DE4201126A1 - Duennschicht-halbleiterbauelement fuer photoelektrische energieumwandlung - Google Patents

Description

Bei Halbleiterbauelementen, insbesondere Dünnschichtsolarzellen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2 ist der Anteil des in der aktiven Schichtfolge, in der mittels Photoeffekt elektrische Ladungsträger erzeugt und getrennt werden, absorbierten Lichtes am insgesamt einfallenden Licht ein bestimmender Faktor für den Wirkungsgrad des Bauelementes. Eine größere Dicke der aktiven Schichtfolge verbessert zwar deren Lichtabsorptionsvermögen, verschlechtert aber i.a. dennoch den Wirkungsgrad, da höhere Verluste bei der Trennung der photogenerierten Ladungsträger auftreten. Dies gilt besonders auch für Dünnschichtsolarzellen mit amorphen Silizium- oder Mischhalbleiterstrukturen.

Es sind verschiedene Maßnahmen bekannt, die Gesamtabsorption des auftreffenden Lichtes und damit den erzielbaren Kurzschlußstrom und den Wirkungsgrad der Energieumwandlung zu erhöhen.

So wird die Deposition von Tandem- oder Stapelstrukturen für Solarzellen vorgeschlagen. Diese bestehen aus mehreren in Lichteinfallsrichtung hintereinanderliegenden photoelektrisch aktiven Schichten. Lichtanteile, die in vorhergehenden aktiven Schichtfolgen nicht absorbiert wurden, sollen in nachgeordneten aktiven Schichten absorbiert werden, wobei häufig aktive Schichten mit unterschiedlichem Halbleiter- Bandabstand zwecks wellenlängenselektiver Absorption verwendet werden. Bekannt sind aber auch Solarzellenstrukturen mit zwei oder mehr aktiven Schichtfolgen gleichen Bandabstands aus amorphem Silizium (siehe M.S. Benett et al., Proc. 20th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas, 1988, S. 67-72), da sich bei amorphen Silizium-Solarzellen die Stabilität gegen Degradation des Wirkungsgrades durch Fertigung möglichst dünner Zellenschichten verbessern läßt. Solche Stapelzellen erfordern jedoch zur Erzielung des maximalen Wirkungsgrades eine exakte Strom- und damit Absorptionsanpassung der einzelnen elektrisch in Serie geschalteten Zellen. Die Schichtdicken der einzelnen Zellen sind durch diese Anpassung festgelegt und können nicht mehr frei nach anderen Kriterien, wie z. B. Stabilität, optimiert werden, z. B. erfordert eine optimierte a-Si/a-Si Tandemzelle eine Dicke der zweiten aktiven Schicht von mehr als 300 nm (siehe R. Saeng-udom et al., Proc. 10th Europ. Photovoltaic Solar Energy Conference, Lissabon, 1991, S. 212- 215). Die begrenzte Rekombinationsgeschwindigkeit der Elektron-Lochpaare an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Zellen einer Stapelstruktur führt zu erhöhtem Serienwiderstand und größerer Verlustleistung.

Eine weitere Maßnahme zur Absorptionsverbesserung wird von J. Kane in der US-PS 45 32 537 offenbart. Dort ist die Deposition leitfähiger Kontaktschichten mit statistischer Oberflächenstrukturierung auf einem planen Träger gezeigt. Diese Strukturierung ist mikroskopisch dimensioniert, d. h. die typischen Strukturen sind Mikrokristallite mit Abmessungen charakteristisch im Bereich der Wellenlängen des einfallenden sichtbaren Lichtes oder darunter. Damit soll eine Streuung mit nachfolgender interner Totalreflexion desjenigen Lichtanteils erzielt werden, der in die zwischen die Kontaktschichten eingebettete aktive Schichtfolge eingekoppelt wird. Die Abscheidung solcher texturierter Kontaktschichten mit einer optimalen Struktur ist aber technologisch schwieriger zu handhaben als diejenige glatter Kontaktschichten. Die Mikrokristallite an der Oberfläche der strukturierten Kontaktschichten weisen zudem statistisch verteilte Spitzen und Kanten auf. Dies kann zu Dicken- und Feldinhomogenitäten der darauf abgeschiedenen aktiven Schichtfolge und damit zu verminderter Grenzflächenqualität, geringerer Leerlaufspannung und geringerem Wirkungsgrad führen.

