DE3306148A1

DE3306148A1 - Sperrschicht-fotoelement aus halbleitermaterial

Info

Publication number: DE3306148A1
Application number: DE19833306148
Authority: DE
Inventors: David D. Dr. 48084 Iroy Mich. Allred; Wolodymyr Dr. 48212 Hamtramck Mich. Czubatyj; Joachim Dr. 48085 Union Lake Mich. Doehler; Jaime M. Dr. 48008 Birmingham Mich. Reyes; Rajendra Dr. 73069 Norman Okla. Singh
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1982-03-03
Filing date: 1983-02-22
Publication date: 1983-09-15
Also published as: SE8301051D0; GB2116364A; AU1149483A; NL8300603A; IT1167617B; AU543213B2; PH19299A; IT8347739A0; ES8403667A1; ZA83748B; IN157618B; IL67794A0; GB8304033D0; IE54408B1; SE454225B; BR8300902A; ES520247A0; GB2116364B; IE830294L; JPS58159383A

Description

Sperrschicht-Fotoelemente

Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Sperrschicht-Fotoelemente mit erhöhten Kurzschlußströmen und Wirkungsgraden, insbesondere auf Sperrschicht-Fotoelemente, die aus Schichten von amorphen Halbleiterlegierungen hergestellt sind. Die Sperrschicht-Fotoelemente nach der Erfindung umfassen Richtmittel für die einfallende Strahlung, wodurch entweder ein Teil oder im wesentlichen die gesamte einfallende Strahlung durch den oder die aktiven Bereiche gerichtet wird, in denen die Ladungsträger erzeugt werden, und zwar unter ausreichenden Winkeln, so daß die gerichtete Strahlung im wesentlichen in den Bauelementen eingeschlossen ist. Dadurch werden Vielfachreflexionen des gerichteten Lichts in den aktiven Bereichen der Bauelemente hervorgerufen. Ein Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, daß eine verstärkte Photonenabsorption und Ladungsträgererzeugung in den aktiven Bereichen möglich ist, so daß erhöhte Kurzschlußströme erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß der oder die aktiven Bereiche, da das gerichtete Licht den aktiven Bereich der verbesserten Bauelemente unter einem Winkel passiert, dünner ausgebildet sein können, wodurch die Ladungsträger-Rekombination reduziert und gleichzeitig eine wirksame Ladungsträgererzeugung unterhalten wird. Die Erfindung ist zwar nicht auf irgendeine bestimmte Bauelement-Konfiguration beschränkt, das wichtigste Anwendungsgebiet ist jedoch die Herstellung verbesserter Sperrschicht-Fotoelemente vom pin-Typ aus amorphen Siliziumlegierungen, und zwar entweder als Einzelzellen oder als Vielfachzellen, die aus einer Mehrzahl Einzelzelleneinheiten aufgebaut sind.

Silizium ist die Grundlage der riesigen mit kristallinen Halbleitern befaßten Industrie und der Werkstoff, mit dem teure hochwirksame (18 %) kristalline Solarzellen für die Raumfahrt hergestellt wurden. Für Anwendungszwecke auf der Erde weisen die kristallinen Solarzellen typischerweise wesentlich geringere Wirkungsgrade in der Größenordnung von 12 % oder weniger auf. Als die Technologie der kristallinen Halbleiter das Stadium der industriellen Verwertung erreichte, wurde sie zur Grundlage der derzeitigen riesigen Halbleiterbauelement-Fertigungsindustrie. Dies beruhte auf der Fähigkeit der Wissenschaftler, im wesentlichen fehlerfreie Germanium- und insbesondere Siliziumkristalle zu ziehen und sie zu nichteigenleitenden Materialien mit darin enthaltenen Leitfähigkeitszonen vom p- und vom n-Leitungstyp zu machen. Dies wurde dadurch erreicht, daß in das kristalline Material ppm-Mengen von als Donator (n) oder als Akzeptor (p) wirkenden Dotierstoffen als substitutioneile Verunreinigungen in die im wesentlichen reinen kristallinen Materialien eindiffundiert wurden, um ihre elektrische Leitfähigkeit zu steigern und ihren Leitungstyp, also p- oder n-Leitfähigkeit, zu steuern. Die Herstellungsverfahren für die Fertigung von Kristallen mit pn-Übergängen umfassen extrem komplexe, zeitraubende und teure Vorgänge. So werden diese kristallinen Materialien, die in Solarzellen und als Stromregelvorrichtungen einsetzbar sind, unter sehr sorgfältig kontrollierten Bedingungen hergestellt, indem einzelne Silizium- oder Germanium-Einkristalle gezogen und, wenn pn-Übergänge erforderlich sind, diese Einkristalle mit extrem kleinen und kritischen Mengen an Dotierstoffen dotiert werden.

Mit diesen Kristallziehverfahren werden so relativ kleine Kristalle erzeugt, daß Solarzellen den Zusammenbau von vielen Einkristallen erfordern, bis die erwünschte Fläche für nur ein einziges Solarzellenpanel bedeckt ist. Die zur Herstellung einer Solarzelle mit diesem Verfahren erforderliche Energiemenge, die durch die Größenbeschränkungen des Siliziumkristalls gegebenen Einschränkungen und die Notwendigkeit, ein solches kristallines Material zuzuschneiden und zusammenzufügen, haben dazu geführt, daß die industrielle Verwendung von kristallinen Halbleiter-Solarzellen für die Energieumwandlung an der unüberwindlichen Kostenbarriere scheitert. Ferner weist kristallines Silizium eine indirekte Absorptionskante auf, was in einer schlechten Lichtabsorption des Materials resultiert. Aufgrund der schlechten Lichtabsorption müssen kristalline Solarzellen eine Mindestdicke von 50 pm aufweisen, um das einfallende Sonnenlicht /. :. absorbieren. Selbst wenn das Einkristall-Material durch polykristallines Silizium mit entsprechend billigeren Herstellungsverfahren ersetzt wird, bleibt die indirekte Absorptionskante doch erhalten; somit wird die Materialdicknicht verringert. Bei dem polykristallinen Material ergebe^r sich ferner Probleme hinsichtlich der Korngrenzen und anderer Defekte, die üblicherweise nachteilig sind.

Zusammenfassend ist zu sagen, daß kristalline Silizium-Bsvelemente feste Parameter haben, die nicht in erwünschter Weise änderbar sind, daß sie große Materialmengen erforder-, nur relativ kleinflächig herstellbar und in der Herstellung teuer und zeitaufwendig sind. Der Einsatz von Bauelementen auf der Basis von amorphen Siliziumlegierungen kann diese Nachteile des kristallinen Siliziums ausschalten. Eine

amorphe Siliziumlegierung hat eine Absorptionskante mit Eigenschaften ähnlich denjenigen eines Halbleiters mit direktem Bandabstand, und es ist nur eine Materialdicke von 1 /M oder weniger erforderlich für die Absorption der gleichen Menge Sonnenlicht, die von dem 50 μια dicken kristallinen Silizium absorbiert wird. Ferner können amorphe Siliziumlegierungen schneller, leichter und mit größeren Flächen als kristallines Silizium hergestellt werden.

Somit wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Verfahren zum leichten Abscheiden amorpher Halbleiterlegierungen oder -filme zu entwickeln, wobei jeweils relativ große Flächen umfaßt werden sollen, die erwünschtenfalls nur durch die Größe des Abscheidungsapparats beschränkt sind, und wobei eine einfache Dotierung zur Bildung von p- und n-leitfähigen Materialien stattfinden kann, wenn pn-übergangs-Bauelemente daraus herzustellen sind, die zu den kristallinen Gegenstücken äquivalent sind. Über viele Jahre waren diese Bemühungen im wesentlichen unproduktiv. Amorphe Silizium- oder Germaniumfilme (also solche der Gruppe IV) sind normalerweise vierfach koordiniert, und es wurde festgestellt, daß sie Mikroleerstellen und freie Bindungen sowie weitere Defekte aufweisen, die in ihrem Bandabstand eine hohe Dichte örtlicher Zustände erzeugen. Die Anwesenheit einer hohen Dichte örtlicher Zustände im Bandabstand amorpher Siliziumhalbleiterfilme resultiert in einem niedri-, gen Lichtleitfähigkeitsgrad und einer kurzen Träger-Lebensdauer, so daß solche Filme für Lichtempfangs-Anwendungen ungeeignet sind. Ferner können solche Filme nicht erfolgreich dotiert oder anderweitig dahingehend modifiziert werden, daß das Fermi-Niveau nahe an die Leitungs- oder

Valenzbänder verschoben wird, wodurch die Filme ungeeignet für die Herstellung von pn-übergängen für Solarzellen und Stromregeleinrichtungen sind.

Bei dem Versuch der Minimierung der vorgenannten Probleme, die bei amorphem Silizium (das ursprünglich als elementar angesehen wurde) auftreten, wurden von W.E. Spear und P.G. Le Comber vom Carnegie Laboratory of Physics, University of Dundee, Schottland, Arbeiten im Hinblick auf eine substitutioneile Dotierung von amorphem Silizium durchgeführt ("Substitutional Doping of Amorphous Silicon", veröffentl. in Solid State Communications, Bd. 17, 1193-1196, 1975), und zwar zum Zweck der Verringerung der örtlichen Zustände im Bandabstand in amorphem Silizium, so daß dieses besser an eigenleitendes kristallines Silizium angenähert werden würde, und zur substitutioneilen Dotierung der amorphen Materialien mit geeigneten klassischen Dotierstoffen, wie bei der Dotierung von kristallinen Materialien, um diese nichteigenleitend und p- oder η-leitend zu machen.

Die Verringerung der örtlichen Zustände wurde durch Glimmentladungs-Abscheidung von amorphen Siliziumfilmen erreicht, wobei ein Silangas (SiH.) durch ein Reaktionsrohr geschickt wurde, in dem das Gas durch eine HF-Glimmentladung zersetzt und auf dem Substrat bei einer Substrattemperatur von ca. 500-600 K (227-327 ⁰C) abgeschieden wurde. Das so auf dem Substrat abgeschiedene Material war ein eigenleiter,-des amorphes Material, bestehend aus Silizium und Wasserstoff. Zur Erzeugung eines dotierten amorphen Materials wurde ein Phosphingas (PH₃) für die η-Leitfähigkeit oder ein Diborangas (B₂H₆) für die p-Leitfähigkeit mit dem

Silangas vorgemischt und durch das Glimmentladungs-Reaktionsrohr unter den gleichen Betriebsbedingungen geschickt. Die gasförmige Konzentration der eingesetzten Dotierstoffe

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lag zwischen ca. 5 χ 10 und 10 Volumenteilen. Das so abgeschiedene Material war nichteigenleitend und n- oder p-leitend.

