DE2818261C2 - Verfahren zur Herstellung von Galliumarsenid-Solarzellen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Galliumarsenid-Solarzellen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Galliumarsenid-Solarzellen, bei dem man auf eine Oberfläche eines Substrats vom p-Typ bei einer vorbestimmten Temperatur eine dünne Schicht aus n-Galliumarsenid epitaxial aufwachse» läßt
Aus dem Buch von H..]. Hovel: »Solar Cells«, Semiconductors and Semimetals, VoL M, Academic Press, New York, 1975, Seiten 94, 100, IiI-192, ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem man ein aus GaAs oder einem anderen Material bestehendes Substrat mit einer Ga-Schmelze in Kontakt bringt, die mit GaAs gesättigt ist Die Schmelze hat eine Temperatur von etwa 9000C und wird langsam abgekühlt, um eine Epitaxialschicht von GaAs auf dem Substrat zu erzeugen. Zur Erzeugung von GaAs vom p- oder η-Typ kann die Schmelze mit einem entsprechenden Dotierungsmittel versehen sein. Auf diese Weise sind GaAs-Solarzellen mit GaAs-Schichten definierter Dicke herstellbar. Generell nimmt die bei konstanter Sonneneinstrahlung erzielbare Stromdichte mit der Dicke der GaAs-Schicht zu; ab einer Schichtdicke von 2 bis 3 μΐη findet jedoch nur noch eine geringe Zunahme der Stromdichte als Funktion der Schichtdicke statt.
Für diese bekannten Solarzellen findet als Substrat gewöhnlich ebenfalls Galliumarsenid oder aber GaI-liumaluminiumarsenid Verwendung. Trotz der relativ geringen Dicke der Schicht aus n-Galliumarsenid ist daher der Verbrauch an sehr kostspieligem Gallium sehr hoch. Demgemäß sind die bekannten GaAs-Solarzellen in ihrer Herstellung sehr teuer. Weiterhin besteht grundsätzlich ein Bedürfnis dafür, den Umwandlungs-Wirkungsgrad von Solarzellen so günstig wie nur irgend möglich zu gestalten=
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die zur Herstellung von Galliumarsenid-Solarzellen benötigte Menge an Gallium stark reduziert und gleichzeitig der Umwandlungs-Wirkungsgrad der nach dem Verfahren hergestellten Solarzelle verbessert wird.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß als Substrat Aluminiumphosphidantimonid, Aluminiumindiumphosphid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid verwendet wird, und daß vom Substrat her Störstellen vom p-Typ in das benachbarte Gebiet der Gal liumarsenidschicht eindiffundieren und darin den fotoelektrisch wirksamen pn-Obergang bilden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher nur eine äußerst dünne Schicht aus Galliumarsenid auf
ίο einem Substrat aufgebracht, das kein Gallium enthält, wodurch eine sehr erhebliche Einspännig an Gallium erzielt wird. Die verwendeten Substratmaterialien sind als Fenstermaterial für die Solarzelle geeignet und zeichnen sich sowohl durch eine große Bandlücke als auch durch eine gute Obereinstimmung zwischen ihrem ■Gitter und dem Gitter des Galliumarsenids aus, so daß es möglich ist, auf die ausgewählten Materialien eine wirklich sehr dünne Schicht aus Galliumarsenid aufwachsen zu lassen. Die große Bandlücke und die ausge- zeichnete Übereinstimmung der Gitterstrukturen zwischen Substrat und Galliumarsenidschicht bewirken eine Verbesserung der Transmission des blauen Spektralanteiles des Sonnenlichtes in der Solarzelle auf dem Weg zum fotoelektrisch wirksamen Bereich, wodurch die angestrebte Verbesserung des Umwandlungs-Wirkungsgrades erzielt wird. Die Dicke der Galliumarsenidschicht kann dabei zwischen 1 und 5μπι eingestellt sein.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der
Zeichnung veranschaulichten Verfahrensschritte sowie einer nach der Erfindung hergestellten Solarzelle näher beschrieben und erläutert Es zeigt
F i g. 1 bis 3 die bei der Herstellung einer Solarzelle unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten bzw. entstehenden Ausgangs- und Zwischenprodukte sowie
F i g. 4 eine isometrische Ansicht einer Solarzelle, bei deren Herstellung das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wurde.