Zur Verbesserung der Blauempfindlichkeit einer amorphen Silizium-Solarzelle wird von H. Itoh et al. (siehe Proc. 5th Int. Photovoltaic Science and Engg. Conf., Kyoto, 1990, S. 533-536) die Deposition einer glatten Kontaktschicht auf einem mit V-förmigen Erhöhungen strukturierten Glasträger vorgeschlagen, auf der ihrerseits eine aktive Schichtfolge auf der Basis von amorphem Silizium abgeschieden wird. Die Vertiefungen sind makroskopisch dimensioniert, d. h. ihre maximale Breite und Tiefe sind größer als die Wellenlängen des sichtbaren Lichtes und betragen jeweils ungefähr 100 µm, ihr Öffnungswinkel circa 60°. Die Dicke der aktiven pin-Schichtfolge ist dort identisch mit der Dicke der auf texturiertem SnO₂ aufgebrachten Vergleichszellen gewählt, sie ist bei Wirkungsgraden um 10% oder etwas darüber größer als ungefähr 450 nm (siehe N. Fukuda et al., Proc. 20th IEEE Photovolt. Spec. Conf., Las Vegas, 1988, S. 247-250; und P. Chauduri et al., Proc. 5th Int. Photovolt. Science and Engg. Conf., Kyoto, 1990, S. 641-644). Die verbesserte Blauempfindlichkeit der Zelle wird auf einen gegenüber texturierten Kontaktschichten erhöhten Transmissionsgrad der verwendeten glatten, V-förmigen SnO₂-Kontaktschicht zurückgeführt. Es wird jedoch gleichzeitig eine geringere Rotempfindlichkeit festgestellt, die mit einer gegenüber texturierten Strukturen geringeren Lichteinfangfähigkeit erklärt wird. Insgesamt ergibt sich für diese bekannte Solarzelle keine signifikante Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber den Zellen mit texturierten Strukturen mikroskopischer Dimensionierung.

Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht in der Schaffung eines Dünnschicht-Halbleiterbauelementes mit hoher Lichtabsorptionsfähigkeit und hohem Wirkungsgrad.

Dieses Problem wird von einem Dünnschicht-Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 2 gelöst. Die Erhöhungen bzw. Vertiefungen sind makroskopisch dimensioniert, so daß für den Strahlverlauf die Gesetze der geometrischen Optik gelten, und ihre Randflächen sind so gestaltet, daß die allermeisten der in die erhöhten bzw. vertieften Bereiche gelangenden Lichtstrahlen eine mehrmalige Reflexion an den Randflächen erfahren, wenn das Licht nicht zuvor absorbiert wurde. Aufgrund dieser durch die makroskopische Oberflächenstrukturierung erreichten gezielten Lichtstrahlführung treffen die noch nicht absorbierten Lichtanteile nach Reflexion an der Grenzfläche Träger/Kontaktschicht oder an der reflektierenden Rückkontaktschicht mehrfach wieder auf die aktive Schichtfolge auf und haben dort jeweils erneut die Chance, absorbiert zu werden. Das meiste nicht zwischenzeitlich vor allem in der aktiven Schichtfolge absorbierte Licht trifft so wiederholt, in günstigen Fällen mehr als viermal, von der Lichteinfallsrichtung her auf die aktive Schicht auf. Wie schon oben erwähnt, sind auch die an den brechungsindexändernden Grenzflächen vor der aktiven Schichtfolge reflektierten Lichtanteile nicht verloren, sondern werden durch Auftreffen auf die aktive Schicht nach einer Reflexion größtenteils mit genutzt. Es treten deshalb keine praktisch relevanten Reflexionsverluste am Übergang Glas/Kontaktschicht/aktive Schicht auf. Nur ein äußerst geringer Lichtanteil wird das Bauelement endgültig ungenutzt in der dem Lichteinfall entgegengesetzten, rückwärtigen Richtung verlassen. Insgesamt sind gegenüber den bekannten Bauelementen bei geringerem technologischem Aufwand und unkritischerer Dimensionierung der einzelnen Schichtdicken eine vergleichbare oder höhere Gesamtabsorption, höhere Energieumwandlungswirkungsgrade und, im Fall amorpher Halbleiter, eine höhere Stabilität erzielbar. Insbesondere ermöglicht dies die Verwendung vergleichsweise sehr dünner und daher gegen Degradation stabilerer aktiver Schichten, z. B. a-Si pin-Schichtfolgen, ohne Einbußen bei der Lichtabsorption. Die bekannte Texturierung der transparenten leitfähigen Kontaktschichten kann entfallen.

