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DE2846096C2 - Solarzelle aus Halbleitermaterial - Google Patents

Solarzelle aus Halbleitermaterial

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DE2846096C2 DE2846096A DE2846096A DE2846096C2 DE 2846096 C2 DE2846096 C2 DE 2846096C2 DE 2846096 A DE2846096 A DE 2846096A DE 2846096 A DE2846096 A DE 2846096A DE 2846096 C2 DE2846096 C2 DE 2846096C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle aus Halbleitermaterial mit einem aktiven Gebiet, in welchem Ladungsträger durch die auf die Solarzelle auftreffende und in diese eindringende Strahlungsenergie erzeugt werden, bei der auf dem halbleitenden Körper im aktiven Gebiet eine elektrisch isolierende, als Doppelschicht ausgebildete Schicht mit metallischen Kontakten angeordnet ist und diese Doppelschicht aus einer auf dem Halbleiterkörper direkt aufgebrachten ersten Schicht aus einer natürlichen oder bei Temperaturen unterhalb 8000C erzeugten Siliziumoxid-Schicht und ei
ner darüber befindlichen zweiten Schicht besteht
Eine solche Solarzelle ist beispielsweise aus einem Aufsatz von R. B. Godfrey und M. A. Green aus Appl. Phys. Lett 33 (7), Oktober 1978, Seiten 637 bis 639,
bekannt Dabei besteht die zweite Schicht aus einer als
Antiretlexschicht dienenden Siliziumoxid-Schicht
Als eine mögliehe Alternative zur herkömmlichen Solarzelle mit flachem pn-Obergang parallel zur Halbleiteroberfläche sind die sogenannten MIS-Ljolarzellen
ίο (Metall-Isolator-Semiconductor) bekannt, bei denen die Trennung der durch das Licht erzeugten Elektron-Loch-Paare im elektrischen Feld eines Schottky-Kontaktes erfolgt wobei Metall und Halbleiter durch eine dünne Isolatorschicht (d < 5 nm) getrennt sind. Im Falle
j ζ des Siliziums ist es eine dünne SiO2-Schicht Diese Oxidschicht die von den Elektronen durchtunnelt werden kann, äußert sich gegenüber den normalen Schottky-Kontakt-Solarzellen in einer höheren Leerla-if spannung unter Beleuchtung, ohne aber den Serienwiderstand der Zelle wesentlich zu erhöhen. Eine solche MIS-Solarzelle ist aus dem Aufsatz von R. J. Stirn und Y. C M. Yeh aus der Zeitschrift »AppL Phys. Letters«, Vol. 27, Nr. 2, vom 15.7.1975, Seiten 95 bis 98, bekannt
Die Vorteile gegenüber einer pn-Zelle sind:
a) kein Hochtemperaturschritt und damit geringere Kosten gegenüber der pn-Zelle;
b) keine durch die Diffusion bedingten Kristallbaufehler, die als Rekombinationszentren wirken und damit den Wirkungsgrad erheblich mindern können;
c) es werden höhere Wirkungsgrade für kurze Weilenlängen (UV) erwartet da das elektrische Feld sich bis zur Halbleiteroberfläche erstreckt die Absorption des UV-Lichtes damit in einem Gebiet hoher Feldstärke erfolgt;
d) hohe Strahlungsresistenz;
e) die problemlosere Anwendung für polykristalline und amorphe und damit billigere Halbleitermaterialien.
Schwierigkeiten bereitet jedoch die gleichmäßige großflächige Herstellung dieses MIS-Kontaktes einschließlich der extrem dünnen, lichtdurchlässigen Metallschicht.
