)	µc-Si(i):	(5 nm bis 10 nm);	-
Puffer-Zwischenschicht	a-Si(i)	(5 nm bis 10 nm);
		5 nm
(3)	a-Ge(i):	(1 nm bis	-
Absorberschicht	µc-Ge(i)	20 nm);
		8 nm
(5a) (optional)	a-Si(i);	(0 nm bis 10 nm);	-
2. Puffer-Zwischenschicht	µc-Si(i)	(0 nm bis 10 nm);
		5 nm
(4a) (optional)	a-Si(n)	(5 nm bis 10 nm);	Phosphor
2. dotierte Zwischenschicht		(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		5 nm	10¹⁹ cm^-3
(2,7)	Ag	(5 nm bis 500 nm);	-
Rückseitenelektrode		(5 nm bis 500 nm);
Rückseitenreflexionsschicht		250 nm

In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle dargestellt, welche als Triple-Solarzelle ausgebildet ist. Diese Solarzelle weist somit drei Absorber und drei pn-Übergänge auf. Auch die Ausbildung einer Triple-Solarzelle zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist an sich bekannt. Nachfolgend wird zur Vermeidung von Wiederholungen lediglich auf die wesentlichen Unterschiede gegenüber der in 2 dargestellten Solarzelle eingegangen:
Die Solarzelle gemäß 3 weist eine dritte Absorberschicht 3b auf, an welcher rückseitig eine fünfte dotierte Zwischenschicht 4d sowie vorderseitig eine eine sechste dotierte Zwischenschicht 4e angeordnet ist. Der Schichtstapel sechste dotierte Zwischenschicht 4e, dritte Absorberschicht 3b und fünfte dotierte Zwischenschicht 4d ist zwischen der dritten dotierten Zwischenschicht 4b und der Vorderseitenreflexionsschicht 6 angeordnet und bildet einen dritten pn-Übergang. Wie bereits erwähnt, ist die Ausbildung einer Triple-Solarzelle mit drei Absorberschichten 3, 3a und 3b mit teilweise unterschiedlichen Bandlücken zur Erhöhung des Wirkungsgrades an sich bekannt.
Wesentlich ist, dass im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel aus 2 bei diesem Ausführungsbeispiel die Vorderseitenelektrode 1 erneut gleichzeitig als Vorderseitenreflexionsschicht 6 und die Rückseitenelektrode 2 gleichzeitig als Rückseitenreflexionsschicht 7 ausgebildet ist. Weiterhin ist die erste Absorberschicht im Vergleich zu 2 als mikrokristalline Germaniumschicht statt als amorphe Germaniumschicht ausgebildet.
Die Vorderseitenreflexionsschicht 6 ist hierbei für in die Solarzelle von der Vorderseite eindringende elektromagnetische Strahlung zumindest im Wellenlängenbereich 300 nm bis 1200 nm transparent ausgebildet. Für elektromagnetische Strahlung, welche innerhalb der Solarzelle auf die Grenzfläche zwischen dritter dotierter Zwischenschicht 4b und Vorderseitenreflexionsschicht 6 auftrifft, ist die Vorderseitenreflexionsschicht 6 im obigen Wellenlängenbereich mit einer Reflektivität von mindestens 10% ausgebildet. Dies ist in den hohen Unterschieden der komplexen Brechungsindizes der genannten Schichten begründet (Grobe Richtwerte: Brechzahl von etwa 2 für ZnO:AI und von etwa 4 für a-Si; für eine genaue Berechnung der Reflektivität sind die vollständigen komplexen Brechungsindizes heranzuziehen).
Weitere vorzugsweise Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit einer Solarzellenstruktur gemäß 3 sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt, wobei teilweise mehrere vorzugsweise Parameter oder Parameterbereiche angegeben und in Dickdruck der Parameterwert des Ausführungsbeispiels angegeben sind.

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 0.9eV angenommen, entsprechend einer Wellenlänge von etwa 1340nm bis 1460nm. 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 λ_Tauc auf dieses Material bezieht, d.h. λ_Tauc entspricht in diesem Beispiel je nach Bandlücke zwischen 1380nm 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 6 und Rückseitenreflexionsschicht 7 beträgt demnach für die in der nachfolgenden Tabelle unterstrichenen Parameter etwa 655 nm und liegt somit unterhalb von ½ λ_Tauc (690nm bis 730nm).

