CS199143B1 - Polovodičový fotoelektrický generátor a,způsob jeho výroby - Google Patents

Description

KODESOVA LJUBOV PETROVNA, MOSKVA (SSSR)

Polovodičový fotoelektrický generátor a,způsob jeho výroby

Vynález se týká zařízení pro přeměnu zářivé .energie na elektrickou energii, a přesněji řečeno - týká s© polovodičových fotoelektrických generátorů, které mohou být úspěšně použity při vytváření slunečních enei’getických zařízení.

Je znám polovodičový fotoelektrický egenerátor, který se skládá z fotoelektrických měničů mezi sebou navzájem spojených. Každý fotoelektrický měnič je proveden v podobě desky z polovodičového materiálu s p-n přechodem, plnícím funkci usměrňovači bariéry a oddělujícím bázovou oblast s jedním typem vodivosti od inverzní oblasti, která má opačný typ vodivosti. ,

Fotoelektrický měniče jsou mezi sebou spojeny pomocí kovových sběrných kontaktů, připojených k bázové a inverzní oblasti. Sběrné kontakty, které jsou připojeny k inverzní oblasti, která je obrácena směrem k osvětlenému povrchu polovodičového fotoelektrického generátoru, jsou provedeny v podobě hřebínku a zaujímají asi 10 % plochy povrchu inverzní oblasti fotoelektrických měničů. Sběrné kontakty, které jsou připojeny k bázové oblasti jsou provedeny v podobě tenké vrstvy a zaujímají celý hřbetní povrch fotoelektrických měničů.

199 143 , ' ; - ... : , 2 :Takové fotoelektrické generátory mají pouze jednu fotoelektricky aktivní plochu.

V důsledku poměrně velké hodnoty odporu rozlití pájky v inverzní oblasti jsou velké výkonové ztráty na sériovém odporu a snižuje se účinnost fotoelektrickýclr měničů při osvětlení soustředěným slunečním zářením. Zmenšení vzdálenosti mězi sběrnými kontakty a zvětšení jejich šířky vede ke zvětšení stupně zastínění osvětlené plochy polovodičového fotoelektrického generátoru sběrnými kontakty. Tím se snižuje ± plochá fotoelektricky aktivního povrchu generátoru, snižuje se výkon vyráběný plošnou jednotkou generátoru a snižuje se jeho účinnost.

Takového generátory jsou též složité z výrobního hlediska a vyžaduji značný podíl ručních prací jak při zhotovování jednotlivých prvků, tak při sestavováni.

Jednodušší z výrobního hlediska jsou takové polovodičové fotoelektrické generátory, které jsou provedeny v podobě monolitní struktury, která je sestavena z velkého počtu fotoelektrických měničů s p-n přechodem na bočním povrchu, pokrytém kovovými sběrnými kontakty. Tyto polovodičové fotoelektrické generátory se vyznačují též vyšším koeficientem účinnosti, viz patent USA č. 3,422,527 tř. 29-572· Uvedené fotoelektrické měniče mají tvar mikrominiaturních rovnoběžnostěnů, spojéných do matrice proti sobě ležícími bočními povrchy prostřednictvím uvedených sběrných kontaktů. Boční povrchy jsou k fotoaktivnímu povrchu generátoru nakloněny poď úhlem, takže na fotoaktivní povrch vystupují čelní plochy p-n přechodů.

Takové generátory se vyznačují vysokým napětím na jednotku plochy fotoaktivního povrchu a lineární proudovou závislostí při osvětlení v rozmézí od 0 do 10* W/cm .

Protože ale fotoaktivní povrch takového generátoru je ísilně nehomogenní co do hodnoty fotocitlivosti k dopadajícímu záření a .fotocitlivost je dostatečně vysoké pouze v miste výsunu p-n přechodů na povrch, mají takové generátory značné ztráty výkonu pro povrchovou rekombinaci minoritních nositelů proudu a poměrně nevelký součinitel účinnosti. Je třeba poznamenat, že nejnižší hodnota účinnosti se vyskytuje při nestejnoměrném rozložen výkonu zářivého toku dopadajícího na ploohu polovodičového fotoelektrického generátoru, k čemuž zvláště často dochází při rozdělení energie podle fokální skvrny optických koncentrátorů.

Cílem tohoto vynálezu je zvýšeni účinnosti polovodičového fotoelektrického generátoru, a to i při nehomogenním rozdělení výkonu dopadajícího zářivého toku a vysoké koncentraci záření.

Dalším cílem tohoto vynálezu je snížení ztrát proudu a zvýšení radiační stability ..polovodičového fotoelektrického generátoru.

Ještě dalším cílem vynálezu je snížení pracnosti při zhotovování polovodičových ^Elektrických generátoru.

jřodstata vynálezu sppčívá v tom, žé U polovodičového fotoelektrického generátoru, skládajícího se z velkého počtu fotoelektrických měničů, spojených navzájem do řady proti sobě ležícími povrchy prostřednictvím sběrných kontaktů tak;,. že tvoří monolitní strukturu a každý z nich má p-n přechod mezi bázovou'a inverzní .oblastí, ,má podle vynálezu fotoaktivní povrch generátoru Stupňovitou strukturu, přičemž plocha každého stupně je nepřímo úměrná výkonu n® ni dopadajícího, zářivého toku při šířce každého stupně přibližně.se rovnající nebo menší než dlfůzni délka minoritních nositelů proudu v.bázové oblasti.

