DE10054776A1 - Entladungsfester Raumfahrt-Solargenerator - Google Patents

Entladungsfester Raumfahrt-Solargenerator

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Solargenerator mit mehreren, auf einem Trägermaterial (6) voneinander beabstandet aufgebrachten Solarzellen (2), welche durch Deckschichten (1) zumindest auf der dem Trägermaterial (6) abgewandten Seite bedeckt sind, wobei auf den Deckschichten (1) leitende Schichten (5) aufgebracht sind und zwischen jeder Solarzelle (2) und ihr benachbarten Solarzellen zumindest ein Zwischenraum (7) besteht, wobei zumindest einer der Zwischenräume (7) pro Solarzelle (2) zumindest auf einem Teil seiner Längserstreckung zwischen den benachbarten Solarzellen (2) mit einem leitfähigen Kleber (3) vom Trägermaterial (6) bis zu den leitenden Schichten (5) aufgefüllt ist.

Description

Solargeneratoren von Raumfahrzeugen, insbesondere von Satelliten sind auf­ grund der im Erdmagnetfeld gefangenen, geladenen Teilchen, der Teilchen­ strahlung solarer Flares sowie magnetischer Substürme einem ständig variie­ renden Elektronen-Protonenstrom ausgesetzt, der einige nA/cm2 betragen kann. Insbesondere die aufgrund ihrer Geschwindigkeit wesentlich häufigeren Elektronen laden Raumfahrzeuge ohne geeignete Schutzmaßnahmen negativ auf.
Der i. a. mit dem Raumfahrzeugkörper leitend verbundene Solargenerator nimmt das Potential des Raumfahrzeugs an. Auf dem Solargenerator sind meist Solarzellen-Deckgläser elektrisch isoliert angebracht. Ihre Aufladung hängt neben ihrer Leitfähigkeit von dem einfallenden Teilchenstrom sowie den durch Photoeffekt und Sekundärelektronenemission erzeugten Elektro­ nen ab. Im Allgemeinen werden auf den Deckgläsern invertierte Ladungen mit Spannungen bis über 1000 V erzeugt, die sich in regelmäßigen Abständen i. A. auf die über den negativen Pol mit der Satellitenmasse verbundenen Solar­ zellen entladen. Der entstehende Funken ionisiert das Solarzellenmaterial, was zu einer länger dauernden Bogenentladung führen kann, wenn ein ent­ sprechend hohes elektrisches Feld die freigesetzten Elektronen beschleunigt und die Entladung durch Stoßionisation aufrecht erhalten wird. Das erforderli­ che elektrische Feld kann z. B. durch die Spannungsdifferenz zweier benach­ barter Solarzellen entstanden sein, wenn hohe Betriebsspannungen bei­ spielsweise durch u-förmige Anordnung der Solarzellen, erzielt werden.
Eine derartige selbständige Entladung kann sehr hohe Temperaturen erzeu­ gen, wodurch Materialzerstörungen auftreten. So können z. B. der Isolation gegen ein Solargeneratorsubstrat dienende Kunststoff-Folien karbonisiert werden und eine leitende Verbindung zwischen den Solarzellen schaffen. Die­ se leitende Verbindung lässt zwar die Entladung erlöschen, schließt aber gleichzeitig die Solarzellen kurz, so dass es zum Ausfall ganzer Solargenera­ tor-Stromkreise kommen kann.
Die Ursache der Kurzschlüsse ist die Primärentladung der Deckgläser auf die Solarzellen. Diese Primärentladung kann verhindert werden, indem man die Deckgläser leitend macht und sie elektrisch entweder direkt oder über die Solarzellen mit der Solargeneratormasse verbindet. Für die Deckgläser hat sich insbesondere eine dünne, optisch angepasste Schicht von Indium-Zinn-Oxyd (ITO) auf der Außenseite bewährt. Die Verbindung dieser leitenden Schicht mit der Solargeneratorstruktur ist jedoch problematisch, weil entwe­ der sehr aufwändig, oder nicht zuverlässig genug. Einige Verfahren (tab wel­ ding, straight or helically shaped metal wire connection, pig tail interconnec­ tor plus conductive adhesive) wurden beschrieben von J. W. Koch "A low cost anticharging connection system for solar generators and its application on ASPERA solar array", Proceedings of the European Space Power Conference, Madrid, Spain, 2-6 October 1989, ESA SP-294, page 587. Weitere Lösungen sind leitende Verbindungen der Deckgläser über die Ecken mittels Metallpads und leitendem Kleber, der durch Auffüllen der Zellzwischenräume mit isolie­ rendem Kleber von den Solarzellen isoliert wurde, bekannt aus DE 197 11 319 oder die Bedampfung der Zell- und Deckglaskanten mit einer sehr dün­ nen Goldschicht oder die ITO-Schicht, bekannt aus WO 99/38217.
