DE102014224004A1 - Elektronisches Bauteil mit Zwischenschicht zwischen n- und p-dotierter Halbleiterschicht - Google Patents

Elektronisches Bauteil mit Zwischenschicht zwischen n- und p-dotierter Halbleiterschicht Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil, insbesondere Solarzelle, mit einer Absorberschicht aus intrisischem oder dotiertem Halbleitermaterial (2), die zusätzlich ein Bindermaterial (3) enthalten kann einer Kontaktschicht aus dotiertem Halbleitermaterial (5), wobei die Schichten (2, 3, 5) 2sich elektrisch zwischen einem elektrischen Kontakt (1) und einem elektrischen Kontakt (6) angeordnet sind, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Anordnung, aber auch bei geschlossener Schicht (3) auch nebeneinander auf nur einer Seite der Anordnung befinden können, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht (4) im Übergangsbereich zwischen den Schichten (2) und (5) aus Halbleitermaterial vorgesehen ist, die eine Barriere für die Majoritätsladungsträger der Absorberschicht (2) bzw. für die Minoritätsladungsträger der Kontaktschicht 5 bildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement und zwar insbesondere eine Solarzelle.
  • In einer Solarzelle entstehen durch Absorption von Licht frei bewegliche Elektronen und Defektelektronen, auch Löcher genannt. Die frei beweglichen Elektronen und Löcher werden an selektiven Kontakten, wie sie z. B. durch eine an gleichrichtenden Kontakten entstehende Bandverbiegung (ein elektrisches Feld) gebildet werden, räumlich voneinander getrennt. Die getrennten Ladungsträger werden über elektrische Kontakte einem elektrischen Verbraucher zugeführt.
  • Damit eine Bandverbiegung, also ein internes elektrisches Feld, vorhanden ist, umfasst eine Solarzelle üblicherweise einen pn Kontakt zwischen einer p- und einer n-dotierten Schicht aus Halbleitermaterial. In einem p-dotierten Halbleiter überwiegen die frei beweglichen positiven Ladungsträger, also die Löcher bzw. Defektelektronen, die dann Majoritätsladungsträger genannt werden. Bei einer n-Dotierung überwiegen die frei beweglichen Elektronen, die hier dann die Majoritätsladungsträger bilden.
  • Bei Solarzellen wird zwischen Solarzellen vom p-Typ und n-Typ unterschieden. Beim p-Typ ist die relativ dicke, aus Halbleitermaterial bestehende Absorptionsschicht der Solarzelle p-dotiert. Die dann dünne n-dotierte Schicht wird als Emitter bezeichnet. Der Emitter sammelt die durch das elektrische Feld beschleunigten Minoritätsladungsträger, die in der Absorptionsschicht durch Lichtabsorption frei geworden sind. Solarzellen vom n-Typ weisen eine relativ dicke Schicht aus n-dotiertem Material auf. Die grundsätzlich deutlich dünnere Emitterschicht ist dann p-dotiert.
  • Die Druckschrift WO 2010/000581 A2 offenbart die Herstellung einer Solarzelle mit einer Monokornmembran. Die Körner der Monokornmembran bestehen aus Halbleitermaterial mit pn-Übergang. Die Druckschrift WO 2010/000581 A2 beschreibt eine CZTS-Solarzelle, also eine Solarzelle mit Kupfer-Zink-Zinnsulfid als halbleitende Verbindung.
  • Gemäß Druckschrift US 5,899,704 können bei einer Solarzelle mit Rück- und Frontelektrode bzw. elektrischem Rück- und Frontkontakt Minoritätsladungsträger durch Diffusion die Rückelektrode erreichen und durch Rekombination mit den Majoritätsladungsträger den durch diese transportierten Strom Strom reduzieren. Es werden in der Druckschrift Maßnahmen vorgeschlagen, die einer solchen Diffusion von Minoritätsladungsträgern entgegenwirken.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein leistungsfähiges elektronisches Bauteil bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch elektronisches Bauteil, insbesondere eine Solarzelle, mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Zur Lösung der Aufgabe umfasst ein elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 einen elektrischen Kontakt zur Ableitung der Majoritätsladungsträger, eine Schicht mit p- oder n-dotiertem Halbleitermaterial, eine Schicht mit entgegengesetzt (also n- bzw. p-)dotiertem Halbleitermaterial und einen elektrischen Kontakt für die Majoritätsladungsträger dieser entgegengesetzt dotierten Schicht. Eine Zwischenschicht ist im Kontaktbereich von p-dotiertem Halbleitermaterial und der Schicht mit n-dotiertem Halbleitermaterial vorgesehen. Die Zwischenschicht wirkt als zusätzliche Barriere für die Majoritätsladungsträger der Absorberschicht.