Durch die Arbeiten anderer ist heute bekannt, was diese Forscher nicht wußten, nämlich, daß der Wasserstoff im Silan sich bei einer optimalen Temperatur mit vielen der freien Bindungen des Siliziums während der Glimmentladungs-Abscheidung verbindet, wodurch die Dichte der örtlichen Zustände im Bandabstand erheblich reduziert wird, so daß die elektronischen Eigenschaften des amorphen Materials besser an diejenigen des entsprechenden kristallinen Materials angenähert werden.

Der Einbau von Wasserstoff bei dem vorgenannten Verfahren hat jedoch Grenzen, die auf dem unveränderlichen Verhältnis zwischen Wasserstoff und Silizium im Silan sowie auf verschiedenen Si:H-Bindungskonfiguratonen basieren, die zu neuen Lockerungszuständen führen. Daher bestehen grundsätzliche Einschränkungen bei der Verminderung der Dichte örtlicher Zustände in diesen Materialien.

Erheblich verbesserte amorphe Siliziumlegierungen mit wesentlich verminderten Konzentrationen örtlicher Zustände in ihren Bandabständen und mit elektronischen Eigenschaften hoher Güte wurden durch Glimmentladung (vgl. die US-PS 4 226 898) sowie durch Aufdampfen (vgl. die US-PS 4 217 374) hergestellt. Wie in diesen Patentschriften erläutert ist,

wird Fluor in die amorphe Silizium-Halbleiterlegierung eingebaut, um die Dichte örtlicher Zustände in dieser wesentlich herabzusetzen. Aktiviertes FLuor bindet sich besonders leicht an Silizium in dem amorphen Körper, so daß die Dichte örtlicher Defektzustände in diesem erheblich verringert wird, weil die geringe Größe, die hohe Reaktionsfreudigkeit und Spezifität der chemischen Bindung der Fluoratome es diesen ermöglicht, eine in höherem Maße fehlerfreie amorphe Siliziumlegierung zu erzielen. Das Flucr bindet sich an die freien Bindungen des Siliziums und bile ι eine -' wie angenommen wird - hauptsächlich ionische stabile Bindung mit flexiblen Bindungswinkeln, was in einer stabileren und wirksameren Kompensation oder Änderung resultiert, als sie durch Wasserstoff und andere Kompensationsoder Änderungsmittel gebildet wird. Fluor verbindet sich ferner in bevorzugter Weise mit Silizium und Wasserstoff, wobei der Wassserstoff in vorteilhafterer Weise genutzt wird, da Wasserstoff mehrere Bindungsoptionen hat. Ohne Fluor kann sich Wasserstoff nicht in erwünschter Weise in dem Material binden, sondern bewirkt einen zusätzlichen Defektzustand im Bandabstand sowie im Material selbst. Daher wird Fluor als wirksameres Kompensations- oder Änderungse.lement als Wasserstoff angenommen, wenn es entweder für sich oder mit Wasserstoff wegen seiner hohen Reaktionsfreudigkeit, Spezifität der chemischen Bindung und hohen Elektronegativität eingesetzt wird.

Beispielsweise kann eine Kompensation nur mit Fluor oder in Verbindung mit Wassserstoff durch Zugabe dieses Elements bzw. dieser Elemente in sehr geringen Mengen (z. B. Bruchteilen von 1 Atom-%) erreicht werden. Die Fluor- und Wasser-

stoffmengen, die besonders bevorzugt eingesetzt werden, sind jedoch erheblich größer als diese geringen Prozentsätze, so daß eine Silizium-Wasserstoff-Fluor-Legierung gebildet wird. Solche Legierungsmengen von Fluor und Wasserstoff liegen z. B. im Bereich von 1-5 % oder mehr. Es wird angenommen, daß die so hergestellte Legierung eine geringere Dichte von Defektzuständen im Energiebandabstand aufweist,.als sie durch die bloße Neutralisierung von freien Bindungen und ähnlichen Defektzuständen erreicht werden kann. Ferner wird angenommen, daß solche größeren Mengen Fluor erheblich an einer neuen Gefügekonfiguration eines amorphen siliziumhaltigen Materials teilhaben und die Zugabe weiterer Legierungsstoffe, etwa Germanium, erleichtern. Zusätzlich zu seinen anderen bereits genannten Eigenschaften wird von Fluor angenommen, daß es ein Organisator von örtlichem Gefüge in der siliziumhaltigen Legierung durch induktive und ionische Effekte ist. Es wird angenommen, daß Fluor auch die Bindung von Wasserstoff dadurch beeinflußt, daß es vorteilhaft in Richtung einer Verminderung der Dichte von Defektzuständen wirkt, die von Wasserstoff hervorgerufen werden, während er als die Zustandsdichte reduzierendes Element wirkt. Die ionische Rolle, die Fluor in einer solchen Legierung spielt, wird als wichtiger Faktor hinsichtlich der Beziehungen zwischen nächsten Nachbarn angesehen.

Amorphe Siliziumlegierungen, die Fluor enthalten, haben somit wesentlich verbesserte Charakteristiken für die Anwendung als Sperrschicht-Fotoelemente im Vergleich zu amorphen Siliziumlegierungen gezeigt, die als die Zustandsdichte verringerndes Element nur Wasserstoff enthalten, um jedoch die ganzen Vorteile dieser amorphen Siliziumlegierun-

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gen, die Fluor enthalten, zu nutzen, wenn sie zur Bildung der aktiven Bereiche von Sperrschicht-Fotoelementen eingesetzt werden, muß sichergestellt werden, daß der größtmögliche Anteil der verfügbaren Photonen darin absorbiert wird, so daß in wirksamer Weise Elektron-Loch-Paare erzeugt werden.

Diese Vorgänge sind z. B. bei der Fertigung von Sperrschicht-Fotoelementen mit pin-Konfiguration von besonderer Wichtigkeit. Solche Fotoelemente weisen p- und n-dotierte Schichten auf entgegengesetzten Seiten einer aktiven eigenleitenden Schicht, in der die Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, auf. Sie bilden einen Spannungsgradienten durch das Bauelement aus, um die Trennung der Elektronen und Löcher zu erleichtern, und bilden ferner Kontaktschichten, wodurch das Einfangen der Elektronen und Löcher als elektrischer Strom vereinfacht wird.

Es werden nicht sämtliche verfügbaren Photonen durch die aktiven Bereiche in einem einzigen Durchgang absorbiert. Zwar werden praktisch sämtliche Photonen kürzerer Wellenlänge während des ersten Durchgangs absorbiert, aber ein großer Anteil der Photonen mit größerer Wellenlänge, z. B. Photonen mit Wellenlängen von 6000 8 oder mehr, wird nicht absorbiert. Der Verlust dieser nichtabsorbierten Photonen stellt eine Einschränkung der erzeugbaren Kurzschlußströme dar. Um den Verlust dieser Photonen mit größerer Wellenlänge auszuschließen, werden aus elektrisch leitenden Metallen gebildete Rückreflektoren eingesetzt, die das ungenutzte oder nichtabsorbierte Licht zurück in die aktiven Bereiche der Bauelemente reflektieren.

Die ρ- und η-leitenden Schichten sind leitfähig und können zumindest im Fall der p-leitenden Schicht einen großen Bandabstand zur Verringerung der Photonenabsorption haben. Somit ist ein Rückreflektor außerordentlich vorteilhaft, wenn er in Verbindung mit einer p-leitenden Schicht mit großem Bandabstand, die die oberste Schicht eines solchen Bauelements bildet, eingesetzt wird. Rückreflektoren sind ferner vorteilhaft, wenn die p-leitende Schicht mit großem Bandabstand die unterste Schicht des Bauelements bildet. In beiden Fällen dienen rückreflektierende Schichten zur Reflexion von ungenutztem Licht in den eigenleitenden Bereich des Bauelements, so daß eine weitere Nutzung der Sonnenenergie zur Erzeugung zusätzlicher Elektron-Loch-Paare möglich ist. Eine rückreflektierende Schicht ermöglicht es, daß ein größerer Anteil der verfügbaren Photonen in die aktive eigenleitende Schicht gelangt und dort absorbiert wird.

Leider können die besten der bekannten Rückreflektoren nur ca. 80 % des ungenutzten Lichts zurück in die Bauelemente reflektieren, in denen sie eingesetzt werden. Metalle wie Kupfer und Aluminium wurden, da sie hochreflektierend sind, als mögliche Werkstoffe für Rückreflektoren vorgeschlagen. Diese Metalle können jedoch in den Halbleiter der Bauelemente, in denen sie eingesetzt werden, diffundieren und dabei die Lichtansprecheigenschaften der Bauelemente nachteilig beeinflussen. Infolgedessen wurden als Rückreflektoren andere, weniger stark reflektierende Metalle verwendet. Diese umfassen z. B. Molybdän und Chrom. Diese Metalle diffundieren zwar nicht in den Halbleiter der Bauelemente, können jedoch den Reflexionsgrad der höher reflektierenden

Metalle nicht erreichen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die weniger stark reflektierenden Metalle an ein Material wie amorphe Siliziumlegierungen angrenzen, die eine hohe Brechzahl aufweisen. Ferner reflektieren die bekannten Rückreflektoren das ungenutzte Licht in der gleichen Richtung wie die ursprüngliche Einfallsrichtung zurück in die aktiven Bereiche (wobei senkrechter Einfall angenommen wird). Nach der Reflexion kann somit das Licht, das während des zweiten Durchgangs nicht absorbiert wird, austreten. Somit wird nicht das gesamte Licht absorbiert.. Da ferner das Licht senkrecht zu den aktiven Bereichen durchgeht, müssen die aktiven Bereiche hinreichend dick sein, um eine wirksaire Absorption zu ermöglichen. Da jedoch die Diffusionslänge der Minoritätsträger endlich ist, kann der aktive Bereich nicht willkürlich dick gemacht werden. Wenn zur Erzielung einer hohen Absorption die Dicke des aktiven Bereichs wesentlich über die Diffusionslänge hinaus erhöht wird, kommt es zu einem Vorherrschen von Rekombinationseffekten, so daß ein wirksames Einfangen der durch Licht erzeugten Ladungsträger als elektrischer Strom erschwert wird. Es besteht also ein Bedarf nach besseren Sperrschicht-Fotoelementen, bei denen nicht nur eine höhere Nutzung des einfallenden Lichts, sondern auch ein wirksameres Einfangen der in dem aktiven Bereich bzw. den aktiven Bereichen der Bauelemente erzeugten Ladungsträger stattfinden kann.