In US 5,919,316 werden die Ladungen vom Deckglas zum Zellkontakt bzw. Zellverbinder geleitet, entweder durch eine "Wrap-around"-Technik einer lei­ tenden ITO-Schicht (d. h. die ITO-Schicht umschließt teilweise das Deckglas) oder durch eine Deckglaskanten-Bedampfung, die mit Hilfe eines leitenden Epoxyd-Harz-Wulstes mit dem Zellverbinder verbunden wird. Problematisch ist hierbei, wie der Kontakt zur Zell-Elektrode zustande kommt, wie man den Epoxyd-Harz-Wulst herstellt, ohne dass man die Zelle kurzschließt oder den Zellverbinder überlebensunfähig macht. Außerdem ist eine "wrap-around"-Technik nur aufwändig zu realisieren.
Die Lehre der EP 0 938 141 verhindert eine Primärentladung nicht, sondern reduziert die Ausbildung einer Sekundärbogenentladung. Dabei ist ein Füll­ stoff in den Zellzwischenräumen vorgesehen, der nicht leitend ist.
Alle Verfahren sind relativ aufwändig und kostenintensiv.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Solargenerator und ein Herstellungsverfahren dafür bereitzustellen, das eine Herstellung auf ein­ fache Weise ermöglicht und weiterhin eine effektive Verhinderung von Primä­ rentladungen garantiert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5.
Der erfindungsgemäße Solargenerator weist mehrere, auf einem Trägermate­ rial voneinander beabstandet aufgebrachte Solarzellen auf. Zwischen benach­ barten Solarzellen sind also Zwischenräume vorgesehen, deren Zahl sich da­ nach richtet, von wie vielen benachbarten Solarzellen eine bestimmte Solar­ zelle umgeben ist. Die Solarzellen sind durch Deckschichten zumindest auf der dem Trägermaterial abgewandten Seite bedeckt. Solche Deckschichten sind insbesondere isolierend ausgebildet und können aus Glas oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Es kann pro Solarzelle lediglich eine Deckschicht vorgesehen sein, grundsätzlich sind jedoch auch mehrere Deck­ schichten möglich. Auf den Deckschichten sind leitende Schichten aufge­ bracht, die zumindest einen Teil der Deckschicht bedecken. Sie können diese beispielsweise in Form einzelner Leiter oder eines Gitters bedecken, bei ent­ sprechend geringer Beeinträchtigung der Funktion der Solarzelle ist auch eine komplette Bedeckung denkbar. Erfindungsgemäß ist nun zumindest einer der Zwischenräume pro Solarzelle mit einem leitfähigen Kleber aufgefüllt, der sich vom Trägermaterial bis zu den leitenden Schichten erstreckt. Der Kleber muss in Richtung der Längserstreckung des Zwischenraums, also in Richtung parallel zu den den Zwischenraum bildenden Kanten der Solarzellen, den Zwi­ schenraum nicht komplett ausfüllen. Es genügt, dass der Zwischenraum in dieser Richtung nur in einem Teilbereich aufgefüllt ist. Es ist lediglich zu ga­ rantieren, dass der leitende Kleber mit einer Kante der Solarzelle und mit den leitenden Schichten in Verbindung steht, um eine leitende Verbindung zwi­ schen diesen beiden herzustellen. Besonders vorteilhaft ist jedoch, dass durch das Ausfüllen der Zwischenräume gleichzeitig für zwei Solarzellen diese leitende Verbindung zwischen Solarzelle und leitender Schicht erzielt werden kann.
Wie bereits beschrieben kann vorgesehen werden, dass die leitenden Schich­ ten zumindest Teilbereiche der von den Solarzellen abgewandten Oberflächen der Deckschichten bedecken. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass die leitenden Schichten zusätzlich zumindest Teilbereiche der Kantenflächen der Deckschichten bedecken. Damit wird die Herstellung des Kontaktes zu dem leitenden Kleber vereinfacht, da nun eine größere Kontaktfläche auch seitens der Deckschichten besteht. Seitens der Solarzellen wird der Kontakt ohnehin über die Kantenflächen hergestellt, also in der Regel durch das Halb­ leitermaterial der Solarzelle (eine speziell ausgebildete Elektrode muss hierfür nicht vorgesehen werden).