  • Zur Lösung der Aufgabe umfasst ein elektronisches Bauteil nach Anspruch 2 einen elektrischen Rückkontakt, eine Schicht mit p-dotiertem Halbleitermaterial, eine Schicht mit n-dotiertem Halbleitermaterial und einen elektrischen Frontkontakt. Eine Zwischenschicht ist zwischen der Schicht mit p-dotiertem Halbleitermaterial und der Schicht mit n-dotiertem Halbleitermaterial vorgesehen. Die Zwischenschicht wirkt als zusätzliche Barriere für Majoritätsladungsträger. Die Zwischenschicht muss nicht genau an der Grenzfläche eingebaut sein, sie muss sich nur innerhalb der Bandverbiegung, also im elektrischen Feld, befinden. Zusätzlich kann zwischen den beiden dotierten Schichten eine Schicht aus intrinsischem Halbleitermaterial vorgesehen sein.
  • Das elektronische Bauteil ist insbesondere eine Solarzelle und zwar vorzugsweise vom p-Typ. Werden beispielsweise in der relativ dicken, p-dotierten Absorptionsschicht der Solarzelle durch Lichtabsorption frei bewegliche Elektronen erzeugt, so werden diese aufgrund der am Emitter entstandenen Bandverbiegung (dem elektrischen Feld) in den n-dotierten selektiven Kontakt fließen. Die Löcher, also die Majoritätsladungsträger, werden durch die Bandverbiegung zurückgehalten und aufgrund des elektrischen Feldes in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt.
  • Obwohl das elektrische Feld eine Kraft auf die Majoritätsladungsträger ausübt, die in die gewünschte Richtung gerichtet ist, hat es sich überraschend als leistungssteigernd herausgestellt, eine zusätzliche Barriere, also ein Hindernis, für die Majoritätsladungsträger im Übergangsbereich zwischen der p- und n-dotierten Schicht anzuordnen. Diese zusätzliche Barriere für die Majoritätsladungsträger verringert deutlich die Zahl der durch thermische Anregung die Barriere erklimmenden (entgegen dem elektrischen Feld wandernden) Ladungsträger. Solche thermisch angeregt von beiden Seiten (der n- und der p-dotierten Seite) in den Übergangsbereich eindringenden Majoritätsladungsträger rekombinieren nämlich im Kontaktbereich und setzen die Leistungsfähigkeit der Solarzelle herab.
  • Solche im Kontaktbereich rekombinierenden Ladungsträger verringern auch das Sperrverhalten von Dioden und Transistoren, die Photonen-Ausbeute von Leuchtdioden und Halbleiterlasern sowie die Empfindlichkeit von Photodioden. In all diesen Fällen lässt sich durch Einbau von energetischen Barrieren für die Majoritätsladungsträger auf der jeweiligen Seite eines pn-Überganges eine deutliche Verbesserung des Verhaltens erreichen. Die Erfindung verbessert also die Leistungsfähigkeit einer Vielzahl von elektronischen Bauteilen.
  • Grundsätzlich hat sich eine als Barriere für Majoritätsladungsträger wirkende Zwischenschicht innerhalb eines Übergangs als vorteilhaft erwiesen. Dies gilt für alle elektronische Bauteilen mit pn-Übergang, einem Halbleiter/Metall-Übergang (Schottky-Kontakt) oder einem Übergang zwischen einem intrinsischen Halbleiter und einem p- oder n-dotierten Halbleiter, bei denen Ladungsträger an einem Übergang hindurch zu einem elektrischen Kontakt rekombinieren können. Im Fall eines Übergangs zwischen einem intrinsischen Halbleiter und einem n-dotierten Halbleiter befindet sich die Zwischenschicht also im Übergangsbereich zwischen dem intrinsischen Halbleiter und dem n-dotierten Halbleiter und wirkt als Barriere für Löcher. Im Fall eines Übergangs zwischen einem intrinsischen Halbleiter einem p-dotierten Halbleiter wirkt die Zwischenschicht als Barriere für Elektronen im Leitungsband.
