DE1564935A1 - Solarelement - Google Patents

Description

• "Solarelement" Die Erfindung betrifft ein Solarelement mit großer Ausgangsleisturig.
• Solarelemente oder sogenannte Sperrschichtphotoelemente, die zur Umwandlung der Licht- bzw. der'Sonnenenergie in elektrische Leistung verwendet werden, sind bereits seit einigen Jahren bekannt. Dabei geht man von einem Halbleiterkörper mit zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps aus. Ein derartiger Halbleiterkörper mit einer n- (Elektronen-) und einer p- (Löcher-) leitenden Zone weist einen Übergangsbereich zwischen den beiden Zonen, den sogenannten pn-Übergang auf. Durch'Ausgleichsvorgänge im Halbleiterkörper entsteht im Bereich des pn-Überganges eine Potentialdifferenz. Fällt auf den pn-Übergang Licht- oder Sonnenstrahlung,so entstehen durch Paarbildung im Halbleiterkörper Löcher und Elektronen, die durch die am pn-Übergang herrschende Potentialdifferenz in entgegengesetzten Richtungen über den pn-Übergang fließen. Dadurch wird ein Stromfluß bzw. zwischen den beiden Elektroden an den Zonen des Halbleiterkörpers eine Potentialdifferenz verursacht, so daß bei einer äußeren Belastung ein Strom fließen kann.
• Den zur Herstellung von Solarelementen geeigneten Halbleitermaterialien kann eine charakteristische Potentialdifferenz zwischen den Elektroden bei Sonneneinstrahlung zugeordnet werden, so daß die Ausgangsleistung einer Solarzelle nur durch Vergrößerung der Sperrschichtfläche, wodurch bei einer äußeren Belastung ein größerer Strom abgegeben werden kann, zu erhöhen ist. Die bisher bekannten Sperrschicht-Photoelemente bestehen, soweit sie von einkristallinem Halbleitermaterial ausgehen, aus einem Halbleiterkörpei mit einer p- und einer n-Zone, wobei die eine Zone mit einem Metallkontakt versehen ist, der die ganze Oberflächenseite bedeckt. Die dem Licht ausgesetzte Zone des Halbleiterkörpers wird an der Oberfläche mit einer kammartig ausgeführten, metallischen Streifenstruktur kontaktiert. Damit erreicht man, daß die vom Kontaktmaterial bedeckte Fläche des HalblelterkÖrpers gegenüber der von der Strahlung getroffenen Fläche nicht allzu groß wird. Weiterhin sind sogenannte Dünnschichtsolarzellen bekannnt geworden, die aus dünnen, polykristallinen, meist aufgedampften Schichten eines Verbindungshalbleiters, beispielsweise aus Cadm:iumsulfld bestehen. Bei diesen Photoelementen gestaltet sich die Anbringung von Kontakten sehr schwierig, da die n- und die p-Zonen sehr dünn sind und daher die elektrischen Widerstände in diesen Zonen eine verlustlose Ab- führung der Photoströme nicht mehr zulassen. Die kamm- bzw. netzförmiLgen Kontakte auf der der Strahlung ausgesetzten Oberfläche der Photozellen müssen daher sehr engmaschig ausgefÜhrt -werden. Außerdem müssen die metallischen Leitbahnen relativ breit sein, um ihren Widerstand klein zu halten. Dies gilt besonders für die bekannten, großflächigen Dünnschichtphotoelemente die bei einer Fläche von 50 x 50 mm und mehr Photoströme von nahezu einem Ampe're beieiner Spannung von 0,5 Volt liefern können. Für Solaz-zellen-Batterien mit großer Ausgangsspannung werden mehrere der beschriebenen Solarelemente hintereinandergeschaltet; bevorzugt man einen großen Ausgangsstrom, so werden diese pärallel geschaltet. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,-ein Solarelement anzugeben, das eine große Ausgangsleistung bei großer Ausgangsspannung aufweist, dessen elektrischer Wirkungsgrad größer ist als der de- bisher bekannten Solarelemente und das auf einfache Weise hergestellt werdeikann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einer isolierenden Unterlage mehrere HalbleiterkÖrper mit flächenhaftem pn-Übergang angeordnet und dadurch hintereinandergeschaltet sind, daß jeweils die an die isolierende Unterlage angrenzende Zone eines Halbleiterkörpers mit der dem Licht ausgesetzten Zone des benachbarten HalbleiterkÖrpers