Mit dieser makroskopisch dimensionierten Strukturierung ist es gleichzeitig möglich, eine gegenüber einem nicht profilierten Träger effektive Oberflächenvergrößerung und damit eine Vergrößerung der aktiven Zellfläche sowie des absorbierenden Zellvolumens bei gegebener Bauelementfläche zu erreichen, wobei i.a. ein möglichst geringer Teil der Randflächen senkrecht zur Lichteinfallsrichtung verläuft. Die Größenskalierung der Profile, d. h. der Erhöhungen oder Vertiefungen, hat auf den Strahlverlauf keinen Einfluß, weswegen sie zur Optimierung nach anderen Kriterien frei bleibt; beispielsweise kann eine technologisch einfach erzeugbare Strukturdimensionierung gewählt werden.

Alternativ sieht die Erfindung entweder die Strukturierung der Rückseite eines transparenten Trägers (Anspruch 1), z. B. eines Glasträgers oder der Vorderseite eines nichttransparenten, elektrisch leitenden, als Rückkontakt dienenden Trägers vor (Anspruch 2), wobei zur Fertigstellung des Bauelementes die jeweils erforderlichen weiteren Schichten auf die strukturierte Oberfläche aufgebracht werden.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist eine Strukturierung derart vorgesehen, daß eine wenigstens viermalige Reflexion an den Randflächen stattfindet. Dies ergibt einen sehr geringen Lichtverlust, selbst bei sehr dünnen aktiven Schichten kann das meiste Licht dort absorbiert werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist fertigungstechnisch ohne großen Aufwand realisierbar, wobei der geringe Öffnungswinkel eine mindestens viermalige Reflexion an den Sägezahnflächen gewährleistet.

Eine ebenfalls mit geringem Aufwand herstellbare Strukturierung ist durch Anspruch 5 gegeben, wobei der gegenüber dem weiter oben zitierten, bekannten V-Profil wesentlich kleinere Öffnungswinkel des V-förmigen Profils erst eine wenigstens viermalige Reflexion des überwiegenden Teils des einfallenden Lichtes ermöglicht.

Eine Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 nutzt die Tatsache aus, daß es aufgrund der sehr effektiv lichteinfangenden Trägerstruktur möglich ist, die Dicke der aktiven Schicht sehr dünn zu wählen, ohne den Lichtabsorptionsgrad gegenüber bekannten Zellen zu verschlechtern. Gleichzeitig erhöht sich durch die geringe Schichtdicke die Stabilität gegen Degradation, insbesondere bei amorphem Zellenmaterial, und damit der Wirkungsgrad.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen ausschnittweisen Querschnitt einer Dünnschicht-Solarzelle mit sägezahnförmige Erhöhungen aufweisender Glasträgerstrukturierung,

Fig. 2 einen ausschnittweisen Querschnitt einer Dünnschicht-Solarzelle mit V-förmig strukturiertem, reflektierendem Rückkontaktträger und

Fig. 3 einen ausschnittweisen Querschnitt einer Dünnschicht-Solarzelle analog Fig. 1, jedoch mit anders gestalteten Erhöhungen.