  • Bei dem elektronischen Bauteil kann es sich um Solarzellen vom p-Typ handeln. Die Zwischenschicht ist dann eine Barriere für Löcher.
  • Solche Barrieren entstehen durch Bandverbiegungen oder energetische Sprünge in den jeweiligen Bandkanten. Metalloxide eignen sich als Barriere für Löcher. Zinnoxid und/oder Zinkoxid haben sich als ein Material herausgestellt, welches regelmäßig gut geeignet dafür ist und leistungssteigernd als Barriere für Löcher bzw. Defektelektronen zu wirken vermag. Sie eignen sich darüberhinaus nach hoher Dotierung auch als transparente leitfähige Oxide (transparent conductive Oxide, TCO) zur elektronenleitenden Kontaktierung. Hier wird jedoch eine zusätzliche dünne Zwischenschicht im pn-Übergang eingeführt, der sich im Falle heutiger (z. B. CdTe-, CuS-, SnS, Cu(InGa)Se2-(CIGS-) oder Kesterit-)Solarzellen am Übergang zwischen dem genannten p-Halbleiter, einer n-CdS Puffer-Schicht und dem hochdotierten n-TCO ausbildet. Hier wirkt sich eine zusätzliche dünne oxydische Zwischenschicht in der Nähe des pn-Überganges, z. B. zwischen p-Halbleiter und n-Puffer durch Bildung einer Löcher-Barriere im Valenzband vorteilhaft aus.
  • Die Zwischenschicht ist vorzugsweise sehr dünn, um ein besonders leistungsfähiges elektronisches Bauteil bereitzustellen. Die Zwischenschicht ist in einer Ausgestaltung dünner als 100 nm, vorzugsweise dünner als 50 nm, besonders bevorzugt dünner als 10 nm, um ein besonders leistungsfähiges Bauteil bereitzustellen.
  • Zumindest eine der Schichten mit dotiertem Halbleitermaterial ist regelmäßig um ein Vielfaches dicker als die Zwischenschicht. Diese Schicht kann wenigstens um ein Fünffaches, vorzugsweise wenigstens um ein Fünfzigfaches, besonders bevorzugt wenigstens um ein Hundertfaches dicker sein als die Zwischenschicht. Insbesondere handelt es sich bei der um ein Vielfaches dickeren Schicht um die Absorptionsschicht einer Solarzelle. Diese Schicht ist dann grundsätzlich auch um ein Vielfaches dicker als die andere Schicht mit dotiertem Halbleitermaterial. Im Fall der Solarzelle ist die andere Schicht mit dotiertem Halbleitermaterial die Emitterschicht.
  • Da es sich im Fall von Solarzellen meistens um eine Solarzelle vom p-Typ handelt, umfasst die um ein Vielfaches dickere Schicht in der Regel p-dotiertes Halbleitermaterial.
  • Zumindest eine der Schichten mit dotiertem Halbleitermaterial ist in einer Ausgestaltung mehr als 500 nm dick, vorzugsweise mehr als 1 μm dick und zwar insbesondere für die Schaffung einer Solarzelle mit geeignet dicker Absorptionsschicht. Vorteilhaft ist die Absorptionsschicht nicht dicker als 200 μm, besonders bevorzugt nicht dicker als 100 μm, um den Materialaufwand im Verhältnis zum Nutzen gering zu halten. Vorzugsweise wird eine Monokornmembran als Absorptionsschicht eingesetzt, um technisch einfach herstellen zu können.
  • Zumindest eine der Schichten mit dotiertem Halbleitermaterial ist vorteilhaft dünner als 100 nm, vorzugsweise dünner als 50 nm. Diese Schicht bildet im Fall einer Solarzelle im Regelfall die Emitterschicht. Die Emitterschicht ist vorzugsweise wenigstens 1 nm dick.