Durch die vorliegende Erfindung werden neue und verbesserte Sperrschicht-Fotoelemente angegeben, die sowohl in einer erhöhten Lichtausnutzung zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren als auch einem wirksameren Einfangen der Ladungsträger resultieren. Prinzipiell werden Mittel vorgesehen, die

zumindest einen Teil der einfallenden Strahlung durch den oder die aktiven Bereiche unter einem Winkel richten, der ausreicht, um das gerichtete Licht innerhalb des Fotoelements einzuschließen, wodurch die Absorption wesentlich gesteigert wird. Ferner ist es mit der Erfindung möglich, die aktiven Bereiche dünner auszubilden, so daß Rekombinationseffekte reduziert werden. Die Strahlungsrichter nach der Erfindung können in jeder Form von Sperrschicht-Fotoelement eingesetzt werden, insbesondere in Dünnfilm-Solarzellen bei Einzelzellen-Sperrschicht-Fotoelementen mit pin-Konfiguration sowie bei Mehrfachzellen-Strukturen, die eine Mehrzahl von Einzelzelleneinheiten aufweisen.

Durch die Erfindung werden neue und verbesserte Sperrschicht-Fotoelemente angegeben mit einem Strahlungsrichter, der mindestens einen Teil der einfallenden Strahlung durch den oder die aktiven Bereiche richtet, in denen die Ladungsträger erzeugt werden, und zwar unter einem solchen Winkel, daß die gerichtete Strahlung im wesentlichen innerhalb der Fotoelemente eingeschlossen ist. Bei senkrechtem Strahlungseinfall richtet der Strahlungsrichter die Strahlung durch den oder die aktiven Bereiche unter Winkeln, die wenigstens größer als der Winkel (der kritische Winkel) sind, dessen Sinus die Brechzahl von Luft, dividiert durch die Brechzahl des den aktiven Bereich bildenden Materials, ist. Der Einfallstrahlungs-Richter nach der Erfindung ermöglicht eine Vielzahl Durchgänge des Lichts innerhalb der aktiven Bereiche der Bauelemente, so daß eine im wesentlichen vollständige Absorption möglich ist, während gleichzeitig ein vollständigeres Einfangen der Elektron-Loch-Paare gewährleistet ist.

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Die Strahlungsrichter sind dabei entweder unregelmäßige oder regelmäßige Reflexions- oder Transmissions-Strukturen.Die unregelmäßigen und regelmäßigen bzw. periodischen Reflexionsstrukturen sind entweder Oberflächen- oder Massen-Reflektoren. Z. B. kann der unregelmäßige Oberflächenreflektor eine aufgerauhte reflektierende Oberfläche aus Aluminium, Gold, Silber, Kupfer oder einem anderen hochreflektierenden Werkstoff sein. Der regelmäßige Oberflächenreflektor kann ein reflektierendes Beugungsgitter, bevorzugt ein blaze-Bereiche aufweisendes bzw. sägezahnförmiges Beugungsgitter, sein. Der Gitterabstand kann in bezug auf die Reflexion von Licht vorbestimmter Wellenlängen optimiert sein, und die Formen und Höhen des Gitters können hinsichtlich der Wahl der Ordnung und der Reflexionsgrad-Ordnungsgrößen in erwünschter Weise so optimiert sein, daß an erwünschten Zwischenflächen des Materials eine innere Reflexion erzielt wird.

Der unregelmäßige Massenreflektor ist z. B. ein Keramikkörper aus Titandioxid, Zinkselenid, Aluminiumoxid, Zinksulfid, Selen oder Siliziumkarbid oder ein Emailkörper. Die Körner und die willkürlich verteilten Kristallflächen der polykristallinen Komponenten dieser Materialien resultieren in unregelmäßigen Reflexionen von ihrer Masse. Der regelmäßige Massenreflektor kann z. B. ein Hologramm sein.

Auf jedem der vorgenannten Reflektoren kann eine Beschichtung eines lichtdurchlässigen Leiters, z. B. eines lichtdurchlässigen leitfähigen Oxids, abgeschieden sein. Wenn diese Reflektoren als Substrate für die Fotoelemente genutzt werden, dienen die lichtdurchlässigen leitfähigen Oxidfilme

als Kontaktfilm. Das lichtdurchlässige leitfähige Oxid kann ζ. B. Indiumzinnoxid, Cadmiumstannat oder dotiertes Zinnoxid sein.

Indem das Licht durch den oder die aktiven Bereiche unter einem Winkel gerichtet wird, der größer als der kritische Winkel für eine Materialgrenzfläche zwischen Luft und aktivem Bereich ist, wird das gerichtete Licht intern reflektiert und im wesentlichen in den Fotoelementen eingeschlossen. Die Strahlungsrichter nach der Erfindung ermöglichen somit eine im wesentlichen vollständige Absorption von Licht zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren in den Fotoelementen.

Die Erfindung ist besonders zur Anwendung bei Sperrschicht-Fotoelementen mit pin-Konfiguration geeignet. Solche Fotoelemente haben einen eigenleitenden aktiven Halbleiterbereich, in dem lichtinduzierte Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, und auf entgegengesetzten Seiten des eigenleitenden Bereichs sind dotierte Bereiche von entgegengesetztem Leitungstyp vorgesehen. Der aktive eigenleitende Bereich ist bevorzugt ein amorpher Siliziumlegierungskörper oder eine solche Schicht, die Fluor als ein die Zustandsdichte reduzierendes Element enthält. Die dotierten Bereiche umfassen ferner bevorzugt einen p-leitenden amorphen Siliziumlegierungsfilm mit breitem Bandabstand, der entweder den obersten oder den untersten Halbleiterfilm des Fotoelements bildet. In beiden Fällen sind die amorphen Halbleiterbereiche bevorzugt auf die Strahlungsreflektoren aufgebracht, wobei der lichtdurchlässige Leitermaterialfilm zwischen dem Strahlungsrichter und dem dotierten untersten Film vorgese-

hen ist. Alternativ kann gemäß der Erfindung ein lichtdurchlässiger Strahlungsrichter auf dem obersten dotierten Film vorgesehen sein. Ein solcher lichtdurchlässiger Strahlungsrichter ist z. B. ein Transmissions-Beugungsgitter.

Im wesentlichen sämtliche Photonen der kürzeren Wellenlängen werden während des ersten Durchgangs des Lichts durch die aktiven eigenleitenden Bereiche dort absorbiert, wogegen nur ein Teil der Photonen mit Wellenlängen von mehr als ca. 6000 S absorbiert wird. Die regelmäßigen Reflektoren können im Hinblick auf diese größeren Wellenlängen so optimiert werden, daß eine Optimierung des Richtens der Photonen größerer Wellenlängen erfolgt. Zu diesem Zweck karder durch ein Beugungsgitter erhaltene Beugungswinkel durc·' die folgende Beziehung bestimmt werden:

Diff

na

mit d = Gitterabstand,

λ = kleinste zu beugende Photonen-Vakuumwellenlänge, η = Brechzahl des Mediums, in das die Strahlung durch

das Gitter gebeugt wird, und m = Beugungsordnung.

Die Rückreflektorsysteme nach der Erfindung sind auch in Vielfachzellen-Bauelementen wie Tandem-Fotozellen einsetzbar.

Das Sperrschicht-Fotoelement nach der Erfindung aus Halbleitermaterial, mit wenigstens einem aktiven Bereich, auf de"

einfallende Strahlung auftreffen und Ladungsträger erzeugen kann, ist gekennzeichnet durch einen Strahlungsrichter, der wenigstens einen Teil der einfallenden Strahlung durch den wenigstens einen aktiven Bereich unter einem Winkel richtet, der ausreicht, um ein im wesentlichen vollständiges Einschließen der gerichteten Strahlung innerhalb des Sperrschicht-Fotoelements zu bewirken.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung, die zur Herstellung der Sperschicht-Fotoelemente einsetzbar ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils der Einrichtung nach Fig. 1 längs den Schnittlinien 2-2;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Sperrschicht-Fotoelements nach der Erfindung, wobei die allgemeinen Prinzipien und Vorteile der Erfindung verdeutlicht sind;

Fig. 4 eine Schnittansicht durch ein pin-Sperrschicht-Fotoelement mit einem Reflektor mit unregelmäßiger Oberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 eine Schnittansicht durch ein pin-Sperrschicht-Fotoelement mit einem Reflektor willkürlicher Größe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht durch ein pin-Sperrschicht-Fotoelement mit einem eine periodische Oberfläche aufweisenden Reflektor nach der Erfindung;

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Fig. 7 eine Schnittansicht durch ein pin-Sperrschicht-Fotoelement mit einem lichtdurchlässigen Einfallslicht-Richter nach der Erfindung;

Fig. 8 eine Schnittansicht durch ein pin-Sperrschicht-Fotoelement mit einem Reflektor mit periodischer Masse nach der Erfindung;

Fig. 9 eine Schnittansicht durch eine Vielfachzelle, bestehend aus einer Mehrzahl von pin-Sperrschicht-Zelleneinheiten in Tandem-Konfiguration, wobei ein Strahlungsrichter nach der Erfindung vorgesehen ist;

Fig. 10 eine Schnittansicht durch ein weiteres Tandem-Bauelement mit einem eine periodische Oberfläche aufweisenden Reflektor nach der Erfindung; und

Fig. 11 eine Schnittansicht durch ein pin-Sperrschicht-Fotoelement, das gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist.

Fig. 1 zeigt eine Glimmentladungseinrichtung 10 mit einem Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 umschließt eine Vakuumkammer 14 und weist eine Eintrittskammer 16 sowie eine Austrittskammer auf. Ein Kathodenträger 20 ist über einen Isolator 22 in der Vakuumkammer 14 befestigt.

Der Kathodenträger 20 umfaßt eine Isolierhülse 24, die den Kathodenträger 20 umfangsmäßig umschließt. Eine Dunkelraumabschirmung 26 ist im Abstand von der Hülse 24 angeordnet und umgibt diese umfangsmäßig. Ein Substrat 28 ist an einem Innenende 30 des Kathodenträgers 20 mittels einer Halterung

32 gesichert. Die Halterung 32 kann durch Verschrauben oder anderweitig an dem Kathodenträger 20 in elektrischem Kontakt damit gesichert sein.

Der Kathodenträger 20 umfaßt eine Ausnehmung 34, in die ein elektrisches Heizelement 36 zum Aufheizen des Kathodenträgers 29 und damit des Substrats 28 eingesetzt ist. Der Kathodenträger 20 weist ferner eine temperaturempfindliche Sonde 38 zur Erfassung der Temperatur des Kathodenträgers 20 auf. Die Temperatursonde 38 dient der Steuerung der Aktivierung des Heizelements 36, so daß der Kathodenträger 20 und das Substrat 28 auf jeder erwünschten Temperatur gehalten werden.