Úkol Zvýšit využití,.fotoaktivního povrchu a zvětšit fotocitlivost,polovodičového řotoslektříekého generátoru Iss řešit tím, že se na obvodu každého .stupně- provede pomoc- ný sběrný, kontakt. .„;·><

Zvětšení plochý fótoaktivňíhb povrchu a' zvýšení radiační stability pólovodičověho fotoelektrického generátoru, lže dosáhnout tak, že,se na površích stupňů provedou příčné rovnoběžné drážky, jejichž vrcholové hrany budou od sebe vzdálený o hodnotu, která 'nepřekračuj© difuzní délku minoritních nositelů proudu v bázové oblasti, a p-n přechod bude sledovat relief povrchu stupňů.

řro zvýšení fotocitlivostl fotoaktivního povrchu a zvýšení radiační stability polovodičového fotoelěktr.ického generátoru je kromě toho žádoucí volit tloušťku bázové oblasti fotoelektrických měničů na fotoaktivním povrchu o mnoho menší než je difužní délka minoritních nositelů proudu v bázové oblasti.

Fotoelektrické měniče je účelné vzájemně posunout v komutačních rovinách tak, aby se vytvořila uvedená stupňovitá struktura. . ., , _;

Při použití zářivého toku s, koncentrickým rozložením výkonu ?v©.,svazku jě; k vytvoření uvedené stupňovité struktury účelné pootočit fotoelektrické měniče proti sobě navzájem o určitý úhel kolem osy, která protíná rovinu komutáce.

V případě, že fotoelektrické měniče mají podobu šikmých rovnoběžnostěnů, je žádoucí provést stupně jako ostroúhlé a jejich hrany opatřit zrcadlovým povlakem.

K vytvoření uvedené stupňovité struktury je možno provést fotoelektrické měniče ve tvaru stejných obrazců, umístěných jeden za druhým podle zmenšování jejich rozměrů.

Je vhodné vybírat jako stejné obrazce přednostně pravidelné mnohoúhelníky nebo kotouče nebo prstence.

Podstata vynálezu spočívá též v tom, že při způsobu zhotovování polovodičových fotoelektrických generátorů, založeném na skládání polovodičových metalizoyaných destiček s p-n přechodem do sloupku,, spojování: jednoho s druhým pomocí pájky při současném stlačení k sobě, aby se přebytečná-p^jka odstranila, a nařezáním pod úhlem k rovině desek na jednotlivá matrice, se - podle vynálezu - matrice ohřívají na teplotu tavení pájky, načež se prvky matrice proti sobě navzájem posunují po vrstvě pájky tak, aby se vytvořila stupňovitá struktura, az povrohu stupínků se odleptáním odstraňuje metalizovaná vrstva.

Vynález je v dalSím textu vysvětlen popisem konkrétních příkladů jeho provedení a přiloženými výkresy, kde obr. 1 představuje polovodičový fotoelektrieký generátor se stupňovitým fotoaktivním povrchem, v příčném řezu, obr. 2 představuje totéž jako obr. 1 při pohledu shora, obr. 3 představuje tentýž generátor s pomocnými sběrnými kontakty, v příčném řezu, obr. 4 polovodičový fotoelektrieký generátor mající na povrchu stupínků drážky, v částečném příčném řezu, obr. 5 tentýž polovodičový fotoelektrieký generátor jako na obr. 4, v pohledu zhora, obr. 6 řez rovinou VI-VI, naznačenou v obr. 5, obr. 7 polovodičový fotoelektrieký generátor s bázovou oblastí o proměnné tlouStee, příčný řez, obr. 8 představuje polovodičový fotoelektrieký generátor se čtyřmi fotoaktivním! povrchy, • *·* ·· _ v pohledu shora, obr. 9 tentýž polovodičový fotoelektrieký generátor jako na obr. 8 v pohledu směrem Šipky A, v příčném řezu, obr. 10 tentýž generátor jako na.obr. 8 v pohledu směrem Šipky B, v příčném řežu, obr. 11 polovodičový fotoelektrieký generátor v podobě desek, navzájem proti sobě pootočených kolem jedné osy, v pohledu z boku, obr. 12 tentýž polovodičový fotoelektrieký generátor Jako na obr. 11, v pohledu shora, obr. 13 řez polovodičovým fotoelektriokým generátorem, vedený v rovině XIII-XIII dle obr. 12, obr. 14 polovodičový fotoelektrieký generátor se zrcadlovým povlakem hran stupínků, v příčném řezu, obr. 15 tentýž polovodičový fotoelektrieký generátor jako na óbr. 14, v pohledu shora, obr. 16 polovodičový fotoelektrieký generátor z fotoelektrickýeh měničů, majících tvar stejných mnohoúhelníků, při pohledu shora, obr. 17 řez rovinou XVII-XVII na obr. 16, obr* 18 polovodičový fotoelektrieký generátor z fotoelektrickýoh měničů, majících tvar podobných kotoučů, nakresleno v izometrii,. obr. 19 tentýž polovodičový fotoelektrieký generátor jako na obr. 18, v příčném řezu, obr. 20 polovodičový fot.oelektrický generátor z fotoelektrickýeh měničů, majících tvar podobných prstenců, v příčném řezu, obr. 21 polovodičový fotoelektrieký generátor ve stadiu výroby diodové struktury, obr. 22 tentýž polovodičový fotoelektrieký generátor jako na obr. 21, ve stadiu spojování diodových struktur do sloupečků, obr. 23 tentýž generátor jako na obr. 22, ve stádiu posouvání fotoelektrickýeh měničů po rovině komutace, obr. 24 totéž jako na obr. 23, polovodičový fotoelektrieký generátor ve stadiu výroby po posunuti fotoelektrickýeh měničů - podle vynálezu.