Die in Fig. 1 in einem schematischen, nicht maßstabsgetreuen, Querschnitt dargestellte Solarzelle beinhaltet eine Glasplatte (1) als Träger. Deren vordere, dem einfallenden Licht, für das stellvertretend ein Lichtstrahl (6) eingezeichnet ist, zugewandte Fläche (1a) ist plan und bildet gleichzeitig die Vorderfront der Solarzelle. Die gegenüberliegende, rückseitige Fläche (1b) des transparenten Glasträgers (1) ist mit einer regelmäßigen Strukturierung versehen. Diese besteht aus sägezahnförmig aneinandergereihten Erhöhungen (5), wobei deren Flanken (5a, 5b), die die Randflächen der Erhöhungen (5) bilden, einen Winkel (α₁) von ungefähr 30° einschließen und eine Flanke (5b) etwa senkrecht zur planen Trägervorderseite (1a) verläuft. Die Dimensionierung der Sägezahn-Erhöhungen (5) ist makroskopisch, d. h. ihre Tiefe und Basisbreite sind größer als ca. 1 µm und nach oben nur durch die Dicke des Trägers begrenzt. Wie schon erwähnt, hat die Größenskalierung der Profile keinen Einfluß auf die Strahlführung des Lichtes und die Wirkungsweise der Struktur.

Auf diese tiefenprofiliert strukturierte Glasträgerrückseite (1b) ist eine transparente, elektrisch leitfähige Oxidschicht (2) aufgebracht, die üblicherweise aus Zink- oder Zinnoxid besteht. Diese Schicht (2) dient als Frontkontakt der Zelle. Auf der Frontkontaktschicht (2) ist eine photoelektrisch aktive Schichtfolge (3) abgeschieden, die hier aus einer pin-Struktur auf der Basis von amorphem Silizium mit einer Dicke von ca. 300 nm oder weniger gebildet ist. Auf die aktive Schichtfolge (3) wiederum ist eine reflektierende Rückkontaktschicht (4), z. B. aus Silber, aufgebracht. Deren Schichtdicke ist unkritisch, die Schicht (4) muß lediglich die beiden Funktionen Reflexion des auftreffenden Lichtes und elektrische Leitfähigkeit zufriedenstellend erfüllen. Dies ist bereits durch eine einkomponentige, dünne Silberschicht gewährleistet, alternativ kann aber auch eine aus mehreren übereinanderliegenden Schichten bestehende Rückkontaktschicht vorgesehen sein, bei der die beiden genannten Funktionen von unterschiedlichen Einzelschichten übernommen weren.

In Fig. 1 ist des weiteren der mit Pfeilen charakterisierte typische Lichtstrahlverlauf anhand eines einzelnen Lichtstrahls (6) gezeigt. Das Licht trifft zunächst unter einem, vorzugsweise relativ großen, Winkel (β) auf die im wesentlichen plane Vorderseite (1a) auf. Wegen des hohen Transmissionsgrades der Luft/Glas-Grenzfläche gelangt fast alles Licht in den Glasträger (1). Glas selbst hat eine sehr geringe Absorption, so daß das Licht vom vorderen in den rückwärtigen, tiefenprofilierten Bereich des Glasträgers (1) gelangt. Dort tritt es in die Bereiche der sägezahnförmigen Erhöhungen (5) ein und trifft an deren geneigten Flanken (5b) auf die Grenzfläche Glas/Frontkontaktschicht auf. Ein geringerer Teil des Lichtes wird reflektiert, der größere Teil - anhand des Lichtstrahls 6 illustriert - dagegen transmittiert. Der letztere Teil trifft dann wegen des ebenfalls geringen Absorptionsgrades der Frontkontaktschicht (2) fast vollständig auf die Grenzfläche Kontaktschicht/aktive Schichtfolge, wo ebenfalls wieder ein geringerer Teil reflektiert und ein größerer transmittiert wird. Dieser transmittierte Anteil durchquert nun erstmals die aktive Schichtfolge (3), in der Photonen unter Erzeugung elektrischer Ladungsträger nutzbringend im Sinne einer Energieumwandlung absorbiert werden können. Jedoch wird in der dünnen aktiven Schichtfolge (3) ein merklicher Lichtanteil zunächst nicht absorbiert werden, da in diesen Dünnschicht-Halbleiterbauelementen die Absorptionslänge des Materials der aktiven Schicht meist größer als deren Schichtdicke ist. Dieser nicht absorbierte Anteil trifft, wie am Lichtstrahl 6 gezeigt, auf die reflektierende Rückkontaktschicht (4) auf und wird dort fast vollständig in die aktive Schicht (3) zurückreflektiert, bei deren erneuter Durchquerung, nunmehr in umgekehrter Richtung, sich wiederum die Chance einer nutzbringenden Absorption bietet.