Eine andere Möglichkeit billige Solarzellen herzustellen und obige Schwierigkeiten zu umgehen, stellen die sogenannten Inversionsschicht-Solarzellen dar. Hierbei wird zur Sammlung der Ladungsträger ein aus einer relativ dicken Metallschicht bestehendes Leiterbahnsystem mit darunterliegendem ρη-Übergang, wie aus G. C. Salter und R. E. Thomas aus »Solid St. Electron«, Vol. 20, 1977, Seiten 95 bis 104 bekannt ist, oder ein MIS-Kontakt (P. van Haien, R. Mertens, R. Van Overstraeten, R. E. Thomas, J. Van Meerbergen, Proceedings of the European Photovoltaic Conf. p. 280 bis 288 (1977) D. Reidel Publishing Comp. Dordrecht Holland/Boston, U. S. A. und R. B. Godfrey und M. A. Green, Appl. Phys. Lett. 33 (7), Oktober 1978, Seiten 637 bis 639) verwendet. Das Gebiet zwischen den Metallbahnen
bo wird mit einer durchsichtigen, dielektrischen Schicht zum Beispiel aus S1O2 oder SiO überzogen, die gleichzeitig als Antireflexions-Schicht dienen kann. Aufgrund fester Isolatorladungen an der Grenzfläche Isolator-Halbleiter wird im Halbleiter direkt unter der dielektrisehen Schicht eine Inversionsschicht (bestehend aus Minoritätsladungsträgern) mit nachfolgender Raumladungszone gebildet. Die Inversionsschicht bildet die eine Seite eines induzierten pn-Überganges, in dem ein
hohes elektrisches Feld herrscht, das die Sammlung der Photoladungsträger unterstützt Der Widerstand der Inversionsschicht ist vergleichsweise gering; die durch das Licht erzeugten Minoritätsladungsträger diffundieren in dieser dünnen Oberflächen-Inversionsschicht gleichsam wie in einem Metallfilm zu den Kontakten und fließen dort ab.
Aus der FR-OS 22 30 08fi ist eine Solarzelle bekannt, bei der als Antireflexions-Schicht Siliziumnitrid verwendet wird, die Inversionsschicht jedoch durch Ladungen in einer darunterliegenden SiO2-Schicht erzeugt wird.
Wie die obengenannten M IS-Zellen müssen auch die Inversionsschicht-Solarzellen höhere UV-Empfindlichkeit als pn-Zellen aufgrund der geringeren Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zeigen. Um die Leitfähigkeit der Inversionsrandschicht und damit den Fotostrom möglichst groß zu machen, muß die Grenzflächenladungsdichte (Qss) möglichst hoch und gleichzeitig die Dichte der umladbaren Oberflächenzustände {biss) gering sein. Die Oberflächenzustände reduzieren die Leitfähigkeit durch den Einfang von Kiinoritätsladungsträgern (Rekombination).
Daraus ergeben sich die Hauptforderungen für Inversionsschicht-Solarzellen:
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, gezielt Fremdionen, vorzugsweise Alkaliionen, in die zweite Schicht einzubauer=. Dabei läßt sich die Ladungsdichte Qn wesentlich erhöhen.
Für Siliziumnitrid als zweite Isolatorschicht sollen im folgenden die Vorteile hinsichtlich einer Verwendung für Inversionsschicht- und M IS-Solarzellen erläutert werden. Mit dem durch Reaktion von Silan (SiH4) und Ammoniak (NHj) in einer Glimmentladung (Plasma) hergestellten Siliziumnitrid können für den Einsatz in Solarzellen folgende Ergebnisse erzielt werden:
1. Hohe Dichte fester Grenzflächenladungen, um eine gut leitende Inversionsrandschicht zu erhalten.
2. Geringe Dichte von umladbaren Oberflächenzuständen, um den Verlust (Rekombination) von Ladungsträgern gering zu halten.
Bei thermischem Oxid als Dielektrikum auf Silizium, abgesehen von der hohen Temperatur von über 10000C (Leistungsaufwand, Kristalldefekte), die zur Bildung dieser Schicht erforderlich ist, ist eine Erhöhung der Grenzflächenladungsdichte Qss und damit eine Erniedrigung des Schichtwiderstandes der Inversionsrandschicht stets gekoppelt mit einer Erhöhung der Dichte Nss der umladbaren Oberflächenzustände. Die Erhöhung von Q-s kann durch Tempern im Sauerstoff bei relativ niedrigen Temperaturen und durch die Wahl von (lil)-Silizium anstelle von (lOO)-Silizium als Substratmaterial erreicht werden. Im äußersten Fall werden dort Werte von Oss/q von etwa 1 · IG12Cm-2, bei gleichzeitigem Vorhandensein des sehr hohen Wertes von Nis ungefähr 1012 cm-2eV-' erreicht
Die vorliegende Erfindung dient zur Lösung der Aufgabe, eine Solarzelle der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß bei einer vergleichsweise niedrigen Oberflächenzystandsdichte eine Erhöhung der Isolatorladungsdichte erzielt wird, das heißt, daß die festen Grenzflächenladungen von den umladbaren Oberflächenzuständen weitgehend entkoppelt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zweite Schicht aus in der Glimmentladung erzeugtem, hohe Isolatorladungsdichte aufweisendem und eine niedrige Dichte von umladbaren Oberflächenzuständen bedingendem Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid besteht. Dadurch, daß die festen Ladungen an der Grenzfläche der beiden Isolatorschichten eingebaut werden, können diese weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der Silizium/Siliziumoxid-Grenzfläche eingestellt und optimiert werden.