  • Eine der Schichten mit dotiertem Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise Cu2ZnxSn1-x(SySe1-y)4 mit x, y = 0–1 wie zum Beispiel Cu2ZnSnS4 (x = 0,5, y = 1), Cu2ZnSnSe4 (x = 0,5, y = 0) als Halbleitermaterial, um ein besonders umweltfreundliches elektronisches Bauteil bereitzustellen. CZTSSe (x = 0,5, y = 0,8) ist ein weiteres Beispiel als besonders gut geeignetes Material für die Absorptionsschicht.
  • Eine der Schichten mit dotiertem Halbleitermaterial umfasst in einer Ausführungsform ein Sulfid oder Oxy-sulfid, häufig Cadmiumsulfid und/oder Zinksulfid und zwar insbesondere im Fall einer Solarzelle.
  • Als Material für die elektrischen Kontakte sind transparentes Aluminium-dotiertes Zinkoxid oder Indium-dotiertes Zinnoxid (ITO) sowie Graphit geeignet und zwar insbesondere auch im Fall einer Solarzelle, bei der ein elektrischer Kontakt grundsätzlich transparent sein sollte. Vorzugsweise ist das Zink- oder Zinnoxid hoch dotiert (> 1017 cm–3).
  • Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Schaffung einer CZTS-Solarzelle oder einer CIGS- oder CdTe-Solarzelle. Diese sind vorzugsweise 1,5 μm bis 2,5 μm dick.
  • Es können organische oder anorganische Halbleitermaterialien eingesetzt sein.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1: Schematischer Aufbau von erfindungsgemäß hergestellten Solarzellen;
  • 2: Hoch-aufgelöste XPS Spektren der Sn 3d, S 2p and O 1s Orbitale an der Oberfläche von CZTS Pulvern ohne (a–c) und nach Brom-Ätzen (d–f) zur Demonstration der Entstehung von oxidiertem Zinn durch das Ätzen;
  • Die 1a zeigt schematisch einen möglichen Aufbau von erfindungsgemäß hergestellten Solarzellen. Eine Schicht 1 aus Graphit dient als elektrischer Rückkontakt. Auf der Schicht 1 aus Graphit befindet sich eine vergleichsweise dicke Monokornmembran mit Körnern 2 und Binder 3, die als Absorptionsschicht dient. Die Körner weisen einen Durchmesser von mehreren 10 μm auf. Die Körner 2 bestehen aus einem p-dotierten Halbleitermaterial. Der Binder 3 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Material. An der Oberseite stehen die Körner 2 gegenüber dem Binder 3 hervor. An der gegenüberliegenden Unterseite sind Bereiche der Körner 2 nebst Binder 3 abgetragen worden, um einen Ohm'schen elektrischen Kontakt zur Schicht 1 herzustellen. Auf der Monokornmembran 2, 3 ist eine sehr viel dünnere Zinnoxidschicht 4 als Zwischenschicht aufgetragen. Diese Schicht ist wenige Nanometer dünn. Darüber befindet sich eine dünne Pufferschicht 5 aus n-dotiertem Halbleitermaterial, z. B. aus CdS. Die Pufferschicht 5 ist ebenfalls wenige Nanometer dünn, aber in der Regel dicker als die Zwischenschicht. Auf der Pufferschicht 5 befindet sich in Form einer Schicht 6 ein transparenter elektrischer Frontkontakt, der aus dotiertem oder aus intrinsischem plus dotiertem Zinkoxid bestehen kann. Es gibt zwei verschiedene Anordnungen bei den beiden Versuchen. Der erste ist korrekt beschrieben, hier werden das SnO2 und danach das CdS auf der Monokornmembran aufgebracht. Ein weiterer elektrischer Kontakt kann auf einem Substrat angeordnet sein, welches als Träger dient. Im Fall einer Solarzelle handelt es sich dabei um den in der Regel nicht transparenten Rückkontakt.
  • Folgende Versuche wurden durchgeführt.