Půlovodičový fotoelektrieký generátor se skládá z řady postupně do monolitní struktury zkomutovaných fotoelektrickýeh měničů 1 (obr. 1, 2), majících tvar šikmých rovnoběžnostěnů. Každý fotoelektrieký měnič 1 generátoru má p-n přechod 2 mezi bázovou oblastí 2 a inverzní oblastí 4. V bázové oblasti .J Je umístěn izotypový přechod £, P-p* nebo n-n⁺. P-n přechod 2 a izotypový přechod £ Jeou umístěny v bezprostřední blízkosti fotoaktlvního povrchu 6, na který dopadá zářivý tok 2· fotoaktiv ni povrch €> má stupňovitou strukturu. Každý fotoelektrieký měnič 2 J® opatřen sběrným kontaktem 8 s inverzní oblastí 2 a sběrným kontaktem 2 ⁸ bázovou oblastí J.

šířka a základny stupínků 20 s úhlem OO při vrcholu je přibližně rovná nebo je renáí než difuzní dálka minoritních nositelů proudu v bázová oblasti 2· Plocha každého ze stupínků 10 je nepřímo úměrné výkonu zářivého toku 2 přiváděného na každý fotoelektrioký měnič 1. Tak ve střední části generátoru, kam dopadá větší část celkového výkonu zářeni 2, je plocha stupínků 10 (na konto Šířky a* - jak ukazuje obr, 1) volena menší než na okrajích generátoru. Tlouštka b fotoelektrických měničů je menší než difuzní délka minoritní ch nositelů proudu v bázové oblasti J. Délka e všech fotoelektrických měničů 1 je stejná a nemá podstatnější význam, Potoelektrieké měniče jsou zkomutovány na opačných plochách proti sobě ležících a jsou vzájemně posunutý v komutačních rovinách.

Generátor pracuje následujícím způsobem. Zářivý tok 2 dopadá na stupňovitý fotoaktivní povrch 6 polovodičového fotoelektrického generátoru. V bezprostřední blízkosti povrchu je umÍ3těn p-n přechod něho izotypový přechod, 2 nebo 2» což na minimum snižuje proudové ztráty při povrchové rekombinaci fotogenerováných nositelů proudu.

Doplňkové pohlcení zářivého toku 2, odraženého od jedné ze stran stupínků 10 může nastat na přilehlých stranách sousedních stupínků 10. Takovýmto způsobem je zabezpečeno snížení ztrát odražením záření 2 ^a zvětšuje se plocha fotoaktivního povrchu. 6 fotoelektrického generátoru.

Změna výkonu zářivého toku 2 ⁸⁰ kompenzuje odpovídajícím zvětšením nebo zmenšením plochy fotoaktivního povrchu 6, a to změnou šířky a základny stupínků v uvedených mezích (aa tedy plochy .stupínků), nebol hodnota proudu, generovaného každým ,fotoelektrickým měničem 1, je v celém generátoru stejná.

Výkonové ztráty na sériovém odporu budou minimální, jestliže šířka a základny stupínků 10 je volena tak, aby se přibližně rovnala difuzní délce minoritních nositelů proudu v béžové oblasti 2» protože v takovém případě všichni zářivým tokem 2 generovaní minoritní nositelé proudu se shromažďují v oblasti p-n přechodu 2, nacházející se pod plným sběrným kontaktem 8 inverzní oblasti 4., Sběrné kontakty 8, 9 jsou provedeny z vysoce vodivého kovu a vyznačují se mimořádně nízkou hodnotou odporu, kterou je možno zanedbat. Hodnota sériového odporu generátoru může činit tisíciny ohm. cm , takže generátor s vysokou účinností může pracovat pří osvětlení koncentrovaným slunečním zářením, na 'příklad ve fokální rovině přímkového paraboloidu.

Generátor se vyznačuje vysokým součinitelem účinnosti, a to jak při osvětlení ze strany p-n přechodu 2, rtak i ze strany izotypového přechodu 5.

Nejtypyčtější rozměry fotoelektrického generátoru zhotoveného z křemíku jsou následující: tlouštka b fotoelektrických měničů - 0,2 až 0,5 ma; šířka základny a stupínků - 0,2 až 1 mm; délka c fotoelektrických měničů - 5 až 50 mm. Hloubka založení p-n přechodu 2 a izotypového přechodu £ od fotoaktivního povrchu 6 je 0,1 až 0,5

Provedení polovodičového fotoelektrického generátoru podle obr, 1 dovoluje zvětšit fotoaktivní povrch 2 fotoelektrických měničů 1 spojených do eerie, uvést do souladu plochu fotoaktivního povrchu 6 s rozložením výkonu v zářivém toku a snížit ztráty výkonu při přeměnách nehomogenních zářivých toků, zvýšit hodnotu účinnosti generátoru při vysokých koncentracích zářivého toku.