Das noch nicht absorbierte Licht tritt schließlich wieder von der Frontkontaktschicht (2) in die Glasträgerschicht (1) ein. Bei flacher, unstrukturierter Trägerrückseite würde dieser Lichtanteil nun über die Frontseite (1a) der Zelle endgültig ungenutzt aus dem Bauelement wieder austreten. Im Unterschied hierzu ermöglicht es die dargestellte und beschriebene Tiefenprofilierung der Trägerrückseite (1b), daß dieser Lichtanteil, in Fig. 1 mit dem Lichtstrahlabschnitt 6a charakterisiert, erneut auf die Schichtstruktur Frontkontaktschicht (2)/aktive Schichtfolge (3)/Rückkontaktschicht (4) auftrifft. Dieses Licht wird daher wiederum in die aktive Schichtfolge (3) eingekoppelt und durchquert diese nochmals zweifach, wenn es nicht unterwegs absorbiert wird. Gleiches gilt überdies außer für den gezeigten Lichtanteil 6a auch für die oben genannten Lichtanteile, die bereits zuvor an der Grenzfläche Glas/Frontkontaktschicht oder Frontkontaktschicht/aktive Schichtfolge reflektiert wurden. Denn diese Anteile verlaufen bis auf eine - wegen der im Vergleich zur Dimensionierung der Erhöhungen (5) geringen Dicke der Frontkontaktschicht (2) und der aktiven Schichtfolge (3) - geringfügige Versetzung aufgrund der Brechungseigenschaften der diversen Grenzflächen ganz analog zum Lichtstrahlabschnitt 6a.

Folglich treffen alle an der geneigten Flanke (5b) erstmals reflektierten Lichtanteile auf die gegenüberliegende Flanke (5a) einer Erhöhung (5) auf, ohne sofort durch Rückreflexion verloren zu gehen. Wegen der makroskopischen Dimensionierung der sägezahnförmigen Oberflächenstruktur sind die Gesetze der geometrischen Optik für den geschilderten Strahlverlauf auch tatsächlich anwendbar. An der steilen Flanke (5a) wiederholt sich nun der oben geschilderte Vorgang. Auch an dieser Flanke (5a) nicht absorbierte Lichtanteile werden wieder zur gegenüberliegenden geneigten Flanke (5b) reflektiert. Insgesamt erfährt das Licht somit eine wenigstens viermalige Reflexion im Bereich innerhalb einer Erhöhung (5), bevor es dessen Bereich, angedeutet durch einen Lichtstrahlanteil 6b wieder verläßt, wenn es bis dahin nicht absorbiert wurde. Bis auf einen völlig unbedeutenden Anteil des Lichtes, der beispielsweise auf Ecken und Kanten der Zähne (5) so auftrifft, daß er sofort rückreflektiert wird, erzwingt die gezeigte Oberflächenstruktur für den weit überwiegenden Lichtanteil einen wenigstens achtmaligen Durchtritt durch die aktive Schichtfolge (3) und ermöglicht dadurch eine entsprechend hohe Absorptionswahrscheinlichkeit selbst für eine sehr dünne aktive Schichtfolge (3).