  • Eine Monokornschicht bzw. Monokornmembran wurde aus Cu2ZnSnS4 Kristallen mit einem mittleren Durchmesser von 60 μm wie in der WO 2010/000581 A2 beschriebenen hergestellt. Diese wurde in einer kommerziellen ALD-Apparatur der Firma Ultratech, Waltham, MA, USA (Cambridge Nano Tech Fiji F200 ALD) mit einer Zinnoxid-Schicht beschichtet. Hierbei wird Tetrakis(dimethylamino)Zinn(IV), (99.99%-Sn) (TDMASn) als Zinn-Präkursor verwendet. Das TDMASn wurde auf 60°C gehalten, um den notwendigen Dampfdruck einzustellen. Wasser (H2O) wurde als Sauerstoff-Präkursor eingesetzt, als Trägergas wurde Argon mit einer Flussrate von 40 Standard-cm3 verwendet. Die Präkursor-Gase wurden durch Umlegen schnell schaltender Ventile in den Argon-Strom eingespeist. Die schließlich verwendeten Zinnoxid-Schichtdicken wurden durch die Zahl TDMASn und H2O-Zyklen eingestellt. Der Probentisch wurde auf 120°C geheizt. Mit 10 Zinnoxid-Zyklen bei einem Druck von 0,45 Torr wurde eine im Elektronenmikroskop gemessene Schichtdicke von 2 nm abgeschieden.
  • Die ALD-Bedingungen für die Abscheidung der ultra-dünnen (2 nm) Zinnoxid-Schicht sind in der nachfolgenden Tabelle angeführt.
    Parameters SnO Zyklen Temperatur (°C) Druck (Torr)
    10 120 0,45
  • Eine thermische Nachbehandlung (”Glühen” oder ”Annealing”) der Zwischenschicht nach der ALD wurde bei den hier beschriebenen Beispielen nicht durchgeführt, hat sich aber in anderen Versuchen als nützlich erwiesen.
  • Nach dem Auftragen der Zinnoxid-Zwischenschicht wird eine Standard-Pufferschicht, bzw. Emitterschicht, durch Chemische Badabscheidung (chemical bath deposition, CBD, siehe „David B. Mitzi: Solution processing of inorganic materials. Wiley-Interscience, 2009, ISBN 978-0470406656, S. 200”) aufgebracht. Hierzu wurde die Oberfläche für 10 min mit einer frisch hergestellten und auf 70°C bis 75°C temperierten wässerigen Lösung der Präkursor-Verbindungen Cadmiumacetat Cd(Ac)2 bzw. Zinkacetat Zn(Ac)2, Ammoniumacetat NH4Ac, Thioharnstoff und 30% Ammoniumhydroxid NH4OH in Kontakt gebracht. Dabei hat sich das Puffermaterial (hier Cadmiumsulfid bzw. Zinksulfid) als dünner Film abgeschieden.
  • Als Puffermaterialien wurden das Standard-Material Cadmiumsulfid und zum Vergleich auch das bisher weniger verwendete Zinksulfid eingesetzt. Dieser Vergleich hat demonstriert, dass die durch Zinnoxid erreichte Verbesserung unabhängig von der Art des verwendeten Puffer-Materials ist. Die CBD-Bedingungen ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle.
  • Nach dem Aufbringen der Puffer-Schicht wurde als Fensterelektrode bzw. transparenter Frontkontakt in einer Standard-Anlage der Firma AJA International, Inc., N. Scituate, MA, USA (AJA-ATC1800) Aluminium-dotiertes Zinkoxid aufgesputtert.
  • Die Rückseite der Monokornmembran wurde entsprechend WO 2010/000581 A2 auf der Rückseite poliert und mit Graphitpaste kontaktiert. Die so erhaltenen Solarzellen wurden mit einer im Kalibrierlabor des FHG ISE in Freiburg, Deutschland, kalibrierten CZTS-Solarzelle in einem kalibrierten Sonnensimulator-Teststand vermessen.