U varianty provedení polovodičového fotoelektrického generátoru, která je uvedena na obr. 3, má každý fotoelektrlcký měnič 1 vedlo základního sběrného kontaktu 8 v inverzní oblasti £ též pomocný sběrný kontakt 11. který je elektrickou vazbou spojen se základním sběrným kontaktem 8 a rozmístěn po.obvodu každého stupínku 10. Povrch stupínků 10. který není kryt sběrným kontaktem χΐ, tvoří fotoaktivní povrch 6 fotoelektrických měničů 1, na ně jž dopadá zářivý tok 2 přiváděný švětlovodem 12. Světlovod se skládá ze souboru světlovodných prvků 13 ve tvaru skleněných pásků, Jejichž jádro má ve srovnání š povrchem vyěěí index lomu; skleněné pásky jsou k sobě v blízkosti povrchu 14 příjmu záření těsně přitlačený a směrem k fotoaktivnímu povrchu.6 generátoru se rozdělují.

Čela světlovodných prvků 13 přisedají na fotoaktivní povrchy 6 fotoelektrických měničů 1 a mají s těmito povrchy shodný rozměr. Sběrné kontakty 2 v bázové oblasti j jsou provedeny v podobě souvislé vrstvy, rozložené podél izotypového přechodu 5· '

Tato varianta polovodičového fotoelektrického generátoru pracuje analogickým způsobem jako generátor na obr. 1 a obr. 2. V tomto případě má ovšem generátor na obr..3 větěí využití fotoaktivhího povrchu 6a vyěěí účinnost, eož je dosaženo tím, že v důsledku předávání energie zářivého toku 2 fotoaktivnímu povrchu 6 prostřednictvím světlovodu 12 a malé'vzdálenosti mezi sběrnými kontakty 8, 11 a fotoaktivním povrchem 6 dochází k téměř úplnému sběru p-n přechodem 2 generovaných nositelů proudu a na minimum je snížena hodnota odporu rozlévání jak v bázové, tak inverzní oblasti j, 4.

Ve všeobecném případě mohou mít světlovodné prvky 13 různou tloušťku tak, aby jednotlivými prvky byly-přenášeny stejné díly výkonu zářivého toku na fotoaktivní povrchy 6 při nerovnoměrném rozložení energie v zářivém toku 2·

U varianty polovodičového fotoelektrického generátoru, která je Uvedena na obr.

2, 6 jsou na fotoaktivníoh površích 6 stupínků 10 každého fotoelektrického měniče 1 provedeny - na rozdíl od předcházejících variant - příčné rovnoběžné drážky 15. Jejichž vrcholové hrany mají od sebe vzdálenost d, Jejíž hodnota.nepřekračuje hodnotu difuzní délky minoritních nositelů proudu v bázové oblasti a p-n přechoď 2* sleduje relief povrchu stupínků 10.. '

Takovýto polovodičový fotoelektrlcký generátor má v porovnáni a generátory, které byly uvedeny na obr. 1 až 2 zvětšenou plochu fotoaktivního povrchu 6 * a zajištuje pohlcení zářivého* toku v tbnké povrchové vrstvě, která je umístěna v bezprostřední blízkostí p-n přechodu 2^, čímž se zvyšuje činitel sběru minoritních nositelů proudu a zvětšuje se radiační stabilita generátoru. Je vhodné přednostně volit hodnotu vzdálenosti d mezl vrcholovými hranami; drážek mnohem menší než je difuzní délka minoritních nositelů proudu v bázové oblasti 2·

Drážky 15 jsou provedeny napříč stupínků 10. čímž je na nezbytné minimum snížena hodnota odporu rozlévání v inverzní oblasti 4 nezávisle na rozměru drážek 15 a zvětšuje \

sě součinitel účinnosti při vysoké koncentraci zářivého toku. >

Ná ofer. 7 je uvedena varianth polovodičového fotoelektrického generátoru, v němž fotoelektrieké měniče 1 mají na povrchu stupínků 1.0 tenší bázovou oblast 3* než v ostatním objemu fotoelektrickýeh měničů 1. ^:J@ újčelné, aby tloušlka bázové oblasti 3* byla mnohem menší než difuzní délka minoritních yiositeiů proudu v bázové oblasti jj.

P-n přechod 2 je umístěn na protilehlé, straně fotoaktivního povrchu 6. Na povrch inverzní oblasti £ jě v souvislé vrstvě nanesen sběrný kontakt 8. Fotoaktivní povrch 6 je v této variantě generátoru chemicky zpracován tak, aby byla na nulu snížena rychlost povrchové rekombinace minoritních nositelů proudu.

Díky vysoké hodnotě výchozí difuzní délky minoritních nositelů proudu a značně vyšší hodnotě difuzní délky v porovnání s tloušlkou bázové oblasti 3* na stupínkách 10 se takový generátor vyznačuje vysokým Součinitelem sběru minoritních nositelů proudu a zvýšenou radiační stálostí k libovolnému druhu škodlivého záření.

