DE1021097B - Sperrschicht-Photo-Element zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie - Google Patents

Sperrschicht-Photo-Element zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie

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DE1021097B
DE1021097B DEW15752A DEW0015752A DE1021097B DE 1021097 B DE1021097 B DE 1021097B DE W15752 A DEW15752 A DE W15752A DE W0015752 A DEW0015752 A DE W0015752A DE 1021097 B DE1021097 B DE 1021097B
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Daryl Muscott Chapin
Calvin Souther Fuller
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sperrschicht-Photo-Element für die Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie und insbesondere auf eine Anordnung, welche die Ausnutzung von Sonnenenergie für die Aufladung einer Speicherbatterie ermöglicht.
Die Erfindung verfolgt das Ziel, Sonnenenergie auszunutzen, um in wirtschaftlicher und wirksamer Weise elektrische Energie zu erzeugen. Darüber hinaus will die Erfindung die aus Sonnenstrahlung gewonnene Energie speichern und dadurch eine stetige Versorgung von Verbrauchern sicherstellen.
Mit dem Gedanken, Sonnenstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln, hat man sich schon seit langem beschäftigt. Die dazu vorgeschlagenen Hilfsmittel haben sich aber für die Praxis nicht als genügend wirksam erwiesen. Insbesondere ist es bisher nicht möglich gewesen, Gesamtwirkungsgrade zu verwirklichen, welche merklich oberhalb 1% liegen. Hierzu gehören die vielseitigen Versuche, die Sonnenstrahlung für die Erwärmung eines Arbeitsmittels und das Temperaturgefälle des Arbeitsmittels für die Erzeugung elektrischer Energie auszunutzen.
Die erfindungsgemäße Benutzung von Sperrschicht-Photo-Elementen als Strahlungsumwandler beruht auf folgenden Erwägungen:
In elektronischen Halbleitern wird die Leitfähigkeit durch zwei Arten von Ladungsträgern, nämlich Elektronen und Löcher, hervorgerufen. Diese Träger können in dem Halbleiter auf verschiedene Weise verfügbar gemacht werden; dazu gehört die Anwesenheit gewisser Elemente in der Kristallstruktur, welche entweder einen Überschuß oder einen Mangel an Valence-Elektronen aufweisen, so daß sie eine Quelle ungebundener Löcher oder Elektronen bilden, welche dadurch verlagert werden können, daß man an dem Kristall eine äußere Energie von niedrigem Pegel anlegt.
Allgemein werden Halbleiter, bei welchen die Leitung in der Hauptsache durch Elektronen bewirkt wird, als n-Typ-Halbleiter bezeichnet, während diejenigen Halbleiter, deren Leitung auf Löchern beruht, dem p-Typ zugerechnet werden. Der Übergangsbereich der Leitfähigkeit zwischen den Halbleiterzonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ist als p-n-Verbindung bekannt.
Es ist bisher bekanntgewesen, daß Licht von passender Wellenlänge beim Auftreffen auf eine p-n-Verbindung als äußere Energiequelle dient, um Loch-Elektron-Paare zu erzeugen. Infolge der Potentialdift'erenz, welche an einer p-n-Verbindung besteht, bewegen sich die Löcher und Elektronen in entgegengesetzter Richtung durch die Verbindung und veranlassen dadurch einen Stromfluß, der die Möglichkeit Sperrschicht-Photo-Element
zur Umwandlung von Sonnenstrahlung
in elektrische Energie
Anmelder:
Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. März 1954
Daryl Muscott Chapin, Basking Ridge, N. J.,
Calvin Souther Fuller, Chatham, N. J.,
und Gerald Leondus Pearson, Bernards Township,
N. J. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden
der Leistungsabgabe an einen äußeren Kreis bietet. Bisher sind jedoch Sperrschichtvorrichtungen dieser Art nicht als Leistungsquellen benutzt worden, da sie in der üblichen Form nicht fähig sind, einen merklichen Leistungsbetrag wirksam verfügbar zu machen. Es ist insbesondere bisher außer acht geblieben, diese Vorrichtungen so zu gestalten, daß sie ausreichende Leistung liefern, um eine Speicherbatterie aufzuladen, die fähig ist, Nutzarbeit zu leisten.
Die in Frage stehenden Vorrichtungen sind jedoch besonders gut für diesen Zweck geeignet, da eine Batterie eine Belastung bildet, deren Widerstand sich mit dem Ladestrom in einer Weise ändert, die den Widerstandsveränderungen einer p-n-Verbindung unter dem Einfluß einer einfallenden Strahlung entspricht; demgemäß arbeitet eine solche Vorrichtung auf eine vorteilhaft angepaßte Belastung, und zwar auf einem weiten Bereich einfallender Lichtwerte.