Die Einrichtung 10 umfaßt ferner eine Elektrode 40, die vom Gehäuse 12 in die von dem Kathodenträger 20 beabstandete Vakuumkammer 14 führt. Die Elektrode 40 umfaßt eine sie umgebende Abschirmung 42, auf der ein Substrat 44 befestigt ist. Die Elektrode 40 umfaßt eine Ausnehmung 46, in die ein Elektrodenheizelement 48 eingesetzt ist. Die Elektrode 40 weist ebenfalls eine temperaturempfindliche Sonde 50 zur Erfassung der Temperatur der Elektrode 40 und damit des Substrats 44 auf. Die Sonde 50 dient der Steuerung der Aktivierung des Heizelements 48 zur Unterhaltung der Elektrode 40 und des Substrats 44 auf jeder erwünschten Temperatur unabhängig von dem Kathodenträger 20.

Ein Glimmentladungs-Plasma wird in einem Raum 52 zwischen den Substraten 28 und 44 durch die Energie ausgebildet, die von einer stabilisierten HF-, Wechsel- oder Gleichspannungsversorgung erzeugt wird, die mit dem Kathodenträger 20 und

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durch den Raum 52 mit der Elektrode 40, die geerdet ist, gekoppelt ist. Die Vakuumkammer 14 wird auf den erwünschten Unterdruck durch eine Vakuumpumpe 54 evakuiert, die über eine Teilchenfalle 56 mit der Vakuumkammer 14 verbunden ist. Ein Druckmeßfühler 58 ist mit dem Vakuumsystem gekoppelt und dient der Einstellung der Vakuumpumpe 54 zur Unterhaltung der Einrichtung 10 auf dem erwünschten Druck.

Die Eintrittskammer 16 zum Gehäuse 12 weist bevorzugt mehrere Leitungen 60 zur Einleitung von Materialien in die Einrichtung 10 auf, in der sie gemischt und in der Vakuumkammer 14 in dem Glimmentladungs-Plasmaraum 52 auf die Substrate 28 und 44 abgeschieden werden. Erwünschtenfalls kann die Eintrittskammer 16 entfernt angeordnet sein, und die Gase können vor der Einleitung in die Kammer 14 vorgemischt werden. Die gasförmigen Stoffe werden in die Leitungen 60 durch einen Filter oder eine andere Reinigungsvorrichtung 62 mit einem durch ein Absperrorgan 64 bestimmten Durchsatz eingeleitet.

Wenn ein Material ursprünglich nicht gasförmig, sondern stattdessen flüssig oder fest ist, kann es in einen hermetisch dichten Behälter 66 eingebracht werden, wie bei 68 angedeutet ist. Das Material 68 wird dann durch eine Heizeinheit 70 erwärmt, um seinen Dampfdruck im Behälter 66 zu steigern. Ein geeignetes Gas, z. B. Argon, wird durch ein Tauchrohr 72 in das Material 68 eingeleitet, so daß die Dämpfe des Materials 68 eingefangen und durch einen Filter 62' und ein Absperrorgan 64' in die Leitungen 60 und von dort in die Einrichtung 10 gefördert werden.

Die Eintritts- und die Austrittskammer 16 bzw. 18 weisen bevorzugt Blenden 74 auf, durch die das Plasma in der Kammer 14 und im wesentlichen zwischen den Substraten 28 und 44 eingeschlossen ist.

Die durch die Leitungen 60 zugeführten Materialien werden in der Eintrittskammer 16 miteinander vermischt und dann in den Glimmentladungsraum 52 geleitet, um das Plasma zu unterhalten und die Legierung auf den Substraten unter Einbau von Silizium, Fluor, Sauerstoff und den übrigen erwünschten Änderungselementen wie Wasserstoff und/oder Dotierstoffen oder anderen erwünschten Materialien abzuscheiden.

Zur Abscheidung von Filmen von eigenleitenden amorphen Siliziumlegierungen wird die Einrichtung 10 zuerst auf einen erwünschten Abscheidungsdruck heruntergepumpt, z. B. auf weniger als 20 mTorr, bevor mit der Abscheidung begonnen wird. Ausgangsmaterialien oder Reaktionsgase wie Siliziumtetrafluorid (SiF.) und/oder Silan werden durch getrennte Leitungen 60 in die Eintrittskammer 16 geleitet und dort vermischt. Das Gasgemisch wird in die Vakuumkammer eingeleitet, um dort einen Partialdruck von ca. 0,6 Torr zu unterhalten. In dem Raum zwischen den Substraten 28 und 44 wird ein Plasma erzeugt, indem eine Gleichspannung von mehr als 600 V oder/und HF-Energie von ca. 10-15 W mit einer Betriebsfrequenz von 13,56 MHz oder einer anderen erwünschten Frequenz verwendet wird.

Zusätzlich zu den in der erläuterten Weise aufgebrachten eigenleitenden amorphen Siliziumlegierungen verwenden die Bauelemente gemäß den verschiedenen Ausführungsbeispielen

auch dotierte amorphe Siliziumlegierungen einschließlich amorpher Siliziumlegierungen mit breitem Bandabstand p. Diese dotierten Legierungsfilme können ρ-, ρ -, η- oder η -leitend sein und können durch Einleiten eines geeigneten Dotierstoffs in die Vakuumkammer zusammen mit dem eigenleitenden Ausgangsmaterial wie dem Silan-(SiH.)- oder dem Siliziumtetrafluorid-(SiF₄)-Ausgangsmaterial und/oder Wassserstoff und/oder Silan eingeleitet werden.

Für n- oder p-dotierte Filme kann das Material mit 5-100 ppm Dotierstoff während der Abscheidung dotiert sein. Für η oder ρ -dotierte Filme wird das Material mit 100 ppm bis mehr als 1 % Dotierstoff während der Abscheidung dotiert. Die n-Dotierstoffe sind z. B. Phosphor, Arsen, Antimon oder Wismut. Bevorzugt werden die η-dotierten Filme durch die Glimmentladungs-Zersetzung von wenigstens Siliziumtetrafluorid (SiF₄) und Phosphin (PH₃) abgeschieden. Diesem Gemisch können ferner Wasserstoff und/oder Silangas (SiH.) zugefügt werden.

Die p-^Dotierstoffe sind z. B. Bor, Aluminium, Gallium, Indium oder Thallium. Bevorzugt werden die p-leitenden Filme durch die Glimmentladungs-Zersetzung von wenigstens Silan und Diboran (B₂Hg) oder Siliziumtetrafluorid und Diboran abgeschieden. Dem Siliziumtetrafluorid und Diboran können ebenfalls Wasserstoff und/oder Silan zugefügt werden.

Zusätzlich werden gemäß der Erfindung die p-leitenden Filme aus amorphen Siliziumlegierungen gebildet, die wenigstens ein Bandabstand-Vergrößerungselement enthalten. Z. B. können in die p-leitenden Legierungen zur Vergrößerung ihrer

Bandabstände Kohlenstoff und/oder Stickstoff eingebaut werden. Eine amorphe Siliziumlegierung mit breitem Bandabstand kann z. B. durch ein Gasgemisch aus Siliziumtetrafluorid (SiF.), Silan (SiH₄), Diboran (B₂Hg) und Methan (CH₄) gebildet werden. Dies resultiert in einer p-leitenden amorphen Siliziumlegierung mit weitem Bandabstand.

Die dotierten Filme der Fotoelemente werden bei verschiedenen Temperaturen in Abhängigkeit von dem abzuscheidenden Material und dem eingesetzten Substrat abgeschieden. Im Fall von Aluminiumsubstraten sollte die Höchsttemperatur nicht mehr als ca. 600 ⁰C betragen, und im Fall von rostfreiem Stahl könnte sie oberhalb von ca. 1000 ⁰C liegen. Im Fall der eigenleitenden und dotierten Legierungen, die ursprünglich mit Wasserstoff kompensiert sind, z. B. für die Legierungen, die aus dem Äusgangsmaterial Silangas abgeschieden sind, sollte die Substrattemperatur unter ca. 400 ⁰C, bevorzugt zwischen 250 und 350 ⁰C, liegen.

Weitere Materialien und Legierungselemente können den eigenleitenden und dotierten Filmen ebenfalls zugefügt werden, um eine optimierte Stromerzeugung zu erzielen. Diese weiteren Materialien und Elemente werden nachstehend in Verbindung mit den Bauelement-Konfigurationen gemäß den Fig. 4-10 erläutert.

Fig. 3 zeigt als im wesentlichen schematische Schnittansicht ein Sperrschicht-Fotoelement 80, auf das zur Erleichterung des Verständnisses der Merkmale und Vorteile der Erfindung Bezug genommen wird. Das Fotoelement 80 kann jede für ein

Sperrschicht-Fotoelement geeignete Konfiguration aufweisen und z. B. ein pin-, ein pn- oder ein Schottky-Fotoelement sein. Das Fotoelement umfaßt einen Körper 82 aus Halbleitermaterial, das ein kristallines, ein polykristallines oder ein amorphes Halbleitermaterial oder irgendeine Kombination dieser Materialien sein kann. Wie noch unter Bezugnahme auf die Fig. 4-10 erläutert wird, besteht der Halbleiterkörper 82 bevorzugt - jedoch nicht unbedingt - aus einer amorphen Siliziumlegierung, die wenigstens einen aktiven Bereich aufweist, in dem lichtinduzierte Elektron-Löcher erzeugt werden.

Der Halbleiterkörper 82 ist auf einem Strahlungsrichter 84 angeordnet, der entweder leitfähig oder mit einem leitfähigen Werkstoff, z. B. einem lichtdurchlässigen leitfähigen Oxid, beschichtet sein kann zur Bildung eines unteren Kontakts für das Fotoelement 80. Über dem Halbleiterkörper 82 befindet sich ein Film aus leitfähigem Material, z. B. aus einem lichtdurchlässigen leitfähigen Oxid (TCO). Dieses kann z. B. Indiumzinnoxid, Cadmiumstannat oder dotiertes Zinnoxid sein. Auf dem leitfähigen Film 86 ist ein Gittermuster 88 vorgesehen. Dieses kann aus einer Mehrzahl von orthogonal zueinander verlaufenden Linien eines leitfähigen Metalls bestehen und ca. 5-10 % der Oberfläche des Films 86 bedecken. Der Film 86 und das Gitter 88 wirken als oberer Kontakt des Fotoelements. Über dem Gitter 88 und dem leitfähigen Film 86 ist ein Antireflexionsfilm (AR-FiIm) 90 aufgebracht. Filme dieser Art werden später noch genauer erläutert. Ein Film aus einer Glasvergußmasse kann ebenso anstelle des AR-Films 90 verwendet werden.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind der Strahlungsrichter 84, der Halbleiterkörper 82, der leitfähige Film 86 und der AR-Überzug 90 sämtlich im wesentlichen eben und bilden im wesentlichen parallele Grenz- bzw. Zwischenflächen 94, 96 und 98. Die Strahlungseinfallsfläche 92 des Fotoelements sowie die Grenzflächen 94, 96 und 98 sind so angeordnet, daß sie einfallendes Licht, das durch die Strichlinie 100 bezeichnet ist, im wesentlichen senkrecht empfangen.