Für den leitenden Kleber kann jedes geeignete Material vorgesehen werden. Speziell kann er als mit leitendem Material angereicherter Silikonkleber aus­ gebildet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Solargenerators, bei dem Solarzellen auf einem Trägermaterial voneinander durch Zwischen­ räume beabstandet aufgebracht sind, wobei die Solarzellen durch Deck­ schichten zumindest auf der dem Trägermaterial abgewandten Seite bedeckt sind und wobei auf den Deckschichten leitende Schichten aufgebracht sind, werden folgende Schritte durchgeführt:
  • - Fixieren der Solarzellen auf der Seite der Deckschichten, wobei das Fi­ xieren durch eine geeignete Fixiereinrichtung wie eine Spannvorrichtung oder eine Vakuum-Einrichtung oder auch durch eine geeignete Klebeflä­ che erfolgen kann,
  • - zumindest teilweises Auffüllen in Richtung der Längserstreckung der Zwischenräume von zumindest einem Zwischenraum pro Solarzelle mit einem leitfähigen Kleber von der von den Solarzellen abgewandten Ober­ flächen der Deckschichten bis zu der von den Deckschichten abgewand­ ten Oberflächen der Solarzellen, so dass also der leitfähige Kleber mit der von den Solarzellen abgewandten Oberflächen der Deckschichten und den Seitenkanten der Solarzellen in Verbindung gebracht wird, je­ doch in Richtung parallel zu den Seitenkanten der Solarzellen, welche den Zwischenraum bilden, der Zwischenraum nicht komplett ausgefüllt werden muss,
  • - Aufbringen eines Klebers auf die den Deckschichten abgewandten Ober­ flächen der Solarzellen
  • - Aufbringen eines Trägermaterials auf die von den Deckschichten abge­ wandten Oberflächen der Solarzellen.
Das Aufbringen des Klebers auf die den Deckschichten abgewandten Oberflä­ chen der Solarzellen und das Aufbringen des leitfähigen Klebers kann durch jede geeignete Technik erfolgen, wobei bevorzugt eine Siebtechnik zumindest für den Kleber auf den den Deckschichten abgewandten Oberflächen der So­ larzellen, idealerweise auch für den leitfähigen Kleber verwendet wird. Alter­ nativ können aber auch geeignete Dosiergeräte verwendet werden. Das Auf­ füllen der Zwischenräume mit leitendem Kleber und des Aufbringen des Kle­ bers auf den Oberflächen der Solarzellen kann dabei auch in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgen, d. h. dass derselbe Kleber für beide Zwecke verwendet wird und nur ein einziges Mal, z. B. durch eine geeignete Siebtechnik, Kleber auf die Anordnung aufgebracht werden muss.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfol­ gend anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Solargenerator,
Fig. 2 Draufsicht auf den Solargenerator nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Solargenerator, bei dem auf einem Trägermaterial 6 mehrere Solarzellen 2 angeordnet sind. Diese sind auf der in Fig. 1 unteren Oberfläche 10 mit dem Trägermaterial verklebt. Auf der ande­ ren Seite der Solarzellen 2 sind Deckgläser 1 angebracht, die auf ihrer Ober­ fläche 8 zumindest teilweise mit einer leitenden Schicht 5 bedeckt sind. Die Seitenfläche 9 der Deckgläser 1 sind in Fig. 1 ohne eine Beschichtung durch eine leitende Schicht 5 dargestellt. Es können aber auch diese Kantenflächen 9 zumindest teilweise von einer leitenden Schicht 5 bedeckt sein, die in lei­ tender Verbindung mit den leitenden Schichten 5 auf der Oberfläche 8 ste­ hen. Zwischen die Solarzellen 2 ist ein leitender Kleber 3 eingebracht, der von dem Trägermaterial 6 bis zur Höhe der leitenden Schichten 5 auf der Oberflä­ che 8 reicht. Er füllt die Zwischenräume zwischen den Solarzellen 2 so aus, dass jeweils benachbarte Solarzellen 2, deren Deckgläser 1 und die leitenden Schichten 5 auf den Deckgläsern miteinander verbunden sind.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Solargenerator nach Fig. 1, wobei hierbei deutlich wird, dass die Zwischenräume 7 zwischen den einzelnen Solarzellen 2 in der Richtung parallel zu den Seitenflächen 9 der Deckgläser nicht kom­ plett mit dem leitenden Kleber 3 ausgefüllt sein müssen. Es müssen auch nicht alle Zwischenräume zwischen benachbarten Solarzellen 2 durch einen leitenden Kleber 3 ausgefüllt sein. Es genügt, dass pro Solarzelle zumindest ein Zwischenraum 7 zu einer benachbarten Solarzelle mit einem leitenden Kleber 3 ausgefüllt ist. Die leitenden Schichten 5 auf den Deckgläsern 1 sind in Fig. 2 schematisch so dargestellt, dass sie die komplette Oberfläche der Deckgläser bedecken. Dies ist jedoch nur sinnvoll, wenn diese Schichten 5 eine ausreichende Transparenz aufweisen. Als leitende Schicht kann alterna­ tiv auch eine auf dem Deckglas aufgebrachte Antireflexionsschicht dienen. In anderen Fällen wird man bevorzugt vorsehen, dass die leitenden Schichten 5 lediglich als einzelne Leiter oder als Gitter auf den Deckgläsern 1 ausgebildet sind.