elektrisch leitend verbunden ist. Bei einer derartigen Anordnung karni der lichtelektrische Wirkungsgrad durch Verminderung der Kontaktfläche zugunsten der wirksamen, nicht von den Metallkontakten abgedeckten Fläche erheblich verbessert werden. Die Verbindung zwischen den einzelnen HalbleiterkÖrpern auf der isolierenden Unterlage wird vorteilhafterweise durch aufgedampfte Leitbahnen hergestellt. Durch die Zahl der Halbleiterkörper, die sich auf der isolierenden Unterlage befinden und hintereinandergeschaltet sind, wird die Ausgangsspannung den Solarelementen bestimmt, während durch die Größe der vom Licht bestrahlten Fläche der einzelnen Halbleiterkörper die Stromstärke bestimmt wird. Entsprechend den jeweiligen Anforderungen können nun durch Zahl und Größe der Halbleiterkörper auf der isolierenden Unterlage die Kenndaten des Solarelementes variiert werden. Bei den erfindungsgemäßen Solarelementen besteht das Halbleitermaterial vorteilhafterweine aus aufgedampften, polykristallinen Substanzen, mit denen eine sogenannte Dünnschichtsolarzelle hergestellt wird. Die dazu geeigneten Materialien, wie beispielsweise Indiumphosphid oder Kadmiumsulfid, - haben einen wesentlich größeren Abeorptionskoeffizienten als beispielsweise Silizium, so daß der Abstand zwischen der bestrahlten Oberfläche des HalbleiterkÖrpers und dem pn-Übergang extrem klein gewählt werden kann. Da die genannten Halbleitermaterialien aufgedampft werden, ist die Herstellung und Kontaktierung des erfindungsgemäßen Solarelementes sehr einfach. Dazu werden beispielsweise auf die isolierende Unterlage teilweise an den Stellen, an denen anschließend das Halbleitermaterial aufzudampfen ist, Metallbeläge aufgebracht, die voneinander isoliert sind. Das Halbleitermaterial wird dann auf diese Metallbeläge so aufgedampft, daß ein Teil der Metallschichten von dem Halbleitermaterial unbedeckt bleibt. Auf diese unter der Halbleiterschicht hervorragenden Metallbeläge wird später eine weitere Metallschicht aufgedampft, durch die die einzelnen Halbleiterkörper hintereinandergeschaltet werden. Die Halbleiterkärper selbst können streifen-, würfel- oder ringförmig ausgebildet sein. Da bei der Hintereinanderschaltung der einzelnen Halbleiterkörper auf der isolierenden Unterlage nur ein Strom mit relativ kleiner Stromstärke erzeugt wird, können die stromführenden Leitbahnen schmal gehalten werden, so daß nur ein sehr kleiner Teil der vom Licht bestrahlten Oberfläche von Leitbahnen bedeckt und daher für die Stromerzeugung ungenutzt bleibt.
• Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Solarelemente ist es auch mÖglich, die Halbleiterkörper nicht an der bestrahlten Oberfläche, sondern an einer der Seitenflächen zu kontaktieren, so daß die gesamte, dem Licht ausgesetzte Oberfläche zur Stromerzeugung beiträgt und somit ein großer Wirkungsgrad den Solarelementen erzielt wird. Die Erfindung wird im weiteren noch anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Die Figuren 1 bis 4 zeigen in einer perspektivischen Ansieht verschiedene Fortigungsphasen des erfindungsgemäßen Solarelementes. Nach Figur 1 werden auf eine isolierende Unterlage 1 aus Glas, Kunststoff, Keramik odei einem anderen geeigneten Stoff Metallstreifen 2 aufgedampft. Diese Metallstrelfen bestehen beispielsweise aus einer Indium-Silberlegierung oder aus einem anderen, an den Ausdehnungskoeffizienten der Unterlage und des Halbleitermaterials angepassten, gut leitendem Material. Zur Aufdampfung der Hatallstreiten wird eine Metallmanke verwendet, die auf die Unterlage aufgelegt und dort mit Aussparungen versehen Ist, wo sich das Hetall auf der Oberfläche der isolierenden Unterlage niederschlagen soll. Selbstverständlich können bel diesem Fertigungssehritt und auch bei den nachfolgenden Aufdampfprozessen andere Masken, wie beispielsweise Photomasken, verwendet werden, doch erspart man sich durch die