Bei bekannten Rückreflektoren können die Photonen des Strahls 100, die in dem Halbleiterkörper 82 während des zweiten oder reflektierten Durchgangs durch diesen nicht absorbiert werden, ungehindert aus der Endfläche des Fotoelements austreten, weil der Strahl 100 entlang seiner ursprünglichen Einfallslinie in das Fotoelement reflektiert wird.

Gemäß der Erfindung tritt der Strahl 100 nicht aus dem Fotoelement aus, weil der Einfallstrahlungsrichter 84 den Strahl durch das Halbleitermaterial unter einem Winkel richtet, der ausreicht, um den Strahl im wesentlichen innerhalb des Fotoelements 80 einzuschließen. D. h., wenn der Strahl 100 auf den Strahlungsrichter 84 auftrifft, wird er von diesem unter einem Winkel Θ.. reflektiert, der größer als der kritische Winkel für eine Grenzfläche zwischen dem den Halbleiterkörper 82 bildenden Material und Luft ist. Wenn z. B. der Halbleiterkörper 82 eine amorphe Siliziumlegierung mit einer Brechzahl η = 3,5 ist, beträgt der Winkel θ 16,6°. Dieser Winkel kann unter Anwendung des Snelliusschen Brechungsgesetzes errechnet werden, wobei für eine Totalreflexion θ durch die folgende Beziehung gegeben ist:

ⁿ2

mit η.. = die niedrigere Brechzahl und ru = die höhere Brechzahl.

Hier ist n^ gleich 1 für Luft, und n₂ ist gleich 3,5 für amorphes Silizium. Somit ist n- dividiert durch n₂ gleich 0,286, und der Winkel mit dem Sinus 0,286 ist 16,6°.

Jeder Strahl, der durch den Halbleiterkörper 82 (unter der Annahme, daß es sich um amorphes Silizium handelt) unter einem Winkel von 16,6° oder mehr zur Normalen gerichtet wird, wird intern innerhalb des Fotoelements wenigstens an der Einfallsfläche 92 reflektiert. Die innere Reflexion kann jedoch früher, z. B. an der Grenzfläche 98 oder der Grenzfläche 96, erfolgen. Damit die innere Reflexion an der Grenzfläche 98 erfolgt, wo die AR- oder Glasschicht 90 eine Brechzahl von ca. 1,45 haben kann, müßte der Strahl um einen Winkel θ₂, der gleich oder größer als 24,5° ist, von der Normalen weggerichtet werden. Damit die innere Reflexion an der Grenzfläche 96 erfolgt, wo das TCO-Material eine Brechzahl 2,0 haben kann, müßte gleichermaßen der kritische Winkel θ^ 34,8° betragen. Wie noch angegeben wird, kann der Einfallstrahlungsrichter 84 gemäß der Erfindung eine Vielzahl verschiedener Formen haben, um wenigstens einen Teil der einfallenden Strahlung durch den oder die aktiven Bereiche von Sperrschicht-Fotoelementen unter solchen Winkeln zu richten, daß die gerichtete Strahlung in den Fotoelementen eingeschlossen bleibt. Der Einfallsstrahlungsrichter kann entweder ein unregelmäßiger oder ein

periodischer bzw. regelmäßiger Reflektor sein. Bei einem unregelmäßigen Reflektor wird nicht die gesamte einfallende Strahlung eingeschlossen, aber die innere Reflexion kann an jeder der Grenzflächen oder der Oberflächen, die vorher erwähnt wurden, erfolgen. Bei einem periodischen Reflektor sind die Richtwinkel so einstellbar, daß nahezu das gesamte Licht, das diesen Einfallstrahlungsrichter erreicht, eingeschlossen werden kann. Zusätzlich ist der Richtwinkel so einstellbar, daß eine bestimmte Grenzfläche, an der die innere Reflexion erfolgt, ausgewählt werden kann. Die durch den Strahlungsrichter 84 gerichtete Strahlung ist hauptsächlich Rotspektrum-Licht oder Licht längerer Wellenlängen, da die kürzeren Wellenlängen während des ersten Durchgangs durch die amorphe Siliziumlegierung leichter absorbiert werden. Wie jedoch unter Bezugnahme auf Fig. ersichtlich ist, kann die einfallende Strahlung durch den aktiven Bereich gemäß der Erfindung während ihres ersten Durchgangs in ein Bauelement gerichtet werden.

Fig. 4 zeigt im Schnitt ein pin-Bauelement 110 mit einem Reflektor 111 mit unregelmäßiger Oberfläche gemäß der Erfindung. Der Reflektor 111 umfaßt ein Substrat 112, das Glas sein kann. Die Oberfläche des Glassubstrats 112 is willkürlich bzw. unregelmäßig aufgerauht, ζ. Β. durch Sandstrahlen, so daß eine aufgerauhte Oberfläche 113 gebildet ist. Sandstrahlen ist ein bekanntes Verfahren, bei dem sehr feinteilige Körner eines Schleifmittels mit hoher Geschwindigkeit auf die aufzurauhende Oberfläche abgestrahlt werden. Das Substrat 112 hat eine erwünschte Breite und Länge.

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Gemäß der Erfindung ist auf der aufgerauhten Glasoberfläche 113 ein Film 114 aus stark reflektierendem Metall abgeschieden. Der Film 114 wird durch Aufdampfen aufgebracht, wobei es sich um ein relativ schnelles Aufbringverfahren handelt. Der Film 114 ist bevorzugt ein hochreflektierendes Metall wie Silber, Aluminium, Gold, Kupfer oder ein anderes solches Material. Über dem Film 114 ist ein Film 115 eines lichtdurchlässigen Leitermaterials, z. B. ein lichtdurchlässiges leitfähiges Oxid (TCO), aufgebracht. Der lichtdurchlässige Leiterfilm muß wenigstens für die Photonen solcher Wellenlängen durchlässig sein, die während des ersten Durchgangs durch das Bauelement nicht sofort absorbiert werden. Der TCO-Film 115 kann durch Aufdampfen aufgebracht sein und besteht z. B. aus mehreren Filmen 115a und 115b aus Indiumzinnoxid (ITO), Cadmiumstannat (Cd₃SnO₄), Cadmiumoxid (CdO), Cadmiumsulfid (CdS), Zinkoxid (ZnO), Kupfer(I)-oxid (Cu₂O), Bariumplumbat (Ba₂PbO.) oder Zinnoxid (SnO₂) oder einem Einzelfilm eines der vorgenannten Materialien. Der oder die TCO-Filme 115 dienen als Rückkontakt für das Bauelement 110 und ferner als Glättungsfilm, der eine im wesentlichen ebenere Oberfläche bildet, auf die der Halbleiter aufgebracht werden kann. Der oder die TCO-Filme dienen ferner als Diffusionssperrschicht und verhindern eine Diffusion des hochleitfähigen Metalls, das den Film 114 bildet, in das Halbleitermaterial des Bauelements. Das Glassubstrat 112, der Film 114 aus stark reflektierendem Metall sowie der Film 115 aus dem lichtdurchlässigen Leitermaterial bilden einen Reflektor mit unregelmäßiger Oberfläche gemäß der Erfindung. Da der Film 114 willkürlich bzw. unregelmäßig aufgerauht ist, wird zumindest ein Teil des auf den Reflektor 111 auftreffenden einfallenden Lichts durch

das Bauelement unter einem solchen Winkel gerichtet, daß das gerichtete Licht in dem Bauelement in der erläuterten Weise eingeschlossen wird.

Der Reflektor 111 mit unregelmäßiger Oberfläche wird dann in eine Glimmentladungs-Abscheidungsumgebung verbracht. Ein erster p-leitender dotierter amorpher Siliziumlegierungsfilm 116 mit breitem Bandabstand wird auf den Film 115 aufgebracht. Der Film 116 ist ρ -leitend. Die ρ -Zone ist so dünn wie möglich, und zwar in der Größenordnung von 50-500 2, was ausreicht, um einen guten ohmschen Kontakt zwischen der ρ -Zone und dem lichtdurchlässigen leitfähigen Oxidfilm 115 herzustellen. Die ρ -Zone dient ferner der Ausbildung eines Potentialgefälles durch das Bauelement, wodurch das Einfangen von lichtinduzierten Elektron-Loch-Paaren als elektrischer Strom erleichtert wird. Der ρ Film 116 kann aus jedem der Gasgemische, die vorstehend für die Abscheidung eines solchen Materials genannt wurden, abgeschieden werden.

Anschließend wird ein eigenleitender amorpher Siliziumlegierungskörper 118 auf dem p-leitenden Film 116 mit breitem Bandabstand abgeschieden. Der eigenleitende Körper 118 ist relativ dick in der Größenordnung von 4500 8 und wird aus Siliziumtetrafluorid und Wasserstoff und/oder Silan abgeschieden. Der eigenleitende Körper enthält bevorzugt die mit Fluor kompensierte amorphe Siliziumlegierung, in der die meisten der Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Der Kurzschlußstrom des Bauelements wird durch die kombinierten Auswirkungen des Rückreflektors nach der Erfindung und den breiten Bandabstand der p-leitenden amorphen Siliziumlegierungsschicht 116 verstärkt.

Auf dem eigenleitenden Körper 118 ist ein weiterer dotierter Film 120 vom entgegengesetzten Leitungstyp wie der erste dotierte Film 116 abgeschieden. Er enthält eine η -leitende amorphe Siliziumlegierung. Der n⁺-Film 120 wird aus irgendeinem der Gasgemische, die vorher zu diesem Zweck erwähnt wurden, abgeschieden. Er wird mit einer Dicke zwischen 50 und 500 8 abgeschieden und dient als Kontaktfilm.

Ein weiterer lichtdurchlässiger leitender Oxidfilm (TCO-Film) 122 wird dann auf dem n⁺-Film 120 abgeschieden. Der TCO-Film 122 kann ebenfalls aufgedampft werden und ist z. E. Indiumzinnoxid (ITO), Cadmiumstannat (Cd SnO₄) oder dotiertes Zinnoxid (SnO„).

Auf der Oberfläche des TCO-Films 122 ist eine Gitterelektrode 124 aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit Abgeschieden. Das Gitter kann aus zueinander orthogonalen Linien eines leitenden Materials bestehen, die nur einen geringen Anteil der Fläche der metallischen Zone bedecken, wobei die übrige Fläche der Sonnenenergie ausgesetzt ist. i. B. kann das Gitter 124 nur ca. 5-10 % der Gesamtfläche des TCO-Films 122 einnehmen. Die Gitterelektrode 124 dient dem gleichmäßigen Auffangen von Strom aus dem TCO-Film 122, so daß für das Bauelement ein guter niedriger Serienwiderstand gewährleistet ist.