Ein Verfahren zur Abscheidung von Plasma-Siliziumnitrid ist aus der DE-OS 20 63 726 für die Herstellung von MNOS-Speicherelementen zu entnehmen. Dabei wird die SiliziumnitridscV.cht zur Speicherung von Informationen verwendet.
1. Bezüglich der Werte von Qn besteht zwischen (111)- und (100)-Silizium, wie auch zwischen n- und p-Dotierung kein Unterschied, das heißt, die Ladungsdichte ist unabhängig von der Substratorientierung und der Art der Dotierung. Diese Tatsache erlaubt es, p-Silizium mit (lOO)-Orientierung zu verwenden, um die höhere Beweglichkeit der Elektronen als Minoritätsladungsträger auszunützen, wie auch die geringere Zahl von Obt-.iiächenzuständen Nss der (lOOJ-Oberfläche. (Bei thermischem SiO2 müßte man (111)-Silizium verwenden, um hohe Ladungsdichten zu erhalten).
2. Gleichzeitig ergeben sich insbesondere bei den niederen Plasma-Abscheidungstemperaturen des Nitrids im Gegensatz zu der aus dem Aufsatz von A. K. Gaind und E W. Hearn aus Journ. of Electrochem.SotL, Vol. 125, No. 1, (1978\ Seiten 139—145 bekannten Abscheidung von Siliziumcxinitrid bei 900—10000C sehr niedrige Werte von N55, so daß die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit gering ist Dies ist auf die während der Abscheidung automatisch erfolgende Wasserstofftemperung zurückzuführen. Aus einem Aufsatz von E. C. Ross, M. T. Duffy und A. M. Goodman aus Appl. Phys. Lett Vol. 15. No. 12, (1969) S. 408-409 ist bekannt, daß mit sinkender Abscheidetemperatur die positive Grenzflächenladungsdichte zunimmt. Dieses Verhalten bei Hochtemperatur-Abscheidung trifft jedoch für die Niedertemperatur-Plasma-Abscheidung nicht zu. Das gleiche gilt auch für die aus dem Aufsatz H. Kalter, J. J. H. Schatorje und E. Kooi aus Philips Research Reports 26 (1971) Seiten 181 — 190 für Hochtemperarirabscheidung von Siliziumnitrid bekannte, die Oberflächenzustandsdichte reduzierende Wasserstoff-Temperung.
3. Siliziumnitrid stellt eine sehr gute Passivierungsschicht dar, bekannt von der Anwendung bei integrierten Schaltkreisen. Es stellt damit gleichzeitig einen Schutz der Oberflächen gegen Eindiffusion von Fremdstoffen dai·.
4. Nitnd dient gleichzeitig als Anti-Reflexions-Überzug, da sein Brechungsindex im Vergleich zu SiO2 besser an den des Siliziums angepaßt ist.
5. Bei der Verwendung von billigerem poly kristallinem Silizium oder amorphem Silizium als Substrat ist die Anwerbung der Nilridschicht problemlos (keine Oxidation erforderlich wie bei S1O2, die eventuell durch Korngrenzen behindert wird).
6. Durch Verwendung von Oxinitrid (Zugabe von Sauerstoff während der Abscheidung) werden noch bessere Transmissionseigenschaften und niedrigere mechanische Spannungen erzielt, bei wenig unterschiedlichen Grenzflächenladungen Qn.