In F i g. 1 ist ein Ausgangsinateriol für ein Substrat 10 vom p-Typ gezeigt, das vorzugsweise aus Aluminiumphosphidantimonid oder Aluminiumindiumphosphid besteht und das mit einer Verunreinigung vom p-Typ wie Be oder Ge geeignet dotiert ist. Das Substrat 10 wird typischerweise eine Dicke von der Größenordnung von 200 bis 250 Mikrometer aufweisen und hat einen großen Bandabstand, größer als 2 eV, um eine gute Lichttransmission zum pn-übergang der Solarzelle zu schaffen. Zusätzlich ist die Zusammensetzung des SuL- strats 10 vom p-Typ so eingestellt, daß eine gute Kri stallgitteranpassung für die dünne Epitaxialschicht 12 aus n-Galliumarsenid vorhanden ist, das auf der oberen Fläche des Substrats 10 abgeschieden wird, wie in F i g. 2 gezeigt ist.
Vorzugsweise wird das Verfahren zur Epitaxialabscheidung, das zur Bildung der dünnen Schicht 12 vom η-Typ verwendet wird, unter Verwendung der im US-Patent 40 26 735 beschriebenen Techniken durchgeführt, die von einem vertikal verschiebbaren Graphit- stab und dem Wachstum in einer gesättigten Lösung Gebrauch machen. Die Epitaxialschicht 12 aus Galliumarsenid wird typischerweise eine Dicke von 1 bis 5 Mikrometer haben und wird einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von ungefähr 10-3/3 cm haben. Während des Verfahrensschritts des epitaxialen Wachstums zur Bildung der Schicht 12 werden Störstellen vom p-Typ wie Germanium oder Beryllium vom Substrat 10 in einen Abschnitt 13 der Epitaxialschicht
12 diffundiert, um in ihr den pn-übergang 14 zu bilden, wie in F i g. 2 durch die gestrichelte linie angedeutet ist Verglichen mit dem relativ seltenen und teuren Element Gallium, das für übliche Ausgangsmaterialien für ein GaAs-Substrat benötigt wird, ist insbesondere Aluminium ein weithin verfügbares und billiges Element Daher verringert die Verwendung der genannten Substratmateralieri (anstatt von Gallium) die Herstellungskosten für die Solarzellen im Vergleich mit den Kosten für bekannte Verfahren stark, die Galliumarsenid-Substrate als Ausgangsmaterial für das Verfahren verwenden.
Die Struktur in F i g. 2 wird dann zu einer üblichen Station zur Abscheidung von ohmschen Kontakten gebracht, in der eine Kontaktschicht 16 vom η-Typ, zum Beispiel eine Gold-Germanium-Nickel-Legierung auf die exponierte Oberfläche der Epitaxialschicht 12 aufgedampft wird. Fingerähnliche Elektroden 18 einer Metallisierung vem p-Typ, zum Beispiel eine Gold-Zink-Gold-Legierung, werden dann abgeschieden, wobei bekannte und geeignete Techniken der Widerstandsmaskierung verwendet werden, um nur ausgewählte Flächen der exponierten Oberfläche der Fensterschicht 10 vom p-Typ zu überziehen. Eine geeignete Antirefiex-Beschichtung 20, beispielsweise Tantaloxid, Ta2O5 wird zwischen den Elektrodengliedern abgeschieden, wie in Fig.3 gezeigt ist, und hat üblicherweise einen Brechungsindex von ungefähr 2,1. Endlich wird die Struktur von F i g. 3 in Quarzglas (nicht dargestellt) eingekapselt und dieses Deckglas wird vorzugsweise eine Beschichtung von Magnesiumfluorid, MgF2, auf seiner Oberfläche aufweisen, um die Lichtreflexion an der Außenseite des Bauelements zu minimieren.
Die Struktur von F i g. 3 kann, wie in F i g. 4 gezeigt ist, auf einen geeigneten metallischen leitenden Tragteil 22, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, aufgeklebt werden, und bei der praktischen Verwirklichung werden viele dieser Solarzellenstrukturen in Serie und parallel auf einem viel größeren Tragteil (nicht dargestellt) bei der Herstellung von großen Solarzellenanordnungen, die für die Gewinnung von relativ großen Beträgen elektrischer Energie arbeiten, befestigt
Zum Aufbringen der Galliumarsenidschicht kann auch eine Epitaxie aus der Dampfphase (VPE) verwendet werden anstatt der Epitaxie aus der flüssigen Phase.