Es gibt verschiedene Faktoren, welche die Erzielung hoher Wirkungsgrade erschweren. Zunächst hat die gewöhnliche Halbleiteroberfläche die Neigung, einen großen Teil der einfallenden Strahlung zu reflektieren, wodurch die für die Umwandlung verfügbare Strahlung verringert wird. Außerdem kann die Wiedervereinigung von Elektron-Loch-Paaren vor
709 810/272
Erreichung der p-n-Sperrschicht beträchtliche Verluste verursachen. Darüber hinaus ist die Eindringtiefe der Sonnenstrahlung in einen Halbleiterkörper auf dem größten Teil des Nutzspektrums äußerst gehalb zwischen den Ohmschen Anschlüssen und der Batterie ein unipolar leitendes Element in Reihe angeordnet, welches so gepolt ist, daß es von der Sperrschichtvorrichtung zur Speicherbatterie Strom durch
ring, so daß es wichtig ist, die p-n-Sperrschicht so 5 läßt, aber eine Entladung* der Batterie durch die
nahe wie möglich an die Oberfläche zu verlegen. Das ist aber nicht vereinbar mit dem im Interesse niedriger Verluste zu beachtenden Erfordernis, daß der Widerstand der Oberflächenschicht und der daran angebrachten Kontakte niedrig sein soll.
Die Erfindung macht ein Sperrschicht-Photo-Element verfügbar, bei welchem alle vorgenannten Schwierigkeiten behoben sind und mit welchem Wirkungsgrade erzielt werden können, die oberhalb 5% liegen.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Sperrschicht-Photo-Elements besteht in seiner Ausbildung als Silizium-Halbleiterkörper mit einer n-Typ-Zone und einer p-Typ-Zone, welche aneinandergrenzen und
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung eines p-n-Siliziumkörpers, welcher als Spannungselement im Sinn der Erfindung verwendbar ist,
Fig. 2 eine schematische Anordnung mehrerer Zellen von der in Fig. 1 gezeigten Art. die in Reihe geschaltet sind und erfindungsgemäß die Aufladung einer Speicherbatterie besorgen.
Das in Fig. 1 dargestellte Element soll zur bei-
Sperrschichtvorrichtung verhindert.
Anordnungen dieser Art sind von besonderer Bedeutung für die Versorgung von Stationen, die mit Transistor-Kraftverstärker ausgestattet sind und in Landträger-Fernsprechnetzen liegen. In einem solchen System werden die Verstärkerstationen weit verstreut in entfernt liegenden Orten liegen, die Leistungsversorgung solcher Stationen mit Hilfe der üblichen Maßnahmen wird daher erhebliche Aufwendungen verursachen. Eine Verstärkerstation dieser Art wird für ihren Betrieb eine Leistung von etwa 0,2 Watt erfordern. Es kann erwartet werden, daß an den meisten Orten ein Sonnenstrahlungsumwandler, der unter den üblichen Sonnenlichtverhältnissen eine Leistung von
eine p-n-Verbindung bilden, wobei die p-Typ-Zone 20 etwa 1 Watt liefert, ausreicht, um eine Speicherbatteeine Stärke in der Größenordnung der Diffusions- rie im aufgeladenen Zustand zu erhalten, welche für strecke der darin befindlichen Minoritätsträger auf- die Leistungsversorgung einer solchen Verstärkerweist und durch Eindiffusion von Bor aus dampfför- station geeignet ist.
migem Zustand in den festen Halbleiterkörper gebil-* Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
det wurde; zu der Besonderheit gehört außerdem, daß 25 der Erläuterung in Verbindung mit der Zeichnung, an beiden Zonen zwei zu einem Ohmschen Verbraucher In der Zeichnung zeigt führende Anschlüsse angebracht sind, an welchen bei
Einwirkung der Sonnenstrahlung auf die p-Typ-Zone
eine Spannung auftritt.