Zur Fertigstellung des Bauelements 110 ist eine Antireflexionsschicht (AR-Schicht) oder eine Glasvergußmasse 126 auf die Gitterelektrode 124 und die Flächenbereiche des TCO-Films 122 zwischen den Gitterelektrodenbereichen aufge-

bracht. Die AR-Schicht bzw. das Glas 126 hat eine Sonnenstrahlungs-Einfallsfläche 128, auf die die Sonnenstrahlung auftrifft. Wenn die Schicht 126 eine Antireflexionsschicht ist_f kann ihre Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge des maximalen Energiepunkts des Sonnenstrahlenspektrums, dividiert durch die vierfache Brechzahl der AR-Schicht 126, liegen. Eine geeignete AR-Schicht 126 ist z. B. Zirkonoxid mit einer Dicke von ca. 500 A* und einer Brechzahl von 2,1. Wenn die Schicht 126 eine Vergußmasse ist, kann die Dicke des TCO-Films 122 so gewählt werden, daß sie auch als Antireflexionsschicht für das Bauelement 110 wirkt.

Alternativ kann der Reflektor 111 mit unregelmäßiger Oberfläche auch anstelle des Glases 112 ein rostfreies Stahlblech oder ein anderes Metall aufweisen. Die aufgerauhte Oberfläche kann durch Aufdampfen eines hochleitfähigen Metalls, z. B. Aluminium, auf das rostfreie Stahlblech erzeugt werden. Aluminium mit relativ großer Korngröße kann so durch Aufdampfen eine willkürlich aufgerauhte Oberfläche bilden. Über dem Aluminium kann ein TCO-Film wie der Film 115 aufgebracht werden.

Nahezu sämtliche Photonen des einfallenden Lichts mit kürzeren Wellenlängen werden durch die eigenleitende aktive Schicht 118 absorbiert. Infolgedessen hat der größere Teil derjenigen Photonen, die nicht absorbiert werden und den Reflektor 111 mit unregelmäßiger Oberfläche erreichen, längere Wellenlängen im Bereich von ca. 6000 A und mehr. Diese auf den Reflektor 111 auftreffende einfallende Strahlung wird willkürlich gestreut, und wenigstens einige dieser Strahlen werden durch den eigenleitenden Bereich 118

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unter ausreichenden Winkeln gerichtet, um ihre innere Reflexion an einer der Grenzflächen der Filme 118 und 120, 120 und 122, 122 und 126 oder an der Grenzfläche zwischen dem Film 126 und der darüber befindlichen Atmosphäre zu bewirken. Die so gerichteten Strahlen des einfallenden Lichts sind innerhalb des Bauelements 110 im wesentlichen eingefangen.

Der Bandabstand der eigenleitenden Schicht 118 kann durch den Einbau von Bandabstand-Verringerungselementen auf eine bestimmte Lichtansprechempfindlichkeit eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Bandabstand des eigenleitenden Körpers 118 abzustufen, so daß er von dem P⁺-FiIm 116 zu dem n⁺-Film 120 hin allmählich größer wird (vgl. z. B. die US-Patentanmeldung Serial-Nr. 427 756). Während der Abscheidung der eigenleitenden Schicht 118 können z. B. eines oder mehrere Bandabstand-Verringerungselemente wie Germanium, Zinn oder Blei in die Legierungen in allmählich abnehmenden Konzentrationen eingebaut werden. Z. B. kann Monogermangas (GeH.) in die Glimmentladungs-Abscheidungskammer eingeleitet werden, und zwar zuerst mit relativ hoher Konzentration, die während der Abscheidung der eigenleitenden Schicht bis zu einem Punkt abnimmt, an dem sie Null wird. Der eigenleitende Körper enthält somit ein Bandabstand-Verringerungselement wie Germanium in allmählich abnehmender Konzentration, ausgehend von dem ρ -Film 116 in Richtung zu dem η -Film 120.

Fig. 5 zeigt ein pin-Sperrschicht-Fotoelement 130 mit einem Reflektor 132 mit unregelmäßiger Masse. Das Fotoelement umfaßt einen p-leitenden Film 138, eine eigenleitende

Schicht 140 sowie einen η-leitenden Film 142. Die Filme bzw. Schichten 138, 140 und 142 können in der vorher unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläuterten Weise aus den amorphen Siliziumlegierungen gebildet werden. Ebenso wie bei dem Fotoelement 110 von Fig. 4 umfaßt das Fotoelement 130 einen Film 144 aus einem lichtdurchlässigen leitfähigen Oxid, ein Einfanggitter 146 und einen Antireflexionsfilm oder eine Glasvergußmasse 148.

Der Reflektor 132 mit unregelmäßiger Masse umfaßt eine Folie oder ein im wesentlichen ebenes Element 134 aus Keramik oder Email. Solche Materialien haben eine hohe Brechzahl, z. B. höher als 1,45, sind nicht lichtabsorbierend und weisen in ihrer Masse Körner und willkürlich verteilte Kristallflächen polykristalliner Komponenten auf, die das einfallende Licht willkürlich in alle Richtungen streuen. Das Keramik- oder Emailmaterial kann z. B. Titandioxid, Zinkselenid, Zinksulfid, Selenium oder Siliziumkarbid enthalten. Die Folie 134 kann auch durch die gleichzeitige Abscheidung von Zinnoxid und Titandioxid hergestellt werden.

Da die willkürliche Streuung des Lichts von der Folie 134 ein Volumen- bzw. Masseneffekt ist, kann die Folienoberfläche poliert oder anderweitig sehr eben gemacht werden. Dies ist insofern vorteilhaft, als für die Abscheidung des Halbleitermaterials eine ebene Fläche vorhanden ist. Zwar können Keramik- und Emailmaterialien bis zu einem gewissen Grad elektrisch leitfähig gemacht werden, aber ein Film eines lichtdurchlässigen leitfähigen Oxids (TCO-Film) kann zwischen der Folie 134 und der p-leitenden amorphen Siliziumlegierungsschicht 138 vorgesehen werden, so daß ein ünterkontakt für das Fotoelement 130 gebildet ist.

Fig. 6 zeigt ein pin-Sperrschicht-Fotoelement 150 mit einem Reflektor 152 mit periodischer Oberfläche. Das Fotoelement 150 umfaßt einen Film 158 aus p-leitender amorpher Siliziumlegierung, eine Schicht 160 aus einer eigenleitenden amorphen Siliziumlegierung sowie einen Film 162 aus einer η-leitenden amorphen Siliziumlegierung. Die Schichten bzw. Filme 158, 160 und 162 können aus den bereits erläuterten Legierungen und mit den erläuterten Verfahren hergestellt werden. Das Fotoelement umfaßt ferner einen TCO-Film 164, ein Einfanggitter 166 und einen AR-FiIm oder eine Glasvergußmasse 168.

Der Reflektor 152 mit periodischer bzw. regelmäßiger Oberfläche umfaßt ein reflektierendes Beugungsgitter 154, das aus einem leitfähigen Metall wie Aluminium bestehen kann zur Bildung eines Rückkontakts für das Fotoelement 150, und eine darüber befindliche Schicht 156 aus lichtdurchlässigem leitfähigem Oxid. Das Muster des Beugungsgitters kann im Querschnitt jede periodische Form haben, es kann z. B. sinusförmig, rechteckförmig od. dgl. sein. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist das Beugungsgitter 154 ein Gitter mit blaze-Bereichen bzw. Sägezahnprofil. Beugungsgitter dieser Art werden bevorzugt, weil die Null-Ordnungs-Reflexionen, also die zum Gitter senkrechten Reflexionen, minimiert werden.

Wie bereits erwähnt, sind periodische Reflektoren vorteilhaft, weil die Beugungswinkel durch geeignete Konstruktion des Gitters ausgewählt werden können. Dies ermöglicht eine wirksame Auswahl der Zwischenfläche, an der eine innere Reflexion stattfindet. Bei dem Fotoelement 150 ist es

erwünscht, daß die innere Reflexion an oder unter der Zwischenfläche zwischen den Filmen 168 und 164 erfolgt, so daß das Einfanggitter nicht einen Teil des intern reflektierten Lichts blockieren kann.

Für die Auslegung des Beugungsgitters kann die folgende Gleichung angewandt werden:

⁹DiM

nd

mit η = Brechzahl des Mediums, in das Licht vom

Beugungsgitter gebeugt wird, λ = Lichtwellenlänge im Vakuum, d = Gitterabstand, und
m = Beugungsordnung.

Die Höhe h des Beugungsgitters ist ebenfalls eine Variable, die eine Einstellung der Intensität des in den verschiedenen Beugungsordnungen gebeugten Lichts erlaubt. Normalerweise sollte zur Erhöhung der Intensität der gebeugten Strahlen erster Ordnung h eine Höhe von etwa einer Wellenlänge bei der interessierenden Frequenz aufweisen.

Die Beugung erster Ordnung wird ferner verstärkt, wenn d etwa gleich einer Wellenlänge bei der interessierenden Frequenz ist. Da der größte Teil der Photonen kürzerer Wellenlänge in dem aktiven eigenleitenden Bereich 160 während des ersten Durchgangs absorbiert wird, interessieren

_Λ "' - · 3306Η8

hier die Photonen größerer Wellenlänge von ca. 6600 8 und mehr.

Wenn d gleich 6600 8 und m gleich 1 für die Beugung erster Ordnung ist und das Gitter 154 mit einem Film 156 aus lichtdurchlässigem leitfähigem Oxid wie Indiumzinnoxid mit einer Brechzahl ri = 2,1 beschichtet ist, kann die obige Gleichung für θ ._ff aufgelöst werden:

. 1
^{Diff =} "6^0^x2,1 = 28,4°

Dieser Winkel von 28,4° innerhalb des TCO-Films 156 ist gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz ausreichend, um die Strahlen durch die amorphen Siliziumlegierungsfilme 158, 160 und 162 unter einem Winkel zu richten, der größer als der kritische Winkel für eine Grenzfläche zwischen amorphem Silizium und Luft ist, so daß eine innere Reflexion wenigstens an der Zwischenfläche zwischen dem Film 168 und Luft erfolgt. Selbstverständlich erhält man bei der Auslegung eines Beugungsgitters für eine Beugung höherer Ordnung einen größeren Winkel, um eine innere Reflexion vor dieser Zwischenfläche zu erzielen.