  • Die nachfolgende Tabelle fast die Ergebnisse zusammen. Aus den Strom-Spannungskurven der Solarzellen ermittelte Parameter der Solarzellen:
    Zwischenschicht Pufferschicht Voc [mV] FF [%] Jsc [mA/cm2] Eff. [%]
    SnOx ALD 10 Zyklen CdS 30 nm 724 55,8 12,9 5,21
    keine CdS 30 nm 666 53,30 13,75 4,88
    SnOx ALD 10 Zyklen ZnS 5 nm 719 53,91 13,43 5,21
    SnOx ALD 10 Zyklen ZnS 10 nm 707 50,68 13,33 4,78
    keine ZnS 10 nm 617 53,8 12,5 4,14
  • Die Leerlaufspannung Voc der Referenzzelle von 666 mV entspricht der üblicherweise erhaltenen Leerlaufspannung von CZTS-Solarzellen. Diese wird in allen mit einer Zinnoxid-Zwischenschicht hergestellten Solarzellen deutlich übertroffen. Es wurde wiederholt beobachtet, dass eine 5 nm dicke ZnS-Schicht eine höhere Zellspannung und einen höheren Wirkungsgrad ergibt als eine 10 nm dicke Puffer-Schicht. Die Verwendung von CdS ergab eine noch höhere Zellspannung. Der Wirkungsgrad ist aber wegen des bei CdS etwas geringeren Kurzschlussstromes nicht weiter angestiegen.
  • Gemäß einem zweiten Beispiel wurden Standard Monokorn-Membran-Solarzellen hergestellt wie in der WO/2010/000581 A2 beschrieben. CZTS-Pulver wurde als Ausgangsmaterial mit und ohne Zinnoxid-Zwischenschichten verglichen. In diesem Fall wurde aber das Pulvermaterial schon vor seiner Einbettung in die Epoxy-Schicht der Membran unterschiedlichen Ätzprozessen unterworfen. Ein Vergleichspulver wurde nicht geätzt, ein Pulver wurde nur in einer 1 Volumen-prozentigen Lösung von Brom in Methanol (Br2/MeOH) geätzt, eine Probe wurde ebenso, dann aber zusätzlich mit einer 1 Mol-prozentigen alkalischen KCN-Lösung geätzt, eine vierte Probe wurde nur in dieser alkalischen KCN-Lösung geätzt.
  • Eine genaue Untersuchung der Oberfläche wurde mit Hilfe von Raster-Elektronenmikroskopie durchgeführt (Zeiss HR SEM ULTRA 55 mit Winkelselektivem Rückstreu-Elektronen-Detektor (SEM-AsB) und Energiedispersiver Spectroscopy (EDX)), von Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS, in einem Kratos Analytical AXIS ULTRA DLD Spektrometer mit monochromatischer Al Ka Röntgen-Quelle und achromatischer Mg Ka/Al Ka Zweifach-Anoden-Röntgen-Quelle der Firma Shimadzu, Tokyo, Japan).
  • Die XPS-Untersuchungen (siehe 2) zeigen, dass die Oberfläche der CZTS-Pulver nach dem Ätzen mit der Brom/Methanol-Lösung von einer dünnen Zinnoxid-Schicht überzogen war. Diese blieb auch in einem nachfolgenden KCN-Ätzprozess erhalten. Sie existierte nicht auf der nicht-geätzten Oberfläche und entstand auch nicht während der sich anschließenden Abscheidung der CdS-Pufferschicht, wie durch an die CdS-Abscheidung anschließendes Absputtern durch Ionenbeschuss im XPS-Spektrometer mit anschließender Oberflächenanalyse festgestellt wurde. Das heißt auch hier entsteht ein Bauelement bei dem sich eine wenige Nanometer dicke SnO Zwischenschicht zwischen der CZTS Absorberschicht und der CdS Pufferschicht befindet Die SnO-Zwischenschicht und CdS Pufferschicht umgeben die Teilchen wie in 1b zu sehen. Diese Zwischenschichten sind dann aber durch das Polieren auf der Rückseite unterbrochen. Sie bilden zwar prinzipiell eine Art ”Kurzschluss” durch die Membran, der allerdings wegen der geringen Schichtdicken der Zwischenschichten so hochohmig ist, dass er das Bauelement in seiner Funktion nicht beeinträchtigt.
  • Für den Wirkungsgrad der verschiedenen Solarzellen wichtiger war aber der Einfluss der Zwischenschichten auf die erzielten Photospannungen..