Die Verwendung von Silizium als Halbleitermate- 30
rial bietet gewisse Vorteile. Silizium ist reichlich verfügbar, es ist das nach Sauerstoff am meisten in der
Erdkruste vorkommende Element. Darüber hinaus
sind bei Silizium die Reflexionsverluste gering. Unter
dem Einfluß der Atmosphäre und beim Fehlen eines 35 spielsweisen Erläuterung in Anlehnung an eine prak-Schutzüberzugs erhält die Siliziumoberfläche einen tische Ausführung beschrieben werden, mit welcher Oxydüberzug, dessen Brechungsindex zwischen dem- aus der Sonnenstrahlung entnommene Leistung an jenigen des Raums und des Silizumkörpers liegt, wo- eine Wriderstandsbelastung geliefert wurde, und zwar durch die Reflexion sehr stark verringert wird. Ein in der Größe von mehr als 55 Watt pro m2 Elemeii-Schutzüberzug ist deshalb nicht erforderlich; in jedem 40 tenfläche. Das Element besteht aus einem Silizum-FaIl können unbedenklich dünne Schutzüberzüge ver- körper 11 mit rechteckigen breiten Flächen. Der Körwendet werden. Darüber hinaus ist Silizum bei den per 11 setzt sich aus einer inneren n-Typ-Zone 12, Temperaturen, die bei einer solchen Verwendung zu deren spezifischer Widerstand etwa 0,1 Ohm-cm beerwarten sind, sehr stabil. trägt, und einer äußeren Zone 13 zusammen, welche Bei der Eindiffusion des als Verunreinigung ver- 45 durch Eindiffundierung von Bor p-Typ besitzt und wendeten Bors aus der Dampfform können sehr dünne einen spezifischen Widerstand von 0,001 Ohm-cm aufgleichmäßige p-Typ-Oberflächenschichten von gerin- weist. Es ist erwünscht, daß beide Zonen einen geringem spezifischem Widerstand gewonnen werden. Da- gen spezifischen Widerstand besitzen, um dadurch die durch wird es möglich, die p-Typ-Schicht für die ein- inneren Verluste so klein wie möglich zu halten und fallende Strahlung nahezu transparent zu machen, die 50 die verfügbare Spannung als Nutzleistung soweit wie durch sie bewirkten inneren Verluste gering zu halten. möglich zu steigern; es ist aber außerdem vorteilhaft, Darüber hinaus ermöglicht die dünne glatte, mit Bor
durchsetzte Schicht die Anbringung eines elektrolytischen Niederschlags und erleichtert dadurch die Herstellung eines Ohmschen Anschlusses von geringem 55
Widerstand.
Im übrigen hat es sich herausgestellt, daß eine
durch Diffusion mit Bor durchsetzte p-Typ-Schicht
außerordentlich beständig ist und eine zuverlässige
Betriebsweise bei langer Lebensdauer gewährleistet. 60 sehen Widerständen der beiden an der Bildung der In ihrer weiteren Ausbildung empfiehlt die Erfin- p-n-Verbindung beteiligten Zonen mit besonderem dung ein oder mehere Siliziumelemente oder der an- Vorteil dadurch verwirklichen, daß man den spezifigegebenen Art zu einer Anordnung zu ergänzen, sehen Widerstand der n-Typ-Zone größer wählt, welche die Aufladung einer Speicherbatterie ermög- Zwecks wirksamster Ausnutzung der einfallenden
licht. Bei solchen Anordnungen ist es wichtig, die 65 Strahlung ist es darüber hinaus vorteilhaft, die p-Typ-Siliziumelemente in den Zeitspannen gegenüber der Zone 13 wenigstens an der Vorderseite 14 äußerst Speicherbatterie zu isolieren, wo keine Aufladung dünn zu halten, damit sie möglichst durchlässig für stattfindet, damit die Zellen nicht als Belastung wir- die einfallende Strahlung ist, welche so nahe wie mögken und eine Entladung der Batterie vermieden wird. lieh bis zur p-n-Verbindung einwirken sollte, um In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist des- 70 durch Wiedervereinigung bedingte Verluste sehr ge-
einen Unterschied in den spezifischen Widerständen der beiden Zonen vorzusehen, um eine nachteilige Gegenstromcharakteristik zu vermeiden.
Von besonderer Bedeutung ist es auch, daß die p-Typ-Zone niedrigen spezifischen Widerstand besitzt, um die Anbringung Ohmscher Anschlüsse geringen Widerstandes zu erleichtern. Demgemäß läßt sich die erwünschte Differenz zwischen den spezifi-
ring zu halten. Zur Erzielung einer beachtlichen Ausgangsleistung ist es insbesondere wichtig, daß die p-Typ-Schicht nicht dicker ist, als es der Größenordnung der Diffusionsstrecke der in der p-Typ-Zone befindlichen Minoritätsträger, d. h. der Elektronen, ist.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die p-Typ-Schicht 13 nicht stärker als 0,0025 mm, während die n-Typ-Schicht eine Stärke von etwa 1,01 mm besitzt. Ein solcher Körper kann dadurch gewonnen werden, daß man ein n-Typ-Siliziumblättchen mit einem spezifischen Widerstand von 0,3 Ohm-cm für die Dauer von 572 Stunden in einer Atmosphäre von Bor-Trichlorid bei einem Druck von 15 cm Quecksilber auf eine Temperatur von 1000° C erhitzt. Die äußere p-Typ-Schicht wird im mittleren Teil der Rückfläche 15 durch Ätzung entfernt, um einen Streifen der n-Typ-Zone für die Anbringung eines Ohmschen Anschlusses freizulegen.