Fig. 7 zeigt ein pin-Sperrschicht-Fotoelement 170 mit einer. Einfallslichtrichter 172 zwischen dem η-leitenden amorphen Siliziumlegierungsfilm 174 und dem TCO-Film 176. Der Einfallslichtrichter 172 umfaßt ein Transmissionsgitter 178, das so angeordnet ist, daß es das gesamte einfallende Licht

— 4b —

durch den eigenleitenden Bereich 180 unter einem Winkel richtet. Da jedoch nahezu das gesamte Licht kürzerer Wellenlänge während des ersten Durchgangs in dem eigenleitenden Bereich 180 absorbiert wird, kann das Beugungsgitter 178, wie bereits erläutert, für die längeren Wellenlängen optimiert werden. Im vorliegenden Fall ist zwar ein sinusförmiges Beugungsgitter gezeigt; es kann sich aber auch um irgendeine der bereits erwähnten anderen Gitterarten handeln.

Ebenso wie die vorhergehenden pin-Fotoelemente umfaßt das Fotoelement 170 außerdem einen p-leitenden Film 182 aus einer amorphen Siliziumlegierung, ein Einfanggitter 184 und einen Film 186 aus Antireflexionsma,terial oder Glasvergußmasse. Die verschiedenen Filme sind auf einem Substrat 171 aus Glas, rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Substratwerkstoff augebracht. Über dem Substrat 171 ist ein Film 173 aus einem hochleitfähigen und somit hochreflektierenden Metall und ein TCO-Film 175 aufgebracht. Der reflektierende Metallfilm 173 und der TCO-Film 175 bilden einen Rückreflektor, der nichtgenutztes Licht zurück in den eigenleitenden Bereich 180 reflektiert.

Alternativ kann der lichtdurchlässige Lichtrichter Glas mit einer z. B. durch Sandstrahlen erzeugten aufgerauhten Oberfläche sein. Die verschiedenen amorphen Siliziumlegierungsfilme können dann auf die aufgerauhte Oberfläche niedergeschlagen werden, wonach ein spiegelnder Rückreflektor aufgebracht wird. Bei dieser Form des Fotoelements wird die einfallende Strahlung zuerst durch das Glassubstrat gerichtet. Das Glassubstrat bildet einen unregelmäßigen Strahlungsrichter, der auf der Seite des aktiven Bereichs vorgesehen ist, auf den das Licht zuerst auftrifft.

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Fig. 8 zeigt ein weiteres pin-Sperrschicht-Fotoelement 190 mit einem Reflektor 192 mit periodischer Masse. Da das Fotoelement 190 im übrigen mit den Fotoelementen der Fig. 4-6 identisch ist, wird nur der Reflektor mit periodischer Masse im einzelnen erläutert.

Der regelmäßige Massenreflektor 192 ist auf einem Substrat 194 aus Glas, rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Werkstoff aufgebracht. Er hat die Form eines Hologramms mit einer Mehrzahl dünner ebener Elemente oder Linien 196 aus reflektierendem Material, z. B. Aluminium, das in einem lichtdurchlässigen Medium 198 eingebettet ist. Dabei ist das lichtdurchlässige Material ein lichtdurchlässiges leitfähiges Oxid, z. B. Indiumzinnoxid, so daß einerseits ein geeignetes Medium für die Linien 196 und andererseits ein Unterkontakt für das Fotoelement 190 erhalten wird.

Die Linien 196 sind unter einem Winkel angeordnet, voneinander beabstandet und im wesentlichen parallel. Die Beugung von Licht durch ein Hologramm kann durch dieselbe Gleichung bestimmt werden, die vorher für ein Beugungsgitter definiert wurde. Dabei ist der Abstand d der Abstand zwischen den Linien 196.

Da die Beugung des Lichts im Volumen bzw. der Masse des Hologramms erfolgt, kann dessen Oberfläche poliert oder anderweitig eben gemacht sein. So ergibt sich eine ebene Oberfläche, auf der der amorphe Siliziumlegierungsfilm abgeschieden werden kann.

Fig. 9 zeigt im Schnitt ein Mehrfachzellen-Bauelement 200, das in Tandemkonfiguration ausgelegt ist und einen Reflektor

mit unregelmäßiger Oberfläche aufweist. Das Bauelement umfaßt zwei Einzelzelleneinheiten 202 und 204, die in Reihe angeordnet sind. Selbstverständlich können mehr als zwei Einzelzelleneinheiten verwendet werden.

Das Bauelement 200 umfaßt einen Reflektor 206 mit unregelmäßiger Oberfläche, der eine sandgestrahlte Glasschicht 203 aufweist, die mit einem Metallfilm 205 mit gutem Reflexionsvermögen wie z. B. Aluminium beschichtet ist. Auf dem Metallfilm 205 befindet sich ein lichtdurchlässiger leitfähiger Oxidfilm 207, der aus einem ersten Indiumzinnoxidfilm 207a und einem zweiten dotierten Zinnoxidfilm 207b oder einem einzigen Indiumzinnoxidfilm bestehen kann. Der Film 207 aus lichtdurchlässigem leitfähigem Oxid kann in der bereits erläuterten Weise abgeschieden werden.

Die erste Zelleneinheit 202 umfaßt einen ersten dotierten amorphen ρ -Siliziumlegierungsfilm 208, der auf dem TCO-Film 207 niedergeschlagen ist. Der ρ -Film ist bevorzugt eine p-leitende amorphe Siliziumlegierung mit großem Bandabstand nach der Erfindung. Er kann aus jedem der vorher für diese Zwecke erwähnten Ausgangsmaterialien abgeschieden werden.

Auf dem ρ -Film 208 mit großem Bandabstand ist ein erster eigenleitender amorpher Siliziumlegierungskörper 210 niedergeschlagen. Dieser ist bevorzugt eine amorphe Silizium-Fluor-Legierung.

Auf dem eigenleitenden Körper 210 ist ein weiterer dotierter amorpher Siliziumlegierungsfilm 212 niedergeschlagen, der gegenüber dem ersten dotierten Film 208 vom entgegengesetzten Leitungstyp und somit ein η -Film ist.

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Die zweite Zelleneinheit 204 ist im wesentlichen identisch aufgebaut und umfaßt einen ersten dotierten ρ -Film 214, einen eigenleitenden Körper 216 und einen weiteren dotierten η -Film 218. Das Bauelement 200 wird durch einen TCO-Film 220, eine Gitterelektrode 222 und einen Antireflexionsfilm oder eine Glasvergußmasse 224 abgeschlossen.

Die Bandabstände der eigenleitenden Schichten sind bevorzugt so eingestellt, daß der Bandabstand der Schicht 216 größer als derjenige der Schicht 210 ist. Zu diesem Zweck kann die die Schicht 216 bildende Legierung eines oder mehrere Bandabstand-Vergrößerungselemente wie Stickstoff und Kohlenstoff enthalten. Die die eigenleitende Schicht 210 bildende eigenleitende Legierung kann eines oder mehrere Bandabstand-Verringerungselemente wie Germanium, Zinn oder Blei enthalten.

Aus der Figur ist ersichtlich, daß die eigenleitende Schicht 210 der Zelleneinheit dicker als die eigenleitende Schicht 216 ist. Dies ermöglicht die Nutzung des gesamten nutzbaren Spektrums der Solarenergie zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren.

Es wird zwar eine Ausführungsform mit Bauelementen in Tandemanordnung gezeigt und beschrieben, die Zelleneinheiten können jedoch auch voneinander etwa durch Oxidfilme isoliert sein und eine übereinander angeordnete Mehrfachstapelzelle bilden. Jede Zelle könnte zwei Kollektorelektroden aufweisen, um die Reihenschaltung der Zellen mit externer Verdrahtung zu erleichtern.

Als weitere Alternative, die bereits unter Bezugnahme auf die vorher erläuterten Einzelfotoelemente erwähnt wurde,

können einer oder mehrere" der eigenleitenden Körper der Zelleneinheiten Legierungen mit abgestuften Bandabständen aufweisen. Jedes oder mehrere der vorher erwähnten Bandabstand-Vergrößerungs- oder -Verringerungselemente kann zu diesem Zweck in die eigenleitenden Legierungen eingebaut werden (vgl. auch die US-Patentanmeldung Serial-Nr. 427 757).

Fig. 10 zeigt eine pin-Sperrschicht-Fotozelle 230 in Tandemkonfiguration, die mit der Fotozelle 200 von Fig. 9 im wesentlichen identisch ist, jedoch einen Reflektor 232 mit periodischer oder regelmäßiger Oberfläche aufweist. Diese Fotozelle wird somit nur hinsichtlich des Reflektors 232 im einzelnen beschrieben.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 hat der Reflektor 232 mit regelmäßiger Oberfläche die Form eines reflektierenden Beugungsgitters 234. Das Gitter 234 kann sinusförmig, rechteckförmig oder anderweitig regelmäßig ausgebildet sein, im vorliegenden Fall handelt es sich jedoch wieder um ein Sägezahngitter. Es kann aus einem Weichmetall wie Aluminium bestehen. Es ist mit einem Film 236 aus lichtdurchlässigem leitfähigem Oxid, ζ. B. Indiumzinnoxid, Cadmiumstannat oder dotiertem Zinnoxid, beschichtet, auf dem die amorphen Siliziumlegierungen abgeschieden werden können. Das Beugungsgitter 234 wirkt in der gleichen Weise, wie dies in bezug auf Fig. 6 erläutert wurde.

Fig. 11 zeigt ein weiteres, aus einer Fotozelle bestehendes pin-Sperrschicht-Fotoelement 240 nach der Erfindung. Dabei umfaßt ein z. B. aus Glas bestehendes lichtdurchlässiges Substrat 242 einen TCO-Film 250 und einen p-leitenden, einen

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eigenleitenden und einen η-leitenden amorphen Siliziumlegierungsfilm 244 bzw. 246 bzw. 248, die nacheinander darauf abgeschieden sind. Über dem η-leitenden Film 248 ist eine Schicht 252 aus einer leitfähigen, lichtstreuenden Farbe vorgesehen. Die Schicht 252 kann z. B. aus Aluminium- oder Goldfarbe bestehen. Solche Farben sind leitfähig, und wenn sie durch Aufstreichen oder Aufsprühen od. dgl. aufgebracht sind, bilden sie eine das Licht willkürlich streuende Grenzbzw. Zwischenfläche zwischen den Filmen 248 und 252. Alternativ kann die Schicht 252 aus einem ersten Film eines lichtdurchlässigen Leitermaterials, etwa einem lichtdurchlässigen leitfähigen Oxid, und einem zweiten Film aus einer nichtleitfähigen, jedoch lichtstreuenden Farbe, z. B. einer weißen Grundierfarbe mit hohem Titangehalt, gebildet sein.