Verwendung der Metallmasken die zeitraubenden und teuren Ätz- und Maskierungspro-Wie in Figur 2 dargestellt i3t, wird anschließend die Halbleitersubstanz 3 gleichfalls streifenförmig auf die Unterlage aufgedampft. Die hierzu erforderliche Metallmaske wird so auf die bereits auf der Unterlage befindlichen Metallstrelfen einjustiert, daß ein Teil 4 des Metallbelages von dem Halbleitermaterial unbedeckt bleibt. Die Breite der Halbleiterstreifen richtet sich nach deren auf der Unterlage unterzubringenden Anzahl und nach der erwünschten Stromstärke, die das fertige Solarelement liefern soll. Das aufgedampfte Halbleitermaterial besteht vorteilhafterweise aus n-leitendem Indlumphosphid oder Kadmiumsulfid. Zur Herstellung einer p-leitenden Zone 5 (Figur 3) kann das Dotierungsmaterial der verdampften Halbleitersubstanz kurz vor dem Abbruch des Aufdampfvorganges zugesetzt werden, so daß sich auf dem n-leitenden Halblelterkörper 3 eine p-leitende, dünne Zone 5 bildet. Durch entsprechende Einjustierung der bei dem Aufdampfprozess verwendeten Maske kann dafür gesorgt werden, daß der pri-Übergang im Halbleiterkörper so abgewinkelt ist, daß die eine der beiden Seitenflächen 6 der streifenfÖrmigen Halbleiterkörper gleichfalls pdotiert ist. Dies erzielt man beispielsweise dadurch, daß bei der Herstellung der p-dotierten Zone die Öffnungen der dabei verwendeten Maske mit dem linken Rand der Halbleiterstreifen abschließen, während sie über dessen rechten Rand hinausragen. Aucli durch seitliche Aufdampfung des p-dotierten Materials kann diese Wirkung erzielt -werden. Die p-dotierte Zone 5 kann ailch dtirch Diffusion oder durch Legieren hergestellt werden. Als Dotierungsmaterial eignet sich beispielsweise Zink für Indiumphosphid oder Kupfer für Kadmiumsulfid, das in Form eines Metallbelages auf die Halbleiterkörper 3 aufgebracht werden kann. Durch anschließende Erhitzung werden die Zink-oder Kupferatome in das Gitter des Halbleitermaterials eingebaut und so ein dünner Bereich an der Oberfläche der Halbleiterstreifen umdotiert. Außer den genannten Dotierungsmaterialien können auch noch andere Metalle Verwendung finden. Trotz der erforderlichen hohen Temperaturen besteht nicht die Gefahr,-daß das Halbleitermaterial wieder verdampft, da dieses durch den Metallbelag den Dotierungsmaterials an der Oberfläche genügend abgedeckt ist. Nach der Herstellung des pn-Übergänges in den einzelnen Halbleiterstreifen, stellen diese einzelne Solarelemente dar, die durch Hintereinanderschaltung zu einem Gesamtelement verbunden werden. Dazu wird nun auf die bisherige Anordnung ein weiterer, strukturierter Metallbelag 7 (Figur 4) aufgedampft, durch den jweils die n-le'itende Zone 3 des einen Halbleiterstreifens mit der p-leitenden Zone 5 des benachbarten Halbleiterstreifens elektrisch leitend verbunden wird. Werden alle Halbleiterstreifen derart hintereinandergeschaltet und das so entstandene Element an den beiden Enden mit den Blektrodenanschlüssen 8 und 9 versehen, so steht ein Solarelemerit zur Verfügung, das mehrere Volt Ausgangsspannung aufweist und in der Lage ist, einige mA Strom an eine angeschlossene Last abzugeben. Wie in der Figur 4 dargestellt ist, endet die Leitbahn 7, durch die die einzelnen lialbleiterstreifen hintereinandergeschaltet i#erden, jeweils auf der vom einfallenden Licht lo bestrahlten Oberfläche der oberen, im Ausführungsbeispiel p-dotierten Zone 5. Der Oberflächenbereich, der von der Leitbahn'7 dabei bedeckt wird, ist weit schmäler als diesin-der Zeichnung dargestellt werden kann, so daß nahezu die gesamte vom Licht bestrahlte Oberfläche zur Stromerzeugung beiträgt. Da die p-leitende Zone 5 sich jedoch auch über die Seitenflächen 6 erstreckt, reicht es aus, wenn die Leitbahn 7 nur die Seitenflächen 6 kontaktiert, so daß dit gesamte, vom Licht bestrahlte Oberfläche zur Stromerzeugung beiträgt und so ein großer Wirkungsgrad erzielt wird.