(Bezugszeichen) Schichtname	Material	Dicke	Dotierung
(1,6)	ZnO:Al	(50nm bis 1000 nm);	-
Vorderseitenelektrode,		(50nm bis 1000 nm);
Vorderseitenreflexionsschicht		600 nm
(4d)	a-Si(p)	(5 nm bis 10 nm);	Bor
5. dotierte Zwischenschicht		(5 nm bis 10 nm);
		10 nm
(3b)	a-Si(i)	(50 nm bis 80 nm);	-
3. Absorberschicht		(50 nm bis 80 nm);
3. Absorberschicht		80 nm
(4e)	a-Si(n);	(5 nm bis 10 nm);	Phosphor
6. dotierte Zwischenschicht	µc-Si(n)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
6. dotierte Zwischenschicht	µc-Si(n)	10 nm	10¹⁹ cm^-3
(4b)	µc-Si(p):	(5 nm bis 10 nm);	Bor
3. dotierte Zwischenschicht	a-Si(p)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
3. dotierte Zwischenschicht	a-Si(p)	10 nm	10¹⁹ cm^-3
(5b) (optional)	µc-Si(i):	(0 nm bis 5 nm);	-
3. Puffer-Zwischenschicht	a-Si(i)	(0 nm bis 5 nm);
3. Puffer-Zwischenschicht	a-Si(i)	5 nm
(3a)	a-Ge(i):	(1 nm bis 10 nm);	-
2. Absorberschicht	a-Ge(i):	(1 nm bis 10 nm);
2. Absorberschicht		10 nm
(5c) (optional)	a-Si(i);	(0 bis 5 nm);	-
4. Puffer-Zwischenschicht	µc-Si(i)	5 nm
(4c)	a-Si(n);	(5 nm bis 10 nm);	Phosphor
4. dotierte Zwischenschicht	µc-Si(n)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
4. dotierte Zwischenschicht		10 nm	10¹⁹ cm^-3
(4)	µc-Si(p):	(5 nm bis 10 nm);	Bor
Dotierte Zwischenschicht	a-Si(p)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
Dotierte Zwischenschicht	a-Si(p)	10 nm	10¹⁹ cm^-3
(5) (optional)	µc-Si(n):	(5 nm bis 10 nm);	-
Puffer-Zwischenschicht	a-Si(i)	(5 nm bis 10 nm);
Puffer-Zwischenschicht	a-Si(i)	5 nm
(3)	µc-Ge(i)	(1 nm bis 10 nm);	-
Absorberschicht		(1 nm bis 10 nm);
		10 nm
(5a) (optional)	a-Si(i);	(0 nm bis 5 nm);	-
2. Puffer-Zwischenschicht	µc-Si(i)	(0 nm bis 5 nm);
		5 nm
(4a) (optional)	a-Si(n);	(0 nm bis 10nm);	Phosphor
2. dotierte Zwischenschicht	µc-Si(n)	(0 nm bis 10nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		5 nm	10¹⁹ cm^-3
(2,7)	Ag	(5 nm bis 500 nm);	-
Rückseitenelektrode		(5 nm bis 500 nm);
Rückseitenreflexionsschicht		250 nm