Das Fotoelement nach Fig. 11 ist so aufgebaut, daß es die einfallende Lichtstrahlung durch das Glassubstrat empfängt. Das während des ersten Durchgangs durch das Fotoelement nicht absorbierte einfallende Licht wird durch die Schicht 252 willkürlich gestreut. Mindestens ein Teil der gestreuten Lichtstrahlen wird durch die amorphen Siliziumschichten 248, 246 und 244 unter Winkeln gerichtet, die ausreichen, um eine innere Reflexion dieser Strahlen und ein im wesentlichen vollständiges Einfangen derselben im Bauelement 240 zu bewirken.

Wie aus Vorstehendem ersichtlich ist, werden neue und verbesserte Sperrschicht-Fotoelemente angegeben, die in erhöhten Kurzschlußströmen und Wirkungsgraden resultieren. Die hier angegebenen Einfallstrahlungsrichter bieten ein Mittel, um wenigstens einen Anteil des einfallenden Lichts durch den oder die aktiven Bereiche der Fotozellen unter

Winkeln zu richten, die ausreichen, um eine innere Reflexion in den Fotoelementen und damit ein im wesentlichen vollständiges Einschließen des Lichts in diesen zu bewirken. Da das Licht den oder die aktiven Bereiche vielfach durchsetzt, könen die aktiven Bereiche dünner ausgebildet werden, als dies bisher möglich war. Dies gestattet ein wirksameres Einfangen der lichtinduzierten Ladungsträger, während gleichzeitig ein größerer Teil des Lichts absorbiert wird.

Für jedes der beschriebenen Ausführungsbeispiele brauchen die Legierungsfilme - mit Ausnahme der eigenleitenden Legierungsfilme - nicht amorphe Filme zu sein, sie können auch polykristalline Filme sein. (Mit "amorph" wird eine Legierung oder ein Material bezeichnet, das eine weitreichende Fehlordnung hat, obwohl es auch einen Nah- oder Zwischenordnungsgrad aufweisen oder sogar hin und wieder einige kristalline Einschlüsse aufweisen kann.)

Leerseite

Claims

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Patentansprüche

L Sperrschicht-Fotoelement aus Halbleitermaterial, mit wenigstens einem aktiven Bereich, auf den einfallende Strahlung auftreffen und Ladungsträger erzeugen kann, gekennzeichnet durch einen Strahlungsrichter (84; 111; 132; 152; 172; 192; 206; 232), der wenigstens einen Teil der einfallenden Strahlung (100) durch den wenigstens einen aktiven Bereich (118; 140; 160; 180; 210; 216; 246) unter einem Winkel richtet, der ausreicht, um ein im wesentlichen vollständiges Einschließen der gerichteten Strahlung innerhalb des Sperrschicht-Fotoelements (80; 110; 130; 150; 170; 190; 200; 230; 240) zu bewirken.
2. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Winkel, der ausreicht, um ein im wesentlichen vollständiges Einschließen der gerichteten Strahlung (100) in dem Fotoelement (80; 100; 130; 150; 170; 190; 200; 230; 240) zu bewirken, größer als ein kritischer Winkel ist, dessen Sinus gleich der Brechzahl von Luft, dividiert durch die Brechzahl des den wenigstens einen aktiven Bereich (118; 140; 160; 180; 210; 216; 246) bildenden Halbleitermaterials, ist.
3. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der aktive Bereich (118; 140; 160; 180; 210; 216; 246) so angeordnet ist, daß er die auftreffende Strahlung ursprünglich im wesentlichen senkrecht empfängt.

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4. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kritische Winkel der zwischen der senkrecht einfallenden Strahlung und der gerichteten Strahlung eingeschlossene Winkel ist.
5. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der kritische Winkel ca. 16,6° beträgt.
6. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von aktiven Bereichen (118; 140; 160; 180; 210; 216; 246).
7. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Bereiche (118; 140; 160; 180; 210; 216; 246) so angeordnet sind, daß ein Sperrschicht-Fotoelement (200; 230) in Tandemkonfiguration gebildet ist.
8. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsrichter ein unregelmäßiger Strahlungsrichter (111; 132; 206; 252) ist.
9. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der unregelmäßige Strahlungsrichter (111; 132; 206; 252) auf derjenigen Seite des aktiven Bereichs (118; 140; 160; 180; 210; 216; 246) angeordnet ist, auf die die Strahlung (100) ursprünglich auftrifft.

10. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 1-7,

dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsrichter ein unregelmäßiger Reflektor (111;

206) ist.

11. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der unregelmäßige Reflektor ein Reflektor (111; 206) mir unregelmäßiger Oberfläche ist.

12. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (111; 206) mit unregelmäßiger Oberfläche angrenzend an den aktiven Bereich auf derjenigen Seite desselben angeordnet ist, die der Seite, auf die die einfallende Strahlung (100) zuerst auftrifft, gegenüberliegt.

13. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche oder 12,

dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (111; 206) mit unregelmäßiger Oberfläche ein ebenes Element mit einer aufgerauhten reflektierenden Oberfläche ist.

14. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgerauhte Oberfläche mit einem reflektierenden Material beschichtet ist.

15. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

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ci£ das reflektierende Material Aluminium, Kupfer, Gold oder vi „"τ. er ist.

.6. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche U-* 5,

:;&i':rch gekennzeichnet, cafi der Reflektor (111; 206) mit unregelmäßiger Oberfläche ferner einen lichtdurchlässigen Leiter (86; 115; 122; 175; 2J7; 220) aufweist, der über der aufgerauhten reflektierenden Oberfläche liegt.

7. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 16, G.icjrch gekennzeichnet,

aß der lichtdurchlässige Leiter (86; 115; 122; 175; 207; ^20) ein lichtdurchlässiges leitendes Oxid ist.

1S. -,perrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 13,17, dadarch gekennzeichnet, da3 die aufgerauhte Oberfläche durch Sandstrahlen des ebenen elements gebildet ist.

.9. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche

,adurch gekennzeichnet, daß die aufgerauhte reflektierende Oberfläche eine aufgeiarnpfte Beschichtung eines reflektierenden Maerials aufweist.

2C. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgedampfte Material Aluminium ist.

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21. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche *-"" dadurch gekennzeichnet, daß der .Strahlungsrichter ein Reflektor (132; 252^λ· mi". unregelmäßiger Masse ist.

22. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (132; 252) mit unregelmäßiger Masse angrenzend an den aktiven Bereich auf derjenigen Seite desselben liegt, die der Seite, auf die die Strahlung (100 ursprünglich auftrifft, gegenüberliegt.

23. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche oder 22,

dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (132; 152) mit unregelmäßiger Masse ein ebenes Element aus einem Material aufweist, dessen Brechz? höher als 1,45 ist und das darauf auftreffendes Licht (IJC nicht absorbiert.

24. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche oder 22,

dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (132; 252) mit unregelmäßiger Masse ei-.

ebenes Element aus Keramik aufweist.

25. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial aus Titandioxid, Zinkselenid, Zinksulfid, Selen oder Siliziumkarbid besteht.

26. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 21-23,

dadurch gekennzeichnet, daß der Refkeltor (132; 252) mit unregelmäßiger Masse ein mit Email beschichtetes ebenes Element aufweist.

27. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 21-26,

dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (132; 252) mit unregelmäßiger Masse eine Schicht aus gleichzeitig abgeschiedenem Zinnoxid und Titandioxid aufweist.

28. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsrichter ein periodischer bzw. regelmäßiger Strahlungsrichter (172) ist.

29. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der regelmäßige Strahlungsrichter (172) auf der Seite des aktiven Bereichs, auf die die Strahlung (100) zuerst auftrifft, angeordnet ist.

30. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche oder 29,

dadurch gekennzeichnet, daß der regelmäßige Strahlungsrichter (172) ein Transmissionsgitter (154; 178; 234) aufweist.

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31. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 1-7,

dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsrichter einen regelmäßigen Strahlungsreflektor (152; 192; 232) aufweist.

32. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der regelmäßige Strahlungsreflektor (152; 192; 232) angrenzend an den aktiven Bereich (160; 210) auf derjenigen Seite desselben angeordnet ist, die der Seite gegenüberliegt, auf die die einfallende Strahlung (100) zuerst auftrifft.

33. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche oder 32,

dadurch gekennzeichnet, daß der regelmäßige Strahlungsreflektor ein Reflektor (152;

232) mit regelmäßiger Oberfläche ist.

34. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (152; 232) mit regelmäßiger Oberfläche ein reflektierendes Beugungsgitter (154; 234) aufweist.

35. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Beugungsgitter (154; 234) ein Sägezahn-Beugungsgitter ist.

36. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet,

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daß das reflektierende Beugungsgitter (154; 234) aus einem reflektierenden Metall gebildet ist.

37. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Metall Aluminium ist.

38. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 34-37,

dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Beugungsgitter (154; 234) mit einem lichtdurchlässigen Leitermaterial (156; 236) beschichtet

39. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtdurchlässige Leitermaterial (156; 236) ein lichtdurchlässiges leitfähiges Oxid ist.

40. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der regelmäßige Strahlungsreflektor ein Reflektor (192) mit regelmäßigem Volumen ist.

41. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (192) mit regelmäßigem Volumen ein Hologramm ist.

42. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet,

daß das Hologramm eine Mehrzahl von relativ dünnen reflektierenden ebenen Elementen (196) umfaßt, die in einem lichtdurchlässigen Feststoffmedium (198) im Abstand voneinander parallel zueinander und unter einem Winkel zu der einfallenden Strahlung (100) angeordnet sind.

43. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden ebenen Elemente (196) aus Aluminium bestehen.

44. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche oder 43,

dadurch gekennzeichnet, daß das lichtdurchlässige Medium (198) ein lichtdurchlässiges leitfähiges Oxid ist.

45. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 1-7,

dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine amorphe Halbleiterlegierung

46. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Siliziumlegierung einen amorphen Siliziumlegierungskörper bildet, der einen aktiven eigenleitenden Bereich (118; 140; 160; 180; 210; 216; 246) sowie zwei dotierte Bereiche (116, 120; 138, 142; 158, 162; 174, 182; 208, 212; 214, 218; 244, 248) auf jeweils entgegengesetzten Seiten des eigenleitenden Bereichs und mit entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweist.

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47. Sperrschicht-Fotoelement nach einem der Ansprüche 45 oder 46,

dadurch gekennzeichnet,

daß die amorphe Siliziumlegierung auf dem Strahlungsrichter (84; 111; 132; 152; 172; 192; 206; 232; 252) abgeschieden

48. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet,

daß es ein Substrat (28; 44) aufweist und daß der Strahlungsrichter (74; 111; 132; 152; 162; 182; 296; 232; 252) das Substrat bildet.

49. Sperrschicht-Fotoelement nach Anspruch 46, gekennzeichnet durch

eine Mehrzahl von amorphen Siliziumlegierungskörpern, die in Serien-Tandemkonfiguration angeordnet sind.