DE102010003166A1

DE102010003166A1 - Vorrichtung zur Stromerzeugung mit Solarzellen

Info

Publication number: DE102010003166A1
Application number: DE201010003166
Authority: DE
Inventors: Alfred Goerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromerzeugung mit Solarzellen, aufweisend eine Serienschaltung von Ketten von Solarzellen, wobei jeder Kette von Solarzellen eine Bypass-Diode antiparallel geschaltet ist. Mindestens eine Bypass-Diode ist als hocheffiziente Schottky-Diode ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromerzeugung mit Solarzellen.
Stand der Technik
Solarmodule weisen in Serie geschaltete Ketten von Solarzellen auf. Die Ketten wiederum bestehen aus in Serie geschalteten einzelnen Solarzellen. Dabei kann eine Kette im Extremfall auch nur aus einer einzigen Solarzelle bestehen. Die Ketten sind jeweils durch eine Bypass-Diode überbrückt. Durch die in Serie geschalteten Solarzellen fließt ein gemeinsamer Strom. Dabei trägt jede Solarzelle mit ihrer jeweiligen Spannung zur Gesamtspannung des Moduls bei.
Es kann der Fall auftreten, dass ein Solarmodul nicht gleichmäßig von der Sonne bestrahlt wird, sondern dass einzelne Ketten oder Solarzellen weniger oder gar nicht bestrahlt werden. Eine Abschattung kann beispielsweise durch verschmutzte Zellen oder durch Schattenwurf von Bäumen oder Gebäuden verursacht werden. Wird nun eine Solarzelle abgeschattet, so erzeugt sie keine Spannung mehr. Elektrisch gesehen wirkt eine abgeschattete Solarzelle wie eine in Sperrrichtung gepolte Diode. Ist die Summe der von den weiterhin bestrahlten Zellen gelieferten Spannung kleiner als die Summe der Durchbruchsspannungen der abgeschatteten Zellen, liefert das Modul keinen Strom mehr. Ist umgekehrt die Summe der Durchbruchsspannungen kleiner, geraten die abgeschatteten Zellen in den Spannungsdurchbruch. Dann fließt ein Strom in Sperrrichtung durch die abgeschatteten Dioden. Häufig werden die Solarzellen bei diesem Betrieb im Durchbruch beschädigt. Selbst wenn es zu keiner dauerhaften Beschädigung der Dioden kommt fällt eine Verlustleistung, die sich aus dem Produkt aus Strom und Durchbruchsspannung ergibt, an den abgeschatteten Solarzellen ab. Die abgeschatteten Zellen heizen sich dadurch auf, was zu Folgebeschädigung der abgeschatteten Zellen sowie der benachbarten Zellen führen kann. Es entsteht ein sogenannter Hotspot. Außerdem wird die abgegebene Energie des Moduls verringert.
Um dieses Problem zu beseitigen, ist es bereits bekannt, die genannten Bypass-Dioden antiparallel zu den Ketten zu schalten. Dadurch wird der Strom um die abgeschatteten Zellen herumgeleitet, so dass das Modul weiterhin Strom abgibt und die abgeschatteten Solarzellen nicht beschädigt werden.
Neben der geringeren Spannung durch die nicht bestrahlten Zellen muss der erzeugte Strom durch die Bypass-Diode bzw. die Bypass-Dioden fließen. An den in Vorwärtsrichtung gepolten Bypass-Dioden fällt jeweils eine Flussspannung ab. Dadurch reduziert sich die abgegebene Leistung des Moduls nicht nur um den Anteil der ausgefallenen Spannungen der abgeschatteten Solarzellen, sondern auch noch um die Verluste durch den Spannungsabfall an den Bypass-Dioden.
Aus diesem Grund wurde bereits vorgeschlagen, Dioden mit möglichst niedriger Flussspannung einzusetzen. Als Möglichkeiten bieten sich dazu Schottkydioden an. Schottkydioden sind Metall-Halbleiter- oder Silizid-Halbleiterübergänge, die eine Diodencharakteristik aufweisen. Außerdem kann die – vom System Metall/Halbleiter abhängige – Flussspannung von Schottkydioden deutlich kleiner als bei üblichen PN-Dioden aus Silizium sein.
Im Fall eines normalen, nicht abgeschatteten Betriebs eines Solarmoduls sind die Bypass-Dioden antiparallel zu den spannungserzeugenden Solarzellen bzw. Ketten geschaltet. Damit liegt an den Bypass-Dioden eine Sperrspannung an. Insbesondere wenn Bypass-Dioden antiparallel zu einer Kette aus vielen Solarzellen geschaltet sind, kann eine nennenswerte Sperrspannung auftreten. Schottkydioden weisen relativ hohe Sperrströme auf. Neben den prinzipiellen höheren Sperrströmen von Schottkydioden kommt noch eine Abhängigkeit des Sperrstroms von der Durchbruchsspannung dazu. Der Sperrstrom steigt mit zunehmender Sperrspannung stark an.
Offenbarung der Erfindung
Eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Effizienz der Vorrichtung im Falle eines Auftretens von Hotspots bei in Serie geschalteten Ketten von Solarzellen gesteigert ist, ohne dass beim Normalbetrieb ein hoher Leitungsverlust durch hohe Sperrströme der Schottkydioden auftritt. Erreicht wird dieser Vorteil dadurch, dass mindestens eine Bypass-Diode als hocheffiziente Schottkydiode ausgeführt ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Zeichnung.
Die 1 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Stromerzeugung mit Solarzellen am Beispiel eines Solarmoduls mit drei in Serie geschalteten Ketten 10, 20 und 30 von Solarzellen. Natürlich sind auch Modulanordnungen mit mehr oder weniger Ketten möglich. Die Klemmen des Moduls sind mit 4 und 5 bezeichnet. Die Ketten 10, 20 und 30 enthalten jeweils mehrere in Serie geschaltete Solarzellen. Beispielsweise sind in der Kette 10 zwei in Serie geschaltete Zellen 11 und 13 eingezeichnet. Eine Kette kann – wie in 1. bereits durch Unterbrechung der Verbindung zwischen den Zellen angedeutet – natürlich auch weitere Solarzellen enthalten, bzw. nur aus einer Solarzelle bestehen. Zu jeder der Ketten 10, 20 und 30 ist eine hocheffiziente Schottkydiode 10a, 20a und 30a als Bypass-Diode antiparallel geschaltet. Bei einer herkömmlichen Anordnung bestehen die Bypass-Dioden aus einfachen PN-Dioden aus Silizium. Im Gegensatz dazu ist bei einer Abschattung der Spannungsabfall über den Bypass-Dioden geringer und damit die Stromabgabe des Moduls höher, wenn Schottkydioden statt PN-Dioden verwendet werden. Als hocheffiziente Schottkydiode wird hier eine Schottkydiode verstanden, die eine Barrierenhöhe von etwa 0,7 eV aufweist und zusätzlich integrierte Strukturen zur Reduktion des sperrspannungsabhängigen Sperrstromes enthält. Konkrete Beispiele werden nachfolgend aufgezeigt:
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Trench-Junction-Barrier-Schottky Diode (TJBS) als Bypass-Diode verwendet. Der grundsätzliche Aufbau einer derartigen Diode ist in der DE 10 2004 053 761 A1 beschrieben. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Kombination von Nickelsilizid/Silizium-Schottkykontakten mit in schmalen Siliziumgräben oder Trenches mit engem Abstand angeordnete PN-Dioden. In Flussrichtung fällt in vorteilhafter Weise nur die relativ geringe Flussspannung der Schottkydiode ab. In Sperrrichtung schirmen die PN-Übergänge das elektrische Feld vom Metall-Halbleiterübergang ab und verhindern einen Anstieg des Sperrstroms mit der Sperrspannung. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die antiparallel geschalteten Bypass-Dioden an einer langen Kette aus vielen Solarzellen liegen, d. h. wenn eine nennenswerte (Sperr-)Spannung während des normalen, nicht abgeschatteten Betriebs an der Schottkydiode liegt.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel werden Trench-MOS-Barrier-Schottkydioden (TMBS) als Bypass-Dioden verwendet. Trench-MOS-Barrier-Schottkydioden (TMBS) sind im Halbleiter integrierte Kombinationen von Schottkykontakten und sich in schmalen, eng benachbarten Siliziumgräben oder Trenches befindliche MOS-Strukturen. Der grundsätzliche Aufbau einer derartigen Diode ist in der DE 694 28 996 T2 beschrieben. Ähnlich wie bei der TJBS fällt in Flussrichtung nur eine relativ geringe Flussspannung an der Schottkydiode ab, in Sperrrichtung schirmen die MOS-Strukturen das elektrische Feld am Schottkykontakt ab und verhindern dadurch einen Anstieg des Sperrstroms mit der Sperrspannung. Der Schottkykontakt ist wiederum bevorzugt als Nickelsilizid/Silizium-Kontakt ausgeführt.
Weitere Anordnungen, die eine Kombination von Schottkydioden mit sonstigen Strukturen zur Unterdrückung des sperrspannungsabhängigen Anteils des Sperrstroms aufweisen, sind ebenfalls zum Einsatz als Bypass-Dioden geeignet. Dabei werden wiederum Barrierenhöhen von ca. 0,7 eV bzw. Übergänge aus Nickelsilizid/n-dotiertem Silizium bevorzugt.
In besonders vorteilhafter Weise können die beschriebenen Schottkydioden mit einer lötfähigen Metallisierung auf Vorder- und Rückseite des Halbleiterchips versehen sein. Dabei kann die Chipmetallisierung auf der Vorderseite beispielsweise aus einer Schichtenfolge von Nickelsilizid, Aluminium, Ti, NiV7 und Ag, die Rückseitenmetallisierung dagegen beispielsweise aus einer Schichtenfolge von Ti, NiV7 und Ag bestehen. Natürlich sind auch andere Kombinationen möglich. Damit ist es leicht möglich, solche Chips als Bypass-Dioden durch beidseitiges Löten in Solarmodule zu integrieren.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, hocheffiziente Schottkydioden durch beidseitige Lötung in ein separates Gehäuse zu löten und mit einer Verguss- oder Moldmasse zu umgeben. Insbesondere können die hocheffizienten Schottkydioden in einem Einpressdiodengehäuse, wie es etwa bei Gleichrichterdioden für Kfz-Generatoren Verwendung findet, verpackt werden. Dazu werden die wiederum auf beiden Chipseiten mit einer lötfähigen Metallisierung versehenen Dioden beidseitig in das Gehäuse eingelötet und beispielsweise mit einer Vergussmasse aus mit Quarzkörnern gefülltem Epoxid vergossen. Ein Beispiel einer derartigen Einpressdiode ist in der DE 102 42 521 A1 angegeben. Durch den engen Kontakt des Chips mit den Kupferteilen wird ein hoher Temperaturanstieg beim Eingriff der Bypass-Dioden verhindert. Wegen den im Vergleich zu Generatoranwendungen im Allgemeinen niedrigeren Temperaturen bei Solarmodulen kann im Gegensatz zur dort beschriebenen Einpressdiode bevorzugt ein bleifreies Lot verwendet werden.
Die Ausführungsbeispiele stellen nur einige mögliche Lösungen exemplarisch dar. Natürlich sind auch noch weitere Verpackungsformen für Hocheffizienzdioden als Bypass-Dioden denkbar.
Neben der in 1 gezeigten Schaltung können auch andere Schaltungsvarianten verwendet werden. Insbesondere sind beliebige Kombinationen von üblichen Dioden in PN-Technik mit Schottkydioden möglich. Auch können Parallelschaltungen von Bypassdioden verwendet werden.
Gemäß der Erfindung wird nach alledem vorgeschlagen, bei einer Vorrichtung zur Stromerzeugung mit Solarzellen, aufweisend eine Serienschaltung von Ketten von Solarzellen, wobei jeder Kette von Solarzellen eine Bypass-Diode antiparallel geschaltet ist, mindestens eine der Bypass-Dioden als hocheffiziente Schottkydiode auszuführen. Eine hocheffiziente Schottkydiode weist in vorteilhafter Weise einen sperrspannungsunabhängigen Sperrstrom auf. Unter einem sperrspannungsunabhängigen Sperrstrom wird dabei auch ein Sperrstrom verstanden, der nahezu unabhängig von der Sperrspannung ist. Hocheffiziente Schottkydioden sind vorzugsweise Kombinationen aus Schottky-Kontakten und weiteren Elementen wie beispielsweise Feldplatten oder PN-Strukturen. Für die Elemente, die zusätzlich integriert sind, können besonders vorteilhaft Trench-Strukturen verwendet werden. Des Weiteren wird in vorteilhafter Weise durch eine Wahl einer geeigneten Schottky-Barriere bzw. eines geeigneten Schottky-Metalls ein gewünschter Kompromiss zwischen einer niedrigen Flussspannung und gewünschtem Sperrstrom eingestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004053761 A1 [0010]
DE 69428996 T2 [0011]
DE 10242521 A1 [0014]