7. Aufgrund der im Siliziumnitrid vorhandenen Haftstellen für Ladunesträeer fMNOS SDeichereffekO
kann die Dichte der Grenzflächenladungen Qn durch kurzzeitiges Anlegen eines elektrischen Feldes an die gesamte Nitridoberfläche auf der Solarzellenoberseite um ein Vielfaches ihres ursprünglichen Wertes erhöht werden.
Durch den Einbau von Fremdionen vorzugsweise Alkaliionen in die Si-Nitridschicht läßt sich die Ladungsdichte Q/v ebenfalls wesentlich erhöhen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 5, welche im Schnittbild verschiedene Solarzellen darstellen, noch näher erläutert. Dabei zeigt die
Fig. 1 eine Siliziumnitrid-Inversionsschicht-Solarzelle mit MIS-Kontakten,die is
F i g. 2 eine Siliziumnitrid-Inversionsschicht-Solarzelle mit diffundierten Kontakten, die
F i g. 3 eine MIS-Solarzelle, die
Fig.4 eine SiüziiifüP.itrid-inversionsschicht-Solarzel· Ie mit MIS-Kontakten und variierbarer Grenzflächenladungsdichte Q/v und die
F i g. 5 eine Siliziumnitrid-Inversionsschicht-Solarzelle mit diffundierten Kontakten.
In Fig. 1 ist der p-dotierte Siliziumkörper mit 1, der Rückkontakt der Solarzellenanordnung mit 2 bezeichnet. Die in der Figur dargestellte Doppelisolatorschicht besteht aus der natürlich gewachsenen dünnen SiO2-Schicht 3 und einer dickeren (ca. 50 bis 300 nm) Siliziumnitridschicht 4, welche in den Kontaktflächen 5 unterhalb der aus Aluminium bestehenden Metallstreifen 6 sehr dünn (ca. I bis 4 nm) ausgebildet ist. Zur Herstellung dieser Schicht ist kein Hochtemperaturprozeß erforderlich. Es genügen zwei Fotomaskierungsschritte:
Ableitung des Stromes sorgt. Bei der Herstellung dieser Solarzelle ist nur eine Metallmaske zum Aufdampfen des Metallfingersystems 26 erforderlich, die nicht justiert werden muß. Der p-dotierte Siliziumkörper ist mit 21, der Rückkontakt mit 22 bezeichnet.
Der Unterschied von F i g. 4 zu den in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Solarzellen besteht darin, daß die Siliziumnitridschicht 35 mit der Dicke zwischen 50 bis 300 nm als letzter Schritt nach dem Aufbringen der Metallstreifen 36, welche wegen der niedrigen Plasma-Abscheidungstemperatur von -3000C aus Aluminium bestehen können, aufgebracht wird.
Auf den Einbau der dünnen Siliziumnitridschicht 34(1 bis 4 nm) kann auch verzichtet werden. Mit dem Bezugszeichen 33 ist die auf dem Si-Kristall 31 befindliche natürliche Oxidschicht bezeichnet. Bei dieser Anordnung kann auch die zusätzliche Ladungsspeicherung an der Oxid-Nitrid-Grenzfläche durch Anlegen einer äußeren 3π2ΠΠϋπσ EUS0CnUtZt werden ^MNOS--Sneich?rcffekt). Dies erfolgt einfach dadurch, daß über eine Elektrode von der Größe der Solarzelle kurzzeitig ein positiver Spannungsstoß an diese angelegt wird. Wichtig ist dabei, daß die Metallbahnen 36 auf Substratpotential liegen, also mit dem Rückkontakt 33 der p-dotierten Siliziumkristallscheibe 31 während des Spannungsstoßes verbunden werden, damit die dünne Tunnelschicht (33, 34) zwischen Metall und Halbleiter (SiO2 bzw. SiO2-f ^N«) durch die hohe Feldstärke nicht zerstört wird.
Das in F i g. 4 beschriebene Verfahren kann auch, wie bei der Anordnung in F1 g. 5 dargestellt, für eine Solarzelle mit diffundierten oder durch Ionenimplantation hergestellten pn-Übergängen 45 ausgeführt werden. Es gelten analoge Bezugszeichen entsprechend F i g. 4.
35
a) zum Festlegen der Kontaktflächen 5 (Ätzen des Siliziumnitrid-0 und
b) zum Ätzen der aus den Aluminiummetallstreifen bestehenden, den Strom abnehmenden Kontaktfinger 6 (metal grid).