  • Aus den Strom-Spannungskennlinien lassen sich die Solarzellenparameter durch Fitten der Kurven und unter Anahme eines Ersatzschaltbild basierend auf dem klassischen Diodenmodell mit Parallel- und Serienwiderstand ermittlen. Die nachfolgende Tabelle enthält die Werte für ein Solarzelle mit ungeätztem (Referenz) und geätztem Absorbermaterial Die geätzten und daher eine Zinnoxid Zwischenschicht enthaltenden Solarzellen zeigen höhere Wirkungsgrade wegen erhöhter Photospannungen (Voc). Parameter von Solarzellen, die ohne (Referenzzelle) und mit verschiedenen Ätzverfahren verbessert worden sind:
    Voc mV Jsc, mA/cm2 FF % η %
    Referenz 706 14,2 58 5,85
    Brom-geätzt 743 14,6 63 6,88
  • Da in diesem Falle die sich bildende Zinnoxid-Zwischenschicht nur als Nebenreaktion des einer Entfernung von auf der Oberfläche der CZTS-Pulver abgeschiedenen Fremdverbindungen dienenden Ätzens der Oberfläche entstand, konnte die Schichtdicke nicht kontrolliert werden. Dennoch zeigte sich eine klare Verbesserung der Solarzellen gegenüber der nicht geätzten Referenzzelle.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2010/000581 A2 [0005, 0033, 0039, 0042]
    • US 5899704 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • David B. Mitzi: Solution processing of inorganic materials. Wiley-Interscience, 2009, ISBN 978-0470406656, S. 200 [0036]

Claims (13)

  1. Elektronisches Bauteil, insbesondere Solarzelle, mit einer Absorberschicht aus intrisischem oder dotiertem Halbleitermaterial (2), die zusätzlich ein Bindermaterial (3) enthalten kann einer Kontaktschicht aus dotiertem Halbleitermaterial (5), wobei die Schichten (2, 3, 5) 1sich elektrisch zwischen einem elektrischen Kontakt (1) und einem elektrischen Kontakt (6) angeordnet sind, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Anordnung, aber auch bei geschlossener Schicht (3) auch nebeneinander auf nur einer Seite der Anordnung befinden können, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht (4) im Übergangsbereich zwischen den Schichten (2) und (5) aus Halbleitermaterial vorgesehen ist, die eine Barriere für die Majoritätsladungsträger der Absorberschicht (2) bzw. für die Minoritätsladungsträger der Kontaktschicht 5 bildet.
  2. Elektronisches Bauteil, insbesondere Solarzelle, mit einer Schicht mit p-dotiertem Halbleitermaterial (2, 3), einer Schicht mit n-dotiertem Halbleitermaterial (5), wobei die Schichten (2, 3, 5) mit Halbleitermaterialien zwischen einem elektrischen Rückkontakt (1) und einem elektrischen Frontkontakt (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht (4) zwischen den Schichten (2, 3, 5) mit Halbleitermaterial vorgesehen ist, die eine Barriere für frei bewegliche Majoritätsladungsträger bildet.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) aus einem Metalloxid, vorzugsweise aus Zinnoxid und/oder Zinkoxid gebildet ist.
  4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten (2, 3) aus Halbleitermaterial um ein Vielfaches dicker ist als die Zwischenschicht (4) und/oder um ein Vielfaches dicker ist als die andere Schicht (5) mit dotiertem Halbleitermaterial.
  5. Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die um ein Vielfaches dickere Schicht (2, 3) p-dotiertes Halbleitermaterial (2) umfasst.
  6. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) dünner als 20 nm, vorzugsweise dünner als 10 nm, ist.
  7. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schichten (2, 3) mit Halbleitermaterial mehr als 100 nm dick ist, vorzugsweise mehr als 1 μm dick ist.
  8. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) mit dotiertem Halbleitermaterial dünner als 150 nm, vorzugsweise dünner als 20 nm, ist.
  9. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten (2, 3) mit dotiertem Halbleitermaterial Cu2ZnxSn1-x(SySe1-y)4 mit x, y = 0–1 als Halbleitermaterial umfasst.
  10. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schichten (5) mit dotiertem Halbleitermaterial Cadmiumsulfid und/oder Zinksulfid oder die entsprechenden -oxisulfide als reine Komponenten oder Bestandteile fester Lösungen umfasst.
  11. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Kontakt (1, 6) Aluminium-dotiertes Zinkoxid oder Graphit umfasst.
  12. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht (2, 3) mit Halbleitermaterial eine Monokornmembran ist.
  13. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine CZTS-Solarzelle, eine CdTe- oder eine CIGS-Solarzelle ist.
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