An die η-Typ und p-Typ-Zonen werden Anschlüsse geringen Widerstandes angebracht, indem man auf elektrolytisehem Wege Überzüge aus geeignetem, keine Verunreinigungen bewirkendem Metall, z. B. Rhodium, anbringt, die in Form länglicher Streifen 17, 18 und 19 auf der Rückfläche 15 des Elements zu liegen kommen, so daß die Vorderfläche 14 für die einfallende Strahlung ganz verfügbar bleibt. Der in der Mitte liegende Beschichtungsstreifen 17 steht mit der n-Typ-Zone in leitender Verbindung. Die beiderseits davon liegenden Überzüge 18 und 19 dienen als Anschlüsse zu der p-Typ-Zone. Wie bereits weiter oben kurz erwähnt wurde, erweist sich eine mit Bor durchsetzte p-Typ-Schicht als vorteilhaft, da Rhodium unmittelbar im Wege der Elektrolyse niedergeschlagen werden kann, ohne daß vorher eine Rauhung der Oberfläche erforderlich ist. Die Bedeutung dieses Um-Standes ergibt sich daraus, daß die p-Typ-Schicht vorzugsweise nur 0,0025 mm dick sein soll. Das steht im Widerspruch zu Siliziumelementen, bei welchen eine innere p-Typ-Zone eine dünne, durch Diffusion mit Phosphor durchsetzte n-Typ-Schkht trägt. Derartige Elemente sind den Elementen der beschriebenen Art unterlegen. Danach können Kupferzuführungen an den Überzügen angebracht werden, welche die Abnahme der erzeugten Leistung ermöglichen. Die Zuführungen zu den Überzügen 18 und 19 haben mit Bezug auf die Zuführungen zu dem Überzug 17 positives Potential. Wie oben bereits erwähnt wurde, ist es zwecks Geringhaltung der Reflexionsverluste wünschenswert, die Vorderseite 14 des Elements zu behandeln. Dazu empfiehlt es sich, einen dünnen Überzug 20 aus Polystyrol auf dieser Fläche aufzubringen, Polystyrol hat einen Brechungsindex von etwa 1,6, der nahezu den geometrischen Mittelwert des Brechungsindex des Raumes und des Brechungsindex von geeignetem Silizium darstellt, so daß er eine weitgehende Verminderung der Reflexionsverluste bewirkt. Statt dessen kann die Silizumfläche durch Erhitzung in Wasserdampf oxydiert werden. Der dabei entstehende Oxydüberzug bewirkt ebenfalls eine sehr weitgehende Verringerung der Reflexionsverluste.
Es ist außerdem erwünscht, zwischen den Überzügen 18, 19 und dem Überzug 17 einen hohen Ableitungswiderstand aufrechtzuerhalten. Dazu ist es vorteilhaft, die Zwischenbereiche 21 und 22 mit Wachs oder einer anderen Zusammensetzung zu beschichten, um einen Schutz gegen Feuchtigkeit zu schaffen und einen Ableitungsweg hohen Widerstandes zu gewährleisten. Unter den gegebenen Umständen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Oberflächengröße einer Einzelzelle zu begrenzen, da bei einem zu langen Weg der Ladungsträger innerhalb des Körpers die inneren Verluste hoch ausfallen. Wenn große Ströme erwünscht sind, so werden mehrere Elemente parallel zueinander angeordnet. Wrenn hohe Spannungen erwünscht sind, so werden mehrere Elemente in Reihe geschaltet. Bei praktisch ausgeführten Anordnungen wurde eine Leerlaufspannung von etwa 0,52 Volt pro Element erhalten.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch eine Anordnung für die Aufladung einer Speicherbatterie 30., welche unter Ausnutzung der Sonnenstrahlung eine Belastung speist. Die Belastung ist schematisch als Widerstand 32 dargestellt. Eine Mehrzahl von Elementen 10, die der beschriebenen Ausführungsform entsprechen, sind in Serienanordnung geschaltet, um eine Gesamtspannung zu erhalten, welche der Aufladung angemessen ist. Bei speziellen Anordnungen kann es erwünscht sein, eine Anzahl von Elementen in Parallelanordnung zu verwenden, um einen höheren Ladestrom verfügbar zu machen, als er bei einem Einzelelement üblicherweise verfügbar ist.