Pro zvýšení mechanické pevnosti okrajového fotoelektrického měniče 1 je sběrný kontakt 8 k tomuto fotoelektrickému měniči 1 připojen pomocí vložené polovodičové desky 16. která má na obou stranách izotypový přechod £. Λ

Na obr. 8, 9, 10 je uveden polovodičový fotoelektrický generátor skládající se z fotoelektriekýeh měničů 1, jež jsou provedeny ve tvaru pravoúhlých rovnoběžnostěnů, navzájem vůči sobě posunutých v komutačních rovinách 17. Potoaktivní povrch 6 této varianty generátoru je tvořen stupínky 10, umístěnými na čtyřech stranách generátoru.

Takovýto generátor má v porovnání s generátorem, který byl uveden na obr.; ly 2 dvakrát větší , produkovaný výkon při ste jném osvětlení ze čtyř stran, a. to vlivem zvětšení fotoaktivního povrchu 6.

Na obr. 11, 12, 13 je uvedena ještě jedna varianta polovodičového fotoelektrického generátoru, skládajícího se z fotoelektrickýeh měničů 1, majících tvar rovnoběžnostěnů, které jsou vůči sobě navzájem pootočeny o úhel (do vějíře) kolem osy 18. protínající komutační roviny 17.

Potoaktivní povrch 6 je v tomto případě též stupňovitý, ale vytváří koncentrický obrazec se středem, ležícím v ose 18* V bezprostředná blízkosti fotoaktivního povrohu 6 je umístěn p-n přechod 2. Je účelně přednostně volit hodnotu úhlu /3 na větší než 30°. Takováto konstrukce polovodičového fotoelektrického generátoru je nejvýhodnější pro případy, kdy zářivý'tok 2, má koncentrické rozložení výkonu s největší hustotou' zářivého toku ve středu, ležícím v ose 18. V blízkosti osy 18 je hodnota odporu rozlévání v inverzní oblasti £ zanedbatelně malá a postupně při vzdalování se od osy 18 vzrůstá. Současně s tím sě snižuje koncentrace zářivého toku J ^a odpovídajícím způsobem vzrůstá hodnota přípustného odporu rozlévání.

Tato varianta polovodičového fotoelektrického generátoru má ve srovnání sgenerátory, které byly uvedeny na obr. 1 až 10, větší součinitel účipnosti při vysoké intenzitě zářivého toku s koncentrickým rozložením výkonu, protože fotoaktivní povrch této varianty generátoru vytváří koncentrický obrazec, který je souosý se zářivým tokám.

Na obr. 14, 15 je uveden generátor, skládající se z fotoelektrických měničů 1, provedených ve tvaru šikmých rovnoběžnostěnů s ostroúhlými₍stupínky 10*. jejichž úhel u vrcholu je označen tX» · Fotoeléktrioké měniče 1 zéhrnují z jedné strany p-n přechod 2, z druhé strany je proveden izotypový přechod g. Hrany lg stupínků 10* mají zrcadlové povlaky 20. provedené na přiklad z hliníku.

šířka a'povlakem 20 nekrytého fotoaktivního povrchu, 6 stupínků 10,* nepřekračuje ďifuzní' délku minoritních nositelů proudu v bázové oblasti J. Je účelné, áby úhel oO nebyl větší než 30°, Zářivý tok J dopadá na zrcadlové povlaky 20 a odráží se na fotoaktivní povrchy sousedních stupínků IQ*. Činitel odrazu má hodnotu 40 až 95# v závislosti na úhlu dopadu zářivého toku 2· V průběhu odrazu dochází k převážnému pohlcení zářivého toku 2 v oblastech, které přiléhají ke sběrným kontaktům 8 a g. V důsledku toho se zmenšují výkonové ztráty v odporu rozlévání a vzrůstán pravděpodobnost Sběru minoritních nositelů proudu na p-n přechodu 2', protože vzdálenost k němu je meněí než difuzní délka minoritních nositelů proudu v bázové oblasti 3.

\ ·

Takovéto provedení generátoru v porovnání s generátorem podle obr, 1, 2 dovoluje zmenšit ztráty odrazem při osvětlení generátoru Izotropním zářivým tokem 2 a zvětšit účinnost, a to i při vysoké intenzitě zářivého toku.

Varianta polovodičového fotoelektrického generátoru uvedeného na obr.: 16, 17 se skládá z fotoelektrických měničů 1, které jsou provedeny ve tvaru podobných obrazců,, mnohoúhelníků - v daném případě řovnoramenných lichoběžníků, umístěných za sebou tak, jak se postuně zmenšuje jejich rozměr; také toto uspořádání fotoslektrických měničů vytváří stupňovitou strukturu fotoaktivního povrchu 6.

s

Generátor je sestaven ze šesti symetrický kolem společného středu umístěných sekcí . 21. z nichž se každá skládá ze sériově spojených fotoelektrických měničů 1, Sekce 21 jsou navzájem pevně spojeny dielektrlckými vrstvami 22.

Plocha fotoaktivního povrchu 6 fotoelektrických měničů 1 postupně se vzdalováním od středu generátoru vzrůstá a to současně s prodlužováním délky stupínků 10.

Toto provedení dovoluje zmenšit výkonové ztráty při osvětlení generátoru zářivým tokem 2 kruhového průřezu s maximální koncentraci energie záření v blízkosti středu zářivého svazku.