Beispiel
Ein Substrat aus einem mit Beryllium dotierten Alu- so miniumposhidantimonid der Zusammensetzung AlPo3sSb(?75 wird am Anfang gereinigt und poliert, wobei übliche Techniken für die Verarbeitung von Halbleiterplättchen verwendet werden, und wird dann in einer gesättigten Lösung von Galliumarsenid in GaI-Hum untergetaucht, wobei die oben angegebenen Techniken des US-Patents 40 26 735 der Epitaxialablagerung unter Verwendung eines vertikal verschiebbaren Stabs verwendet werden. Die Konzentration der Be-Dotierung in dem AlPoisSbojs-Substrat ist vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 10t8 Atomen pro cm3, und die Lösung von GaAs in Ga wird 201 Beginn entweder mit Te oder mit Sn auf eine Konzentration von ungefähr 1017 Atomen pro cm3 oder größer dotiert Während dieses Epitaxie-Wachstumsprozesses mit flüssiger Phase (LPE) wächst eine 5 Mikrometer dünne Epitaxialschicht aus n-GaAs mit einem spezifischen Widerstand von 10~3.ßcm auf dem AlPotHSbo/5-Substrat vom p-Typ, wobei das Substrat einen Bandabstand von mehr als 23 eV hat Durch Verminderung der ursprünglichen Lösungswachstumstemperatur von ungefähr 7500C oder mehr mit einer Rate von ungefähr 0,20C pro Minute für ungefähr 5 Minuten kann man eine dünne Schicht von n-GaAs von ungefähr 5 Mikrometer Dicke auf dem Be-dotierten Aluminiumphosphidantimonid-Substrat wachsen lassen, und die Te- oder Sn-Dotierung von η-Typ der Lösung von GaAs in Ga liefert einen pn-Obergang in der dünr^n GaAs-Epitaxialschicht bei einer Tiefe von zwischen ύ? und Op Mikrometer von der Substrat-Epitaxialschicht-Grenzfläche. Nach der Bildung der grundlegenden pn-Obergangsstruktur, die oben beschrieben wurde, werden die Kontakt- und Überzugsschichten 16, 18 und 20 von F i g. 3 und 4 an ihren Außenflächen angeordnet, wobei übliche Metallisierungstechniken verwendet werden.
Statt Aluminiumphosphidantimonid gemäß obigem Bescheid kann als Ausgangsmaterial für das Substrat auch Aluminiumindiumphosphid mit der Zusammensetzung Alo.4oIno,6oP und mit einem Bandabstand von mehr als 2 eV verwendet werden, sowie auch Aluminiumnitrid cder Bornitrid, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Das heißt, entweder das Al oder das B in den zuletzt genannten binären Verbindungen würde die erforderliche p-Leitfähigkeit des Substrats für die nachfolgende Umwandlung in die n-Leitfähigkeit durch die Sn- oder Te-Dotierung der Lösung von GaAs in Ga ergeben. Weiterhin kann die Verwendung von B und N zusätzlich zu Al in dem Ausgangssubstratmateridl zu einer höheren Energie der verbotenen Zone des Substats führen, als die der oben beschriebenen ternären Verbindungen. Es sollte jedoch eine gu\c Anpassung des Kristallgitters zwischen der alternativen binären Verbindung für das Substrat-Fenstermaterial und der darauf abgeschiedene GaAs-Epitaxialschicht aufrecht erhalten werden für eine maximale Leistung der Solarzelle. So macht der weltumfassende Überfluß an B und N die oben beschriebenen Substrat-Fenstermaterialien aus binären Verbindungen wirtschaftlich attraktiv für die Fabrikation von Solarzellen bei niedrigen Kosten aus den gleichen Gründen, wie der Überfluß an Al die Mu.iiJiium enthaltenden ternären Verbindungen für diese Herstellung attraktiv macht
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Galliumarsenid-Soiarzellen, bei dem man auf eine Oberfläche eines Substrats vom p-Typ bei einer vorbestimmten Temperatur eine dünne Schicht aus n-Gallhimarsenid epitaxial aufwachsen läßt, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (10) Aluminiumphosphidantimonid, Aluminiumindiumphosphid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid verwendet wird, und daß vom Substrat (10) her Störstellen vom p-Typ in das benachbarte Gebiet der Galliumarsenidschicht (12) eindiffundieren und darin den fotoelektrisch wirksamen pn-Obergang (14) bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche des Substrats einer gesättigten Lösung von Galliumarsenid in Gallium ausgesetzt und die Temperatur der Lösung zur Steuerung der Dicke der Galliumarsenidschicht mit kontrollierter Geschwindigkeit vermindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Galliumarsenidschicht (12) zwischen 1 und 5 pm eingestellt wird.
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