• Die Halbleiterstreifen aus polykristallinem Material sind iu der Regel einige /um dick, wobei allerdings die vom Licht bestrahlte Zone weniger als ein/im dick ist, da der Absorptionskoeffizient der angeführten Halbleitermaterialien sehr groß ist. In dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4 ist ein Solarelement dargestellt, das sich aus parallel zueinander verlaufenden Halbleiterstreifen zusammensetzt. Diese einzelTien Halbleiterkörper können selbstverständlich auch in anderer Form und Anordnung auf der isolierenden Unterlage verteilt und hintereinandergeseaaltet sein. Es ist auch denkbar, daß nicht von polykristallinem und aufdampfbarem Halbleitermaterial, sondern von einer-Einkristallhalbleiterscheibe ausge-angen wird. Diese kann dann an der Unterseite mit Metallstreifen versehen und auf einer Unterlage bef estigt werden, dann werden Teile des Halblettermaterials durch Ätzen derart entfernt, daß eine Anordnung nach Figur entsteht, wobei schließlich di.e einzelnen Halbleiterstreifen in der im AusführungsbeispIel beschriebenen Weine miteinander zu einem Solarelement großer Ausgangsleistung verknÜpft worden*

Claims (2)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e ii) Solarelement, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer isolierenden Unterlage mehrere HalbleiterkÖrper mit flächenh afteia pn-Übergang angeordnet und dadurch hintereinandergeschaltet sind, daß Jeweils die an die isolierende Unterlage angrenzende Zone eines Halbleiterkörpers mit der dem Licht ausgesetzten Zone des benachbarten Halbleiterkörpers elektrisch leitend verbunden ist.
2. 2) Solarelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkörper streifenfürmig ausgebildet und auf der isolierenden Unterlage parallel zueinander angeordnet sind. 3) Solarelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwischen einem Teil der Halbleiterkärper und der isollei#enden Unterlage voneinander isolierte, elektrisch leitende Schichten angeordnet sind, durch die die eine Zone der Halbleiterkörper kontaktiert wird, und die mit den dem Licht ausgesetzten Zone benachbarter Halbleiterkörper über Leitbahnen elektrisch leitend verbunden sind. 4) Solarelement nach einem der vorangehenden AnsprÜche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Licht ausgesetzten Zonen der HalbleiterkÖrper nur in einem schmalen Oberflächenbereich mit den die Halbleiterkörper hintereinanderschaltenden Leitbahnen kontaktiert sind. 5) Solarelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Licht ausgesetzten Zonen der HalbleiterkÖrper in einem Bereich mit Leitbahnen kontaktiert sind, der dem einfallenden Licht nicht ausgesetzt ist. 6) Solarelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang in den einzelnen Halbleiterkörpern so abgewinkelt ist, daß die dem Licht ausgesetzten Zone an einer nicht vom Licht bestrahlten Seitenfläche den Halbleiterkörpers kontaktierbar ist. 7) Solarelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkörper aus polykrintallinem Indiumphosphid oder Kadmiumsultid bestehen. 8) golarelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, daduroh Zekmmzeichnet, daß die die Halbleiterkörper tragende.Unterlage aus Glang Kunststoff oder Keramik besteht. 9) Solarelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnetg daß das Kontaktierungsmaterial für die LEitbahnen aus einer Indium-Silberlegierung besteht* lo) Verfahren zum Herstellen eines Solarelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine elektrisch isolierende Unterlage Metallstreifen und teilweise auf diese Metallstreifen und auf die isolierende Unterlage Streifen aus Halbleitermaterial aufgedampft werden, wobei durch Zusetzung eines Dotierungsmaterials zur Aufdampfsubstanz ein pn-Übergang in den Halbleiterstreifen hergestellt wird, und daß anschließend auf den von dem Halbleitermaterial nicht bedeckten Teil der Metallstreifen, auf die isolierende Unterlage zwischen den einzelnen Halbleiterstroffen und auf-Teile dar dem Licht ausgesetzten Zone der Halbleiterstreiten derart ein weiterer Metallbelag aufgedampft wird, daß die einzelnen Halbleiterstreifen elektrisch hintereinandergeachaltet-sinde 11) Verfahren nach einem der vorangehenden Anaprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang in de11.9 Halbltiterkdrper eindiffundiert oder einlogiert wird. 12) Verfahren nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufdampfung der Metallbeläge und des Halbleiter-. materials auf die isolierende Unterlage Metallmasken verwendet werden.