In 4 ist schließlich ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle dargestellt, welche analog zu der in 3 dargestellten Solarzelle ebenfalls als Triple-Solarzelle ausgebildet ist.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend lediglich auf die wesentlichen Unterschiede zu der in 3 dargestellten Solarzelle eingegangen:
Das in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle unterscheidet sich wesentlich von dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3, dadurch, dass eine Zwischenelektrode 8 zwischen vierter Dotierschicht 4c und erster Dotierschicht 4 angeordnet ist. Die Zwischenelektrode 8 ist gleichzeitig als Zwischenreflexionsschicht 9 ausgebildet. Hierdurch ergeben sich zwei optische Resonatoren:
Ein erster Resonator wird zwischen der als Vorderseitenreflexionsschicht 6 ausgebildeten Vorderseitenelektrode 1 und der Zwischenreflexionsschicht 9 ausgebildet und ein zweiter optischer Resonator wird zwischen der Zwischenreflexionsschicht 9 und der als zweite Rückseitenreflexionsschicht 7a ausgebildeten Rückseitenelektrode 2 ausgebildet, so dass die Zwischenreflexionsschicht 9 gleichzeitig als Rückseitenreflexionsschicht 7 sowie Vorderseitenreflexionsschicht 6a ausgeführt ist. Die Solarzelle gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird daher auch als Mehrfachresonator bezeichnet.
Der zweite, rückseitig angeordnete optische Resonator erfüllt mit den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Parametern die Bedingung, dass die optische Weglänge zwischen Zwischenreflexionsschicht 9 und zweiter Rückseitenreflexionsschicht 7a kleiner ½ λ_Tauc ist, wobei hier die Bandlücke der ersten Absorberschicht 3 maßgeblich ist, da diese die zwischen den oben genannten Reflexionsschichten liegende Schicht mit der niedrigsten Bandlücke darstellt. Bereits hierdurch ist eine erfindungsgemäße Solarzelle realisiert.
Zusätzlich erfüllt der erste, vorderseitig angeordnete Resonator mit den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Parametern die Bedingung, dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht 6 und Zwischenreflexionsschicht 9 kleiner ½ λ_Tauc ist, wobei hier entsprechend die Bandlücke der dritten Absorberschicht 3b maßgeblich ist.
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 3b ein zweiter Parameterbereich angegeben (mit einem „*“ versehen), in dem die diese Absorberschicht 3b enthaltende obere Teilzelle die Resonanzbedingung nicht notwendigerweise erfüllt. Die so entstehende Solarzelle liegt, wie vorbeschrieben, ebenfalls im Rahmen der Erfindung.

Weitere vorzugsweise Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit einer Struktur gemäß 4 sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt, wobei teilweise mehrere vorzugsweise Parameter oder Parameterbereiche angegeben und unterstrichen der Parameterwert des Ausführungsbeispiels angegeben sind.

(Bezugszeichen) Schichtname	Material	Dicke	Dotierung
(1, 6)	ZnO:Al	(50nm bis 1000 nm);	-
Vorderseitenelektrode,		(50nm bis 1000 nm);
Vorderseitenreflexionsschicht		100 nm
(4d)	a-Si(p);	(5 nm bis 10 nm);	Bor
5. dotierte Zwischenschicht	a-SiO(p)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		10 nm	10¹⁹ cm^-3
(3b) 3. Absorberschicht	a-Si(i);	(50 nm bis 75 nm);	-
		*(50 nm bis 200nm)
		70 nm
(4e)	a-Si(n);	(5 nm bis 10 nm);	Phosphor
4. dotierte Zwischenschicht	µc-Si(n)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		10 nm	10¹⁹ cm^-3
(8, 7, 6a, 9)	ZnO:Al:	(1 nm bis 100 nm)	Phosphor (nur für die hier genannten Si-Legierungen)
Zwischenelektrode	SiO(n),	(1 nm bis 100 nm)
Rückseitenreflexionsschicht	SiC(n),	40 nm
Zweite Vorderseitenreflexi-	SiN(n),
onssschicht	Ag, Al, Au		(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
Zwischenreflexionsschicht			10¹⁹ cm^-3
(4b)	µc-Si(p):	(5 nm bis 10 nm);	Bor
3. dotierte Zwischenschicht	a-Si(p)	(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		5 nm	10¹⁹ cm^-3
(5b) (optional)	µc-Si(i):	(5 nm bis 20 nm);	-
3. Puffer-Zwischenschicht	a-Si(i)	(5 nm bis 20 nm);
		5 nm
(3a)	a-Ge(i):	(1 nm bis 25 nm);	-
2. Absorberschicht	µc-Ge(i)	(1 nm bis 25 nm);
		10 nm
(5c) (optional)	a-Si(i);	(5 nm bis 20 nm);	-
4. Puffer-Zwischenschicht	µc-Si(i)	(5 nm bis 20 nm);
		5 nm
(4c)	a-Si(n)	(5 nm bis 10 nm);	Phosphor
4. dotierte Zwischenschicht		(5 nm bis 10 nm);	(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
		5 nm	10¹⁹ cm^-3
(4)	µc-Si(i):	5 nm	Bor
Dotierte Zwischenschicht	a-Si(i)		(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
			10¹⁹ cm^-3
(5) (optional)	µc-Si(i):	5 nm	-
Puffer-Zwischenschicht	a-Si(i)
(3)	a-Ge(i):	(1 nm bis 15 nm);	-
Absorberschicht	µc-Ge(i)	(1 nm bis 15 nm);
Absorberschicht		5 nm
(5a) (optional)	a-Si(i);	5 nm	-
2. Puffer-Zwischenschicht	µc-Si(i)
(4a) (optional)	a-Si(n);	5 nm	Phosphor
2. dotierte Zwischenschicht	µc-Si(n)		(10¹⁷-10²⁰ cm^-3)
2. dotierte Zwischenschicht			10¹⁹ cm^-3
(2,7a)	Ag	(5 nm bis 500 nm);	-
Rückseitenelektrode		(5 nm bis 500 nm);
zweite Rückseitenreflexionsschicht		250 nm