Takovýto generátor dovoluje v porovnání e generátorem uvedeným na obr. 11 až 13 dosáhnout deset i vícekrát vyšší hustotu napětí z jednotky plochy.

Na obr.. 18, 19 je zobrazen polovodičový fotoelektrický generátor, skládající se z fotoelekrických měničů 1, jež mají tvar podobných kotoučů. Fotoaktivní povrch 6 je v tomto případě vytvořen prstencovými stupni 10. Plocha každého stupínku 10 souhlasí a hodnotou koncentrace na tuto plochu přiváděného zářivého toku jehož příčný průřez je prstencový.

Takového provedení generátoru dovoluje zmenšit odpor rozlévání a zvětšit rozsah intenzity osvětlení, při niž zůstává zachována lineární závislost proudu a výkonu na intenzitě zářivého toku 2· . '

Na obr. 20 je zobrazen polovodičový fotoelektrický generátor, skládající se z foto‘elektrických měničů 1, jež mají tvar podobných prstenců, sestavených podle jejich zmenšujícího se rozměru. Fotoaktivní povrch 6 je v tomto případě tvořen dutinou stupňovitého tvaru. Základnu, generátoru tvoří fotoelektrický měnič 1 tvaru kotouče.

Takovýto generátor se na rozdíl od generátoru uvedeného na obr. 18, 19 vyznačuje vysokou účinností při osvětlení zářivým tokem 2 kruhového průřezu, protože fotoaktivní povrch 6 není zastíněn sběrnými kontakty 8, 9 a .geometrie stupínků 10 zabezpečuje úplný sběr generovaných nositelů proudu i nízké výkonové ztráty na sériovém odporu generátoru.

U většiny typů generátoru podle vynálezu zabírají sběrné kontakty ne více néž 1 % plochy fotoaktivního povrchu. Se zvýšením počtu fotoelektrických měničů na jednotku objemu gnerátoru se zmenšuje rozměr stupínků 10 a snižuje se hodnota sériového odporu, vzrůstá činitel sběru generovaných minoritních nositelů proudu, snižuje se hodnota činitele odrazu, vzrůstá radiační stabilita generátoru proti škodlivé radiaci a zvětšuje se rozsah intenzity záření, při níž zůstává zachovány lineérní závislost proudu a výkonu na intenzitě osvětlení.

Generátor podle obr. 1, 2 má dvoustrannou fotocitlivost s přibližně stejným součinitelem účinnosti a může být použit v sestavě vysokohapěňových slunečních baterií, osvětlených ze dvou stran.

Generátory koncentrického tvaru podle obr. 11, 12, 13, 16, 17, 18, 19, 20 mají vysokou účinnost při použití optických koncentrátorů, provedených v podobě rotačních těles a mohoú sloužit v systémech orientace jako prvky pro kontrolu souřadnic.

Na obr. 21, 22, 23, 24 jsou uvedeny základní, postupně za sebou následující stádia výroby polovodičového fotoelektrického generátoru toho typu, který byl uveden na obr. 1, 2.

Způsob výroby podle vynálezu zahrnuje následující, stadia.

Výchoží metallzované polovodičové destičky 23 (obr. 21).8 p-n přechodem 2, nacházející se po jedné ze stran destičky 23, se skládají do sloupku, který je uveden na obr.

2Ž. Destičky 23 se ve sloupku spojují navzájem do série pomocí sběrných kontaktů 8, 8; spojování se provádí pájením měkkou pájkou do tvaru monolitní struktury při současném stlačování sloupku k odstranění přebytečné pájky.

Pak se sloupek rozřeže podle rovin 24, kteé mají vzhledem k rovině'destiček 23 sklon pod určitým úhlem, a vytvoří se jednotlivé matrice.

I .

Matrice se dále ponoří do vany 25 (obr. 23), která je naplněna kapalinou s vysokou teplotou bodu varu, ohřívají se pomocí topného tělesa 26 na teplotu taveni pájky, načež se ve směru .uvedeném na obr. 23 Šipkami 27 vyvine vhodná síla. V důsledku toho se> prvky matrice vzájemně posunou po vrstvách pájky tak, aby to odpovídalo profilu stupňovité formy 28. upevněné na dně vany 25.

Po vychladnutí se získá matriční struktura, která je zobrazena na obr. 24, skládající se z fotoelektrických měničů 1 vzájemně posunutých v komutačních rovinách 17 a nesoucí na povrchu stupínků 10 metalickou vrstvu 29.

Výroba generátoru se ukončí chemickým leptáním metalické vrstvy 29. v jehož průběhu dochází ke konečnému očištění povrchu polovodiče, a nanesení antireflexního povlaku na povrch stupínků 10. .

Takovýto způsob výroby generátoru se stupňovitou strukturou fotoaktivního povrchu dovoluje zpracovávat současně v jednom cyklu velké množství fotoelektrických měničů tvořících generátor a na minimum snížit potřebu ruční práce, čímž se značně zjednodušuje technologie výroby generátorů a zvyšuje se produktivita práce.

Způsob umožňuje zhotovovat generátory se stupňovitou strukturou fotoaktivního povrchu z jedné, dvou, tří nebo čtyř stran generátoru, a volit tvar stupínků, kterým bude zajištěna maximální účinnost.