Überdies wird durch die in Fig. 1 dargestellte Strukturierung eine nochmalige Einkopplung des aus dem Bereich der Erhöhungen (5) erstmals ausgetretenen Lichtanteils (6b) erreicht, indem dieses Licht an der Grenzfläche Glas/Luft wegen des flachen Auftreffwinkels eine Totalreflexion erfährt. Das totalreflektierte Licht gelangt dann erneut wenigstens ein weiteres Mal in den Bereich einer Erhöhung (5) und auf eine ihrer Flanken (5a, 5b). Im Fall des stellvertretend gezeichneten Lichtstrahls (6) trifft derselbe insgesamt siebenmal von vorne auf die aktive Schichtfolge (3) auf, durchquert selbige also vierzehnmal. Dies ergibt eine hohe Gesamtabsorptionswahrscheinlichkeit.

Die Anzahl möglicher Reflexionen steigt bei Wahl eines geringeren Zahnöffnungswinkels (α₁). Gleichzeitig steigert dies bei gegebener frontseitiger Zellenfläche die effektiv wirksame Absorptionsfläche der aktiven Schichtfolge, die sich bei steiler gestalteten Zähnen erhöht.

Eine weitere Dünnschicht-Solarzelle ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser ist ein nichttransparenter Träger (10) vorgesehen, der an seiner dem einfallenden Licht (16) zugewandten Vorderseite (10a) eine regelmäßige tiefenprofilierte Strukturierung in Form V-förmiger Vertiefungen (11) aufweist. Die Flanken (15) der Vertiefungen (11), die deren Randflächen bilden, schließen einen Öffnungswinkel (α₂) ein, der ca. 30° beträgt. Der Träger (10) ist metallisch und lichtreflektierend. Die Oberfläche (14) an der Trägervorderseite (10a) ist daher elektrisch leitend und bildet den reflektierenden Rückkontakt der Solarzelle. Alternativ kann auch ein beliebiges anderes Trägermaterial verwendet werden, auf dessen vorderseitige Fläche eine dünne Oberflächenschicht aufgetragen ist. Träger und Oberflächenschicht erfüllen dann zusammen die beiden Funktionen des Solarzellenrückkontakts, nämlich elektrische Leitfähigkeit und hoher Lichtreflexionsgrad.

Auf der Trägervorderseite (10a) ist eine aktive Schichtfolge (13), z. B. eine a-Si pin-Struktur analog der Zelle in Fig. 1, sowie eine lichttransparente Frontkontaktschicht (12) abgeschieden. Bei Bedarf kann zusätzlich eine nicht gezeigte, transparente Schutzschicht aufgetragen sein. Die Dicken der aktiven Schichtfolge (13) und der Frontkontaktschicht (12) sind wie im Beispiel der Fig. 1 klein (typischerweise zwischen 50 nm und 500 nm) gegenüber Basisbreite und Tiefe der V-förmigen Vertiefungen (11), die typisch jeweils deutlich über 1 µm liegen. Die Schichten (12, 13) folgen damit in ihrer Form im wesentlichen dem V-förmigen Profil des Trägers (10), wobei die Zeichnung dies nicht maßstäblich wiedergibt.

Der typische Strahlverlauf des einfallenden Lichtes ist für senkrechte Inzidenz an einem Lichtstrahl (16) verdeutlicht. Das Licht tritt (bis auf einen vernachlässigbaren, auf Kanten oder Ecken auftreffenden Anteil) fast vollständig in die vertieften Bereiche (11) ein und wird entweder - vor allem in der aktiven Schichtfolge (13) - absorbiert oder insgesamt sechsmal an den Randflächen (15) der Vertiefungen (11) hin und her reflektiert, bevor es evtl. endgültig wieder in Rückwärtsrichtung aus dem Bauelement austritt. Der Strahlverlauf in den einzelnen Schichten und den Grenzflächen ist völlig analog zu Fig. 1, so daß hier auf die dortige detaillierte Schilderung verwiesen werden kann.

Es bleibt festzuhalten, daß auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Steigerung des Absorptionsvermögens aufgrund einer mehrfachen, hier einer sechsfachen, Reflexion der nichtabsorbierten Lichtanteile, verbunden mit einer jeweils erneuten Einkopplung in die aktive Schichtfolge (13), erreicht wird. Gleichzeitig läßt sich die Dicke der aktiven Schichtfolge ohne Einbußen beim Wirkungsgrad im Vergleich zu Zellen mit planer Schichtstruktur reduzieren, wodurch sich insbesondere bei Verwendung amorpher Halbleitermaterialien deren Stabilität gegen Degradation beträchtlich verbessert.