Für die in Frage stehenden Elemente ist es charakteristisch, daß bei ihrem Wirksamwerden der innerhalb der Zelle induzierte Stromfluß in der Gegenrichtung verläuft. Demzufolge werden diese Zellen im passiven Zustand in der Vorwärtsrichtung oder in der Richtung des geringen Widerstandes durch die aufgeladene Batterie 30 vorgespannt und bilden somit eine Belastung geringen Widerstandes, welche zur Entladung der Batterie führt. Um dies zu vermeiden, ist es wichtig, in Reihe mit den Elementen 10 und der Batterie 30 ein unipolar leitendes Element 31 anzubringen, z. B. eine Kristalldiode, welche so gepolt ist, daß sie dem in den Elementen erzeugten Ladestrom einen geringen Widerstand entgegensetzt, aber für jeglichen von der Batterie kommenden Entladestrom einen hohen Widerstand bildet.
Beim praktischen Gebrauch wird es vorteilhaft sein, die verschiedenen Elemente in einer solchen Lage zu halten, daß sie zum Horizont geneigt sind. Die jeweils optimale Neigung ist der geographischen Breite des Aufstellungsortes anzupassen. Es kann vorteilhaft sein, die Elemente in verschieden starker Schräglage anzuordnen, um eine über den Tag verteilte Durchschnittswirkung zu erzielen. Darüber hinaus kann es erwünscht sein, Mittel für die Konzentration des Sonnenlichts auf die Elemente anzubringen. Hierfür eignen sich beispielsweise zylindrische oder parabolische Reflektoren, welche eine solche Konzentration der Strahlung unabhängig von einer genauen Einstellung zur Sonne ermöglichen. Es ist klar, daß verschiedenartige Maßnahmen dieser Art Anwendung finden können, um die auf die Elemente fallende Sonnenlichtmenge zu steigern.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Sperrschicht-Photo-Element zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie bei erhöhtem Wirkungsgrad, gekennzeichnet durch einen Silizium-Halbleiterkörper mit einer n-Typ-Zone und einer p-Typ-Zone, welche aneinandergrenzen und eine p-n-Verbindung bilden, wobei die p-Typ-Zone eine Stärke in der Größenordnung der Diffusionsstrecke der darin befindlichen Minoritätsträger aufweist und durch Eindiffusion von Bor aus dampfförmigem Zustand in den festen Halbleiterkörper gebildet wurde, und durch zwei an beiden Zonen angebrachte, zu einem Ohmschen
Verbraucher führende Anschlüsse, an welchen bei Einwirkung der Sonnenstrahlung auf die p-Typ-Zone eine Spannung auftritt.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die n-Typ-Zone einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 0,3 Ohmcm, die p-Typ-Zone einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 0,001 Ohm-cm aufweist.
3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Sonnenstrahlung ausgesetzte Oberfläche der p-Typ-Zone einen transparenten Überzug trägt, dessen Brechungsindex zwischen demjenigen des Raumes und des Siliziumkörpers liegt.
4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die p-n-Verbindung ebene Form hat und eine Flächenausdehnung in der Größenordnung eines m2 einnimmt.
5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der großen Flächen des Elements so ausgerichtet ist, daß sie eine im wesentlichen senkrecht zu den einfallenden Sonnenstrahlen verlaufende Stellung einnimmt.
6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Konzentriervorrichtung, zweckmäßig in Form eines zylindrischen oder
parabolischen Reflektors, welcher die Sonnenstrahlung auf eine der großen Flächen jedes Elements konzentriert.
7. Anordnung zur Aufladung von Speicherbatterien unter Verwendung eines oder mehrerer Elemente nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ohmschen Anschlüssen und der Batterie ein unipolar leitendes Element in Reihe angeordnet ist, welches so gepolt ist, daß es von der Sperrschichtvorrichtung zur Speicherbatterie Strom durchläßt, aber eine Entladung der Batterie durch die Sperrschichtvorrichtuiig verhindert.
8. Anordnung mit mehreren Elementen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gegebenenfalls zur Aufladung von Speicherbatterien gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung einer der großen Flächen der Elemente zwecks Erzielung einer über den Tag reichenden guten Durchschnittswirkung verschieden groß gewählt ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift ATr. 838 924;
USA.-Patentschriften Nr. 2 644 852, 2 669 635;
Torrey-Whitmer, Crystal Rectifiers, 1948, S. 306.
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