Přo přesnější porozumění podstatě tohoto způsobu se v následujícím textu uvádí popis konkrétního příkladu jeho provedení.

Byl vyráběn generátor, jehož typ byl uveden na obr, 1 a 2.

Destičky křemíku s výchozí vodivostí p-typu se podrobily chemiqko-mechanickému leštění, aby se odstranila z povrchu narušená vrstva, pak byla vytvořena diodová struktura tak, že se na protilehlou stranu destiček uvedly akceptorové a donorové příměsi pomocí současné difúze do hloubky od 0,1 do 0,5^um. Po legování sé destičky metalizovaly ze dvou stran souvisle vrstvou metodou napařování ve vakuu. Destičky křemíku, z obou stran pokryté kovem, se mezi sebou spájely v celé stykové rovině pomocí měkké pájky do sloupku při současném stlačování sloupku k odstranění přebytečně pájky. Pak byl sloupek rozřezán na matrice pod určitým úhlem vzhledem k rovinám p-n přechodů.

Takto získané matrice se ohřívaly ve vaně na teplotu tavení pájky, načež se provedlo posunutí prvků matrice (fotoelektrických měničů) vůči sobě navzájem po vrstvě pájky tak, aby se vytvořila stupňovitá struktura se šířkou á stupínků, rovnající se difuzní délce minoritních nositelů proudu v bázové oblasti (podle obr. 1, 2).

Pak byla stupňovité struktura podrobena chemickému leptání, aby se z povrchu polovodiče odstranila narušená vrstva á ,z povrchu stupínků odstranily metalické kontakty, přičemž současně proběhlo odstranění bočníků a zvětšení fotoaktivity osvětlované plochy. Ke krajním sběrným kontaktům 8, 9 byly připájeny proudové vývody.

. Λ. /11

Takovýto generátor, se vyznačoval účinností kolem 10 % při výkonu světelného toku přesahujícím 100 W/cm^.

Při zhotovování polovodičového fotoelektrického generátoru podle obr. 3 se provádějí tytéž operace jako u výše popsaného postupu pro generátor dle obr. 1, 2,ale před chemickým leptáním byly metalické kontakty po obvodu stupínků 10 pokryty chemicky odolným filmem, chránícím proti účinku leptání, a tak byly zhotoveny pomocné sběrné kontakty 11.

Světlovod 12 se zhotovuje z tenkých skleněných pásků - světlovodných prvků 13.

Jedno čelo těchto prvků se přilepí k fotoaktivnímu povrchu 6, čela na opačné straně se složí do svazku a vytvoří povrch 14 pro příjem zářivého toku. Chemickým zpracováním se skleněnému materiálu udělí nízký činitel lomu v podpovrchové vrstvě.

Při zhotovování generátoru podle obr. 4, 5, 6 se provádějí stejné operace jako při zhotovování generátoru podle obr. 1, 2, ale před vytvořením diodové struktury se destičky křemíku s orientací povrchu <100> podrobí anizotropnímu leptání v louhovém roztoku z z jedné strany, čímž se na povrchu vytvoří drážky Ig, jejichž směr a rozteč je dána před tím nanesenou chemicky odolnou vrstvičkou fotoodporu.

Druhá odlišnost spočívá v tom, že se křemíkové destičky skládají do sloupku tak, aby drážky 15 všech destiček byly rovnoběžné a rovina 24 řezu sloupkem při jeho dělení na matrice procházela kolmo k drážkám 15. *

Při zhotovování generátoru podle obr. 7 se provádějí stejné operace jako při zhotovování generátoru podle uvedeného obr. 1, 2, ale po chemickém leptání kontaktů se provádí chemické leptání křemíku na stupňovitém povrchu, který má izotypový přechod £, a to tak dlouho, dokud se tloušlka bázové oblasti 3* na fotoaktivním povrchu 6 fotoelektriekých měničů 1 nezmenší natolik, aby dosahovala hodnoty 10 až 30 £im.

Při zhotovování generátoru podle obr. 8, 9, 10 se provádějí tytéž operace jako při zhotovování generátoru podle obr. 1, 2, ale ze sloupku se vyřezávají matrice mající prvky čtvercového tvaru a provádí se posun po vrstvě pájky současně ve dvou vzájemně kolmých směrech.

Při zhotovení polovodičového fotoelektrického generátoru podle obr. 11, 12, 13 se provádějí stejné operace jako při zhotovování generátoru podle' obr. 1, 2, ale po vytvoření matrice se k odstranění bočníků provede ze všech stran pootočení fotoelektrických měničů 1 v komutačních rovinách 17 kolem osy 18, a to o úhel .

Při zhotovování generátoru podle obr. 14, 15 se provádějí tytéž operace jako při zhotovování generátorů podle obr. 1, 2, ale sloupek se řeže na matrice pod ostřejším úhlem k rovině p-n přechodů 2, povrch řezu se leští a nakonec se na hrany stupínků nanese ve vakuu pod úhlem zrcadlový povlak z hliníku, tloušlky přibližně 0,05 mikronů.

Při zhotovování generátoru podle obr. 16, 17 se provádějí tytéž operace jako při zhotovování generátoru podle obr. 1, 2, z něhož se vyřeže šest sekcí lichoběžníkového tvaru. Pak se sekce spojí prostřednictvím dielektrické vrstvy 22 a vytvoří generátor, který má tvar šestiúhelníka.