Die Solarzellen 2 sind in Fig. 2 in Reihen 13 und Spalten 12 angeordnet. Die Solarzellen 2 einer Spalte 12 sind im Beispiel nach Fig. 2 durch übliche Zell­ verbinder 4 in Form einer Serienschaltung miteinander verbunden. Es ist durch Punkte angedeutet, dass noch mehr als nur die dargestellten drei Rei­ hen 13 vorgesehen sein können. Es können nun, wie in Fig. 2 dargestellt, auch die einzelnen Spalten 12 an ihren Enden miteinander leitend verbunden sein. Die Spalten 12 können aber auch voneinander unabhängig sein, so dass nur die Solarzellen 2 innerhalb einer Spalte 12 in Form einer Serienschaltung verbunden sind, wobei jedoch bevorzugt benachbarte Spalten 12 gegenläufig verschaltet sind. In Fig. 2 sind hierzu Verbinder 11 schematisch dargestellt, die ein U-förmige Verschaltung der Solarzellen 2 bzw. der Spalten 12 von So­ larzellen 2 herstellen. Damit sind die Solarzellen 2 der mittleren Spalte 12 in Fig. 2 mit den Solarzellen 2 der linken Spalte 12 in Serie geschaltet, aller­ dings in umgekehrter Abfolge. Dadurch steigt der Spannungsunterschied zwi­ schen Solarzellen 2 benachbarter Spalten 12 zur untersten Reihe 13 in Fig. 2 hin an. Es muss daher in diesem Fall ein hochohmiger leitfähiger Kleber 3 zwischen diesen Spalten 12 vorgesehen werden, damit kein Kurzschluss zwi­ schen den Spalten 12 entsteht.
Bei einem Elektronenstrom von typisch 10 nA/cm2 müsste ein beispielsweise 25 cm2 großes Deckglas 1 über einen Widerstand von 400 MΩ "geerdet" wer­ den, um die Aufladung des Deckglases 1 unter 100 V zu halten. Deckgläser besitzen spezifische Widerstände von typisch 1016 Ω cm. Dies verhindert nicht eine Aufladung der Deckgläser 1. Nun wird in den Zwischenraum 7 zwischen zwei benachbarten Zellen 2 ein hochohmiger Leiter z. B. in Form eines gering leitenden Klebers 3, eingebracht, der das Deckglas 1 mit der darunter liegen­ den und den benachbarten Solarzellen 2 verbindet. Füllt man den langen Zwi­ schenraum 7 zwischen zwei u-förmig angeordneten Zellketten mit einer Ope­ rationsspannung 100 V mit einem Füllstoff 3 (Silikonkleber) z. B. mit einem spezifischen Widerstand von 109 Ω cm cm auf, so bleibt die Deckglasaufladung stets unter 100 V und der Modul verliert durch die Leitfähigkeit des Füllstoffs 3 nur ca. 10 µA, was bei einem typischen Zellstrom von 1A vernachlässigbar ist.