Eine weitere, vorzugsweise Ausführungsform unterscheidet sich von der in 4 dargestellten Solarzelle, indem die 5. dotierte Zwischenschicht 4d anstatt aus amorphem Silizium aus einer amorphen Siliziumlegierung mit gegenüber Silizium aufgeweiteter Bandlücke, beispielsweise a-SiO(p) oder a-SiC(p), ausgebildet ist. Diese Aufweitung kann entweder schwach oder ausgeprägt sein. Bei schwacher Ausprägung der Aufweitung erfolgt nur eine geringe Brechungsindexänderung, so dass die Reflektivität an der Grenzfläche zwischen 5. dotierter Zwischenschicht 4d und 3. Absorberschicht 3b gering und diejenige zwischen Vorderseitenreflexionsschicht 6 und 5. dotierter Zwischenschicht hoch bleibt.
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.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, wie in 5 dargestellt, die 5. dotierte Zwischenschicht derart aufgeweitet auszuführen, dass der Brechungsindexunterschied zur bisherigen als ZnO:AI-Schicht ausgeführten Vorderseitenreflexionsschicht 6 bzw. Vorderseitenelektrode 1 klein und somit die Reflektivität zwischen beiden Schichten gering wird. Gleichzeitig erhöht sich dann die Reflektivität zwischen der bisherigen 5. dotierten Zwischenschicht 4d und der 3. Absorberschicht 3b, so dass die 5. dotierte Zwischenschicht 4d (hier: die Vorderseitenreflexionsschicht 6) die Aufgabe einer Vorderseitenreflexionsschicht übernimmt. Die ZnO:AI-Schicht übernimmt dann nur noch die Funktion der Vorderseitenelektrode 1.