Při zhotovování generátoru podle obr. 18, 19.se z křemíkových desek s diodovou strukturou a metalizovaným povrchem vyřežou kotouče s postupně se zmenšujícím průměrem, kotouče se spojí souose do série pomocí pájky a vytvoří sloupek, který se musí při tom též stlačit, aby se odstranila přebytečná pájka. Sběrné kontakty na krajních kotoučích se pokryjí chemicky odolným filmem a ohemiokým leptáním se odstraní metalické kontakty z povrchu stupínků 10.

Při zhotovování generátoru podle obr. 20 se z křemíkových destiček s diodovou strukturou a metalizovaným povrchem vyřežou prstence různého vnitřního průměru a jeden kotouč, jehož průměr je větší než průměr prstenců. Prstence sena spodním kotouči pomocí pájky spojují do sloupku souose podle zmenšujícího se rozměru, přebytečná pájka se odstraní vytlačením. Chemicky odolným lakem se povlečou sběrné kontakty na krajních fotoelěktrických měničích a chemickým leptáním se odstraní metalické kontakty 2 povrchu stupínků 10 a rovněž tak ze středové části fotoelektrického měniče kotoučového tvaru na spodku sloupku.

Claims (12)

1. PfiE DMÍ I A VY N Á L E Z U

   1. Polovodičový fotoelektrický generátor,'skládající se z velkého počtu fotoelektric kých měničů, zapojených proti sobě ležícími .povrchy do seríe pomocí sběrných kontaktů a tvořících tak monolitní strukturu, z nichž každý má.p-n přechod mezi bázovou oblastí a inverzní oblastí, vyznačující se tím, že jeho fotoaktivní povrch (6) má stupňovitou struk turu, přičemž plocha každého stupínku (10) je nepřímo úměrná na ni dopadajícímu výkonu zářivého toku (7) při šířce (.a) stupínku (10) přibližně se rovnající nebo menší než difuzní délka minoritních nositelů proudu v bázové oblasti (3).
2. 2, Polovodičový fotoelektrický generátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že na obvodě každého stupínku (10) je proveden pomocný sběrný.kontakt (11).
3. 3; Polovodičový fotoelektrický generátor podle bodu 1 a 2, vyznačující se tím, že na površích stupínků (TO) jsou provedeny příčné rovnoběžné drážky (15)., jejichž vrcholové hrany jsou od sebe vzdáleny o míru (d), která nepřesahuje difuzní délku minoritních nositelů proudu v bázové oblasti (3),, a p-n přechod (2*) sleduje relief povrchu stupínků (10). .
4. 4. Polovodičový fotoelektrický generátor podle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že tloušíka bázové oblasti (3*) fotoelektriekých měničů (1) ze strany fotoaktivního povrchu (6) je menší než difuzní délka minoritních nositelů proudu v bázové oblasti (3).
5. 5. Polovodičový fotoelektrický generátor podle bodů i až 4, vyznačující se tím, že fotoelektrické měniče (1) jsou navzájem posunuty v komutačních rovinách (17) a vytvářejí tak uvedenou stupňovitou strukturu.
6. 6. Polovodičový fotoelektrický generátor podle bodů 1 až 4, vyznačující se tím, že fotoelektrické měniče (1) jsou proti sobě natočeny kolem osy (18), protínající roviny komutace (17) o úhel ( fi> ) tak, aby vytvořily uvedenou stupňovitou strukturu.
7. 7. Polovodičový fotoelektrický generátor podle bodu 5, vyznačující se tím, že fotoelektrické měniče mají tvar šikmých rovnoběžnostěnů, přičemž hrany (19) stupínků (10*) jsou ostroúhlé a jsou opatřeny zřcadlovým povlakem (20).
8. 8. Polovodičový fotoelektrický generátor podle bodů 1 až 4, vyznačující se tím, že fotoelektrické měniče (1) mají tvar podobných obrazců a jsou umístěny za sebou podle zmenšujícího se rozměru tak, aby vytvořily uvedenou stupňovitou strukturu.
9. 9. Polovodičový fotoelektrický generátor podle bodu 8, vyznačující se tím, že podobné obrazce jsou pravidelnými mnohoúhelníky,
10. 10. Polovodičový fotoelektrický generátor podle bodu 8, vyznačující se tím, že podobné obrazce mají tvar kotoučů,
11. 11. Polovodičový fotoelektrický generátor podle bodu 8, vyznačující se tím, že podobné obrazce mají tvar prstenců.
12. 12. Způsob zhotovení polovodičových fotoelektrlckých generátorů podle bodů 1 až 5, vyznačující se tím, že ee metallzované polovodičové destičky (23) s p-n přechodem po jedné ze stran destiček skládají do'sloupku, spojují se navzájem pomocí pájky při současném stlačení k odstranění přebytečné pájky, a rozřezávají se pod určitým úhlem k'rovině destiček na jednotlivé matrice, vyznačující se tím, že se matrice ohřívají na teplotu tavení pájky, načež se prvky matrice proti sobě navzájem posunují po vrstvě pájky, až vytvoří stupňovitou strukturu, a z povrchu vytvořených stupínků (10) se leptáním odstraní metallzované vrstva (2p).