Die Erfindung besteht nun darin, dass ein gebräuchlicher Silikonkleber, z. B. Wacker RTV-S695 oder Dow Corning 93500, mit leitendem Material wie Ruß oder Metallpulver vermengt wird, dass der Kleber eine ausreichende Leitfä­ higkeit z. B. von 10-9-10-10 S/cm besitzt. Bei der Vorbereitung der Verkle­ bung von Solarzellenmodulen mit einer Paneelstruktur als Trägermaterial 6 lie­ gen die Solarzellen 2 mit der Rückseite 10 nach oben beispielsweise auf einer Klebefolie, die ausreichend, z. B. auf einem Positionierblech, fixiert ist. Der Kleber für die Klebung der Solarzellen 2 wird beispielsweise im Siebdruckver­ fahren mit einem Sieb aufgebracht und zwar so, dass die Zellzwischenräume 7 frei von Kleber bleiben. Vor diesem Schritt wird jedoch ein Zwischenschritt eingeschaltet, der die Applikation des leitenden Klebers 3, hier ebenfalls mit­ tels Siebtechnik, beinhaltet. Dazu wird ein grobes Sieb benutzt, das lediglich einen Kleberaustritt an den Zellzwischenräumen 7 erlaubt, die mit dem lei­ tenden Kleber 3 gefüllt werden sollen. Mittels der Siebtechnik lassen sich die gewünschten Stellen ganz exakt definieren. Ein geringes Überlaufen auf die Zellrückseite 10 hat keinen negativen Einfluss. Die Applikation des leitenden Klebers kann natürlich auch mit anderen Mitteln als der Siebtechnik erfolgen, z. B. mit Dosiergerät. Wichtig ist, dass der Kleber bis zu den Deckgläsern 1 hinunterläuft und Deckglas 1 und Zelle 2 leitend miteinander verbunden wer­ den.
Die Deckgläser 1 brauchen an ihren Rändern nicht leitend zu sein, wenn der Leitkleber 3 bis an die Oberfläche 8 reicht. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass die leitende Schicht 5 um die Kante wenigstens teilweise auf die Seitenfläche 9 der Deckgläser 1 herumgezogen wird, was ohne großen Mehraufwand erzielt werden kann.

Claims (6)

1. Solargenerator mit mehreren, auf einem Trägermaterial (6) voneinander beabstandet aufgebrachten Solarzellen (2), welche durch Deckschichten (1) zumindest auf der dem Trägermaterial (6) abgewandten Seite bedeckt sind, wobei auf den Deckschichten (1) leitende Schichten (5) aufgebracht sind und zwischen jeder Solarzelle (2) und ihr benachbarten Solarzellen zumindest ein Zwischenraum (7) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Zwischenräume (7) pro Solarzelle (2) zumindest auf einem Teil seiner Längserstreckung zwischen den benachbarten Solarzellen (2) mit einem leit­ fähigen Kleber (3) vom Trägermaterial (6) bis zu den leitenden Schichten (5) aufgefüllt ist.
2. Solargenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Schichten (5) zumindest Teilbereiche der von den Solarzellen (2) abgewandten Oberflächen (8) der Deckschichten (1) bedecken.
3. Solargenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Schichten (5) zusätzlich zumindest Teilbereiche der Kantenflächen (9) der Deckschichten (1) bedecken.
4. Solargenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der leitfähige Kleber (3) als mit leitendem Material angerei­ cherter Silikonkleber ausgebildet ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Solargenerators mit auf einem Trä­ germaterial (6) voneinander durch Zwischenräume (7) beabstandet aufge­ brachten Solarzellen (2), welche durch Deckschichten (1) zumindest auf der dem Trägermaterial (6) abgewandten Seite bedeckt sind, wobei auf den Deck­ schichten (1) leitende Schichten (5) aufgebracht sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - Fixieren der Solarzellen auf der Seite der Deckschichten (1)
  • - zumindest teilweises Auffüllen in Richtung der Längserstreckung der Zwischenräume (7) von zumindest einem Zwischenraum (7) pro Solar­ zelle (2) mit einem leitfähigen Kleber (3) von der von den Solarzellen (2) abgewandten Oberflächen (8) der Deckschichten (1) bis zu der von den Deckschichten (1) abgewandten Oberflächen (10) der Solarzellen (2)
  • - Aufbringen eines Klebers auf die den Deckschichten (1) abgewandten Oberflächen (10) der Solarzellen (2)
  • - Aufbringen eines Trägermaterials (6) auf die von den Deckschichten (1) abgewandten Oberflächen (10) der Solarzellen (2).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auf­ bringen der Kleber durch eine Siebtechnik erfolgt.
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