Claims

Photovoltaische Solarzelle, mit mindestens einer Vorderseitenelektrode (1) und mindestens einer Rückseitenelektrode (2) sowie einer zwischen Vorder- (1) und Rückseitenelektrode (2) angeordneten photoelektrisch aktiven Absorberschicht (3), welche Absorberschicht (3) zumindest zu 30 Massenprozent Germanium enthält, wobei die Absorberschicht (3) eine Dicke kleiner 40 nm aufweist, die Solarzelle mindestens eine Vorderseitenreflexionsschicht (6, 6a) und mindestens eine Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) aufweist, wobei die Absorberschicht (3) zwischen Vorder-(6, 6a) und Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) angeordnet ist und die optische Weglänge zwischen Vorder- (6, 6a) und Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner ½ λ_Tauc ist, mit einer der Tauc-Bandlücke der Absorberschicht (3) entsprechenden Wellenlänge λ_Tauc.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseitenelektrode (1) die Solarzelle zumindest mit 80% Flächenanteil bedeckt, vorzugsweise, dass die Vorderseitenelektrode (1) ganzflächig ausgebildet ist.
Photovoltaische Solarzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseitenreflexionsschicht (6, 6a) für elektromagnetische Strahlung auf der der Absorberschicht (3) zugewandten Seite zumindest im Bereich ½ λ_Tauc bis λ_Tauc eine Reflektivität von mindestens 10%, vorzugsweise mehr als 15%, insbesondere vorzugsweise mehr als 20% aufweist.
Photovoltaische Solarzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseitenseitenreflexionsschicht (7, 7a) für elektromagnetische Strahlung zumindest auf der der Absorberschicht (3) zugewandten Seite zumindest in einem Wellenlängenbereich ½ λ_Tauc bis λ_Tauc, vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich 250nm bis λ_Tauc, mit einer Reflektivität von mindestens 80%, vorzugsweise 90% ausgebildet ist.
Photovoltaische Solarzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseitenelektrode (1) gleichzeitig als die Vorderseitenreflexionsschicht (6, 6a) ausgebildet ist und/oder dass die Rückseitenelektrode (2) gleichzeitig als die Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) ausgebildet ist.
Photovoltaische Solarzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (3) als Germaniumschicht, insbesondere amorphe oder mikrokristalline, insbesondere hydrogenisierte Germaniumschicht ausgebildet ist.
Photovoltaische Solarzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Absorberschicht (3) und der Vorderseitenreflexionsschicht (6, 6a) und/oder zwischen der Absorberschicht (3) und der Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) zumindest eine weitere dotierte Zwischenschicht (4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4e) zur Ladungsträgertrennung angeordnet ist, insbesondere eine Schicht mit einem geringeren Absorptionskoeffizienten als ihn die Absorberschicht aufweist, insbesondere im Wellenlängenbereich ½ λ_Tauc bis λ_Tauc.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere dotierte Zwischenschicht (4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4e) in etwa den optischen Brechungsindex der in Richtung der Absorberschicht (3) angrenzenden Schicht aufweist, insbesondere, dass die Brechungsindizes der weiteren dotierten Zwischenschicht und der in Richtung der Absorberschicht angrenzenden Schicht derart gewählt sind, dass die Reflektivität an der Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten geringer ist als 5%.
Photovoltaische Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (3) und die weitere dotierte Zwischenschicht (4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4e) unterschiedliche Materialien aufweisen und dass zwischen der Absorberschicht (3) und der weiteren dotierten Zwischenschicht eine undotierte Puffer-Zwischenschicht (5, 5a, 5b, 5c) angeordnet ist, welche undotierte Puffer-Zwischenschicht (5, 5a, 5b, 5c) bevorzugt eine Bandlücke gleich oder größer der Bandlücke der weiteren dotierten Zwischenschicht aufweist.
Photovoltaische Solarzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Weglänge zwischen der Vorder- (6, 6a) und der Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) kleiner 1/3 λ_Tauc, insbesondere kleiner ¼ λ_Tauc ist.
Photovoltaische Solarzelle nach einem der vorangengangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorder- (6, 6a) und/oder die Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) als metallische Schicht ausgebildet ist, insbesondere als Silberschicht.
Photovoltaische Solarzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle als Mehrfachsolarzelle ausgebildet ist, mit der Absorberschicht (3) als erste Absorberschicht und zumindest einer zweiten Absorberschicht (3a, 3b), welche zweite Absorberschicht (3a, 3b) vorzugsweise eine unterschiedliche Bandlücke zu der ersten Absorberschicht (3) aufweist, insbesondere, dass die zweite Absorberschicht (3a, 3b) Silizium aufweist.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Absorberschicht (3, 3a, 3b) zwischen derselben Vorder- (6, 6 a) und Rückseitenreflexionsschicht (7, 7a) angeordnet sind.
Photovoltaische Solarzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine zweite Vorderseitenreflexionsschicht (6a) und eine zweite Rückseitenreflexionsschicht (7a) aufweist und die zweite Absorberschicht (3a, 3b) zwischen zweiter Vorderseitenreflexionsschicht (6a) und zweiter Rückseitenreflexionsschicht (7a) angeordnet ist, insbesondere, dass die Solarzelle eine Zwischenreflexionsschicht (9) aufweist, welche sowohl als zweite Vorderseitenreflexionsschicht (6a) als auch als erste Rückseitenreflexionsschicht (7) ausgebildet ist.
Mehrfachsolarzelle, bestehend aus mehreren Teilsolarzellen, wobei mindestens eine der Teilsolarzellen nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet ist.