Fig. 3 zeigt eine dritte Variante einer Dünnschicht-Solarzelle, welche in ihrem Aufbau der in Fig. 1 dargestellten entspricht. Funktionsgleiche Teile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen. So besteht die Zelle aus einem Glasträger (1), auf dessen Rückseite (1b) nacheinander die leitfähige Kontaktschicht (2), die aktive Schichtfolge (3) und die Rückkontaktschicht (4) aufgebracht sind, welche in Fig. 3 der Übersichtlichkeit halber nur angedeutet sind. Unterschiedlich zu der Zelle nach Fig. 1 ist die Form der Tiefenprofilierung der Trägerrückseite (1b). Sie besteht aus aneinandergrenzenden Erhöhungen (8), die an der Basis trichterförmig verengt sind, sich daran anschließend mit zur planen Trägervorderseite (1a) senkrechten Seitenwänden (8b) bis zu einem spitzenförmigen Abschluß (8c) erstrecken, dessen beide Schenkel einen Winkel α₃=120° einschließen. Die Tricherrandflächen (8a) sind jeweils um 30° gegen das Lot zur Trägervorderseite (1a) geneigt.

Der Strahlengang bei senkrechter Inzidenz ist anhand eines Lichtstrahles (9) veranschaulicht. Es ergibt sich für nicht absorbiertes Licht i.a. eine fünfmalige Reflexion an den Randflächen der Erhöhungen (8). Die erste Reflexion findet hierbei entweder am trichterförmigen Randflächenabschnitt (8a) - wie im Fall des abgebildeten Lichtstrahls (9) - oder aber am spitzenförmigen Randflächenabschnitt (8c) statt, wodurch dann ein Strahlverlauf entsteht, der etwa der Umkehrung desjenigen des gezeigten Lichtstrahls (9) entspricht. Auch diese Solarzellenstruktur weist eine gute Absorptionsfähigkeit selbst für eine vergleichsweise dünne aktive Schichtfolge auf.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße, gezielte makroskopische Tiefenprofilierung eines Trägers auch für andere als die beschriebenen Arten von Dünnschicht- Solarzellenstrukturen nutzbringend einsetzbar ist, z. B. als Bestandteil einer Tandemstruktur und/oder einer polykristallinen Verbindungshalbleiter-Zelle, wie einer solchen aus den Elementen Cu, Ga, In bzw. Se. Für die aktive Schicht bei amorphen Solarzellen sind selbstverständlich neben a-Si : H andere gebräuchliche Materialien wie a-SiGe : H und a-SiC : H verwendbar.

Außer den gezeigten sind weitere modifizierte Formgestaltungen für die Erhöhungen bzw. Vertiefungen erfolgversprechend anwendbar, beispielsweise Pyramiden- und Tetraederformen. Dabei vergrößert sich i.a. die Anzahl möglicher Reflexionen nicht absorbierten Lichtes mit zunehmender Flankensteilheit der Randflächen und Höhe bzw. Tiefe der Strukturierung. Eine wenigstens viermalige Reflexion läßt sich meist mit Strukturen verwirklichen, deren Randflächen Öffnungswinkel kleiner als 45° einschließen. Analog dazu ergibt sich dann ein wirksames Absorptionsvolumen der aktiven Schichtfolge, das bei gegebener Bauelementfläche um mindestens einen Faktor 2,5 größer ist als bei einem planen unstrukturierten Schichtaufbau. Günstig für eine hohe Lichtausbeute und eine möglichst homogene Lichteinwirkung sind Strukturen mit aneinandergrenzenden Erhöhungen bzw. Vertiefungen derartiger Gestalt, daß keine abgeschatteten Bereiche auftreten und die Randflächen nicht senkrecht zur Lichteinfallsrichtung verlaufen.