Mit der gestrichelten Linie ist die parallel zur Oberfläche verlaufende Inversionsschicht, mit der strichpunktierten Linie die Breite der Raumladungszone gekennzeichnet. Durch die Kreuzchen werden die positiven Ladungsträger in der Isolatorschicht angezeigt.
In F i g. 2 ist der p-dotierte Siliziumkörper mit 11, der Rückkontakt mit 12 bezeichnet Diese Solarzelle ist analog der in F i g. 1 beschriebenen aufgebaut, jedoch mit dem Unterschied, daß die Kontaktflächen 15 durch ei- so nen pn-Übergatg gebildet werden. Hierzu ist ein Diffusionsschritt oder eine Ionenimplantation mit nachfolgender Temperung erforderlich, sowie zwei Fotomaskierungsschritte, wobei einer zum Festlegen der Diffusionsgebiete (15) und einer für die Metallfinger (16) verwendet wird. Mit dem Bezugszeichen 13 ist die natürlich gewachsene Siliziumoxidschicht (1.5 bis 2nm) und mit 14 die aufgebrachte Siliziumnitridschicht (50 bis 300 nm) bezeichnet Die anderen Symbole sind gleichbedeutend mit denen in F i g. 1.
F i g. 3 stellt vom Aufbau her die einfachste Solarzelle gemäß der Lehre der Erfindung dar. Über der natürlichen oder speziell präparierten dünnen SK^-Schicht 23 (ca. 1,5 nm) befindet sich eine dünne Silizium-Nitridschicht 24 (ca. 1 bis 4 nm). Darüber befindet sich eine transparente Metallschicht 25 in einer Schichtdicke von ~2^nm, weiche beispielsweise aus Aluminium oder Gold besteht auf der das Metailfingersystem 26 für die
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Solarzelle aus Halbleitermaterial mit einem aktiven Gebiet, in welchem Ladungsträger durch die auf die Solarzelle auftreffende und in diese eindringende Strahlungsenergie erzeugt werden, bei der auf dem halbleitenden Körper im aktiven Gebiet eine elektrisch isolierende, als Doppelschicht ausgebildete Schicht mit metallischen Kontakten angeordnet ist und diese Doppelschicht aus einer auf dem Halbleiterkörper direkt aufgebrachten ersten Schicht aus einer natürlichen oder bei Temperaturen unterhalb 8000C erzeugten Siliziumoxid-Schicht und einer darüber befindlichen zweiten Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (4,14,24,35,44) aus in der Glimmentladung erzeugtem, hohe Isolatorladungsdichte aufweisendem und eine niedrige Dichte von umladbaren Oberfläe^enzuständen bedingendem Siliziumnitrid
VUVI k/lll£lUlltVAtlllU IU VWAkWtIl.
2. Solarzelle nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß gezielt Fremdionen, vorzugsweise Alkaliionen, in die zweite Schicht (4, 14, 24, 35, 44) eingebaut werden.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schichtdicke der ersten Schicht kleiner 4 nm ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der zweiten Schicht (4,14,24,35,44) im Bereich von 50 bis 300 nm isL
4. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Schicht eine Schichtdicke kleiner 2 nm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (24) eine Schichtdicke im Bereich von 2 bis 3 nm aufweist, und daß über cer zweiten Schicht (24) eine die Oberfläche zwischen den metallischen Kontakten (26) bedeckende transparente Metallschicht (25) aufgebracht ist (F i g. 3).
5. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schichtdicke der ersten Schicht kleiner 2 nm ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte elektrisch isolierende Schicht (34) im Bereich von 1 bis 4 nm ftber der ersten Schicht (33) aufgebracht ist, und daß die zweite Schicht (35) mit einer Schichtdicke im Bereich von 50 bis 300 nm zwischen und über den direkt auf der dritten Schicht (34) angebrachten metallischen Kontakten (36) auf der dritten Schicht (34) angeordnet ist (F i g. 4).
6. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen einkristallinen, polykristallinen oder amorphen Halbleiterkörper (1, 11,21,31,41) der aus Silizium, Germanium oder aus *-Verbindungen besteht.
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