Claims

Vorrichtung zur Stromerzeugung mit Solarzellen, aufweisend eine Serienschaltung von Ketten von Solarzellen, wobei jeder Kette von Solarzellen eine Bypass-Diode antiparallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Bypass-Diode als hocheffiziente Schottkydiode ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine hocheffiziente Schottkydiode eine Schottkydiode ist, die eine Barrierenhöhe von 0,6 eV bis 0,8 eV aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine hocheffiziente Schottkydiode eine Schottkydiode ist, die einen sperrspannungsunabhängigen Sperrstrom aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine hocheffiziente Schottkydiode eine Schottkydiode ist, die eine Kombination aus einem Schottkykontakt und mindestens einem weiteren Element aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Element eine Feldplatte oder eine PN-Struktur ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schottkydioden eine Barriere aus Nickel oder Nickelsilizid aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als hocheffiziente Schottkydiode mindestens eine Trench-MOS-Barrier-Schottkydiode (TMBS) verwendet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass als hocheffiziente Schottkydiode mindestens eine Trench-Junction-Barrier-Schottkydiode (TJBS) verwendet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Dioden Diodenchips sind, die auf beiden Seiten eine lötfähige Metallisierung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dioden jeweils in einem Einpressdiodengehäuse verpackt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dioden jeweils in einem Einpressdiodengehäuse verpackt sind und der jeweilige Chip mit einem bleifreien Weichlot eingelötet ist.