Der erfindungsgemäß erzielte Lichteinfangeffekt ist überdies in anderen Dünnschicht-Halbleiterbauelementen mit photoelektrischer Energieumwandlung nutzbringend, beispielsweise in lichtdetektierenden Sensoren, so daß es möglich ist, auch solche Bauelemente mit einer makroskopischen Tiefenprofilierung zur gezielten Lichtstrahlführung nach der Erfindung herzustellen.

Die makroskopische Strukturierung des Trägers ist technologisch problemlos machbar, auch bei großflächiger Serienfertigung. Sie kann je nach Trägermaterial durch Schleifen, Pressen oder Ätzen nachträglich oder aber sogleich bei der Herstellung des Trägers (z. B. als Walzglas) erfolgen.

Selbstverständlich kann der Träger einen mehrkomponentigen Schichtaufbau besitzen. Eine zweikomponentige Trägerplatte etwa, bestehend aus einer planaren Schichtkomponente, die die nötige Steifigkeit und Tragfähigkeit besitzt (z. B. Glas), und einer tiefenprofilierten Schichtkomponente (z. B. aus einem polymeren Kunststoff), bietet gegebenenfalls den Vorteil einer technisch einfacher herzustellenden Profilierung im Vergleich zu einer einkomponentigen tiefenprofilierten Glasplatte.

Claims (9)

1. Dünnschicht-Halbleiterbauelement für photoelektrische Energieumwandlung, insbesondere Solarzelle, bestehend aus

• - einem transparenten Träger (1), dessen Vorderseite (1a) dem einfallenden Licht (6) zugewandt ist und an dessen Rückseite (1b) eine transparente Kontaktschicht (2) angeordnet ist, wobei
• - die Trägerrückseite (1b) eine makroskopisch dimensionierte Erhöhungen (5) bildende Oberflächenstruktur aufweist, auf die
• - eine photoelektrisch aktive Schichtfolge (3) sowie
• - eine reflektierende Rückkontaktschicht (4) aufgebracht sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Erhöhungen (5) derart gestaltet sind, daß einfallendes, in den Bereich der Erhöhungen gelangendes, nicht absorbiertes Licht (6, 6a, 6b) eine Mehrfachreflexion an den Randflächen (5a, 5b) der Erhöhungen erfährt.

2. Dünnschicht-Halbleiterbauelement für photoelektrische Energieumwandlung, insbesondere Solarzelle, bestehend aus

• - einem nichttransparenten Träger (10) mit dem einfallenden Licht (16) zugewandter, reflektierender und an ihrer Oberfläche (14) elektrisch leitender Vorderseite (10a), auf die
• - eine photoelektrisch aktive Schichtfolge (13) sowie
• - eine transparente, leitende Kontaktschicht (12) aufgebracht sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Trägervorderseite (10a) eine makroskopisch dimensionierte Vertiefungen (11) bildende Oberflächenstruktur aufweist und
• - die Vertiefungen derart gestaltet sind, daß einfallendes, in den Bereich der Vertiefungen gelangendes, nicht absorbiertes Licht (16) eine Mehrfachreflexion an den Randflächen (15) der Vertiefungen erfährt.

3. Dünnschicht-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen oder Vertiefungen derart gestaltet sind, daß das einfallende, nicht absorbierte Licht eine wenigstens viermalige Reflexion an den Randflächen (5a, 5b; 15) der Erhöhungen oder Vertiefungen erfährt.

4. Dünnschicht-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine sägezahnförmige Oberflächenstruktur, wobei der Öffnungswinkel (α₁) der sägezahnförmigen Erhöhungen oder Vertiefungen kleiner als 50° ist.

5. Dünnschicht-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine V-förmige Oberflächenstruktur, wobei der Öffnungswinkel (α₂) der V-förmigen Erhöhungen oder Vertiefungen (11) kleiner als 50° ist.

6. Dünnschicht-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrisch aktive Schichtfolge (3; 13) eine Dicke von weniger als ungefähr 300 nm aufweist.

7. Dünnschicht-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine Mehrschichtstruktur aufweist.