DE1639152B2

DE1639152B2 - Sonnenzellenbatterie und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE1639152B2
Application number: DE19681639152
Authority: DE
Inventors: Fred Angus Ladewood Ohio Shirland (V St A )
Original assignee: Clevite Corp, Cleveland, Ohio (V St A)
Priority date: 1967-02-17
Filing date: 1968-01-12
Publication date: 1973-05-17
Also published as: DE1639152C3; FR1556497A; US3571915A; DE1639152A1; GB1206034A

Description

6. Sonnenzellenbatterie nach einem oder meh- tat zur Gewinnung räumlich unzureichender Ansatzreren der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet stellen für die negativen Elektrodenbelegungen entdurch einen Isolierstreifen (16) auf einem von fällt.

den Sperrschichten (14) ausgesparten Randbe- In Weiterbildung der Erfindung kann bei einer so reich (15) zwischen den unbeschichteten Kon- 4° hergestellten Sonnenzellenbatterie die Halbleitertaktstreifenenden der gegensinnigen Elektroden schicht je eine Elektrode überlappend auf der Trag-(12). platte niedergeschlagen sein.

7. Sonnenzellenbatterie nach einem oder meh- Ferner kann zum Schutz der Batterie eine zusamreren der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet menhängende isolierende durchscheinende Deckdurch die Anwendung von Gitterelektroden (24), 45 schicht über dem freien Oberflächenbereich aller welche die Belichtungsseite der zugehörigen Sperrschichten aufgebracht sein.

Schicht (22) überdecken (F i g. 1,6,7). Die Halbleiterschicht besteht zweckmäßig auf im

Vakuum aufgedampftem Kadmiumsulfid.

Die Sperrschicht enthält vorteilhaft Kupfersulfid.

50 Besonders günstig ist ein Isolierstreifen auf einem von den Sperrschichten ausgesparten Randbereich

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstel- zwischen den unbeschichteten Kontaktstreifenenden

len einer Sonnenzellenbatterie, deren Halbleiterkör- der gegensinnigen Elektroden. Dadurch können

per und Elektrodenbeläge auf eine gemeinsame iso- große Arbeitstoleranzen bei der Herstellung zugelas-

lierende Platte gedampft und die Elektrodenbeläge 55 sen werden, ohne die Gefahr von Kurzschlüssen,

entgegengesetzter Polarität zwischen benachbarten. : Für besonders hohe Strombelastung kann die Bat-

Zellen durch Kontaktstreifen miteinander verbunden tcrie in Weiterbildung der Erfindung Gitterelektro-

werden. den haben, welche die Belichtungsseite der zugehöri-

Aus der USA.-Patentschrift 3 151 379 ist ein der- gen Schicht überdecken.

artiges Verfahren bekannt. Dabei werden auf die 60 Die Erfindung möge an Hand der in den Figuren

Tragplatte nacheinander zwei Halbleiterschichten schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele wei-

mit entgegengesetzter Leitfähigkeit übereinander auf- ter erläutert werden. Es zeigt

gedampft, dann in einem dritten Arbeitsgang mit ent- F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Hochspansprechenden Masken die Isolierfugen zwischen den nungsbatterie, senkrecht auseinandergezogen,
vorgesehenen Einzelzellen ausgeätzt, in einem vierten 65 F i g. 2 in vergrößerter Teildraufsicht die erste Arbeitsgang die obere Halbleiterschicht jeder wer- Herstellungsstufe dazu, nämlich die Tragplatte mit denden Zelle teilweise entfernt, um den Ansatz für aufgedampften negativen Elektrodenbelegungen,
die untere Verbindungselektrode in Form eines Kon- F i g. 3 in entsprechender Darstellung die zweite

•fteif H;

3 γ 4

Herstellungsstufe, mit aufgedampfter? Halbleiter- einer Einzelzelle ist bestimmt durch die gewünschte schichten, Stromausbeute. . ,

Fig.4 in entsprechender Darstellung die dritte Die geschilderten Herstellungsstufen sind in aen

Herstellungsstufe, mit aufgedampften Sperrschichten Fig.2 bis5 zum ersten Ausführungsbeispiel einer und gemeinsamen Isolierstreifen, 5 Hochspannungsbatterie nach F i g. 1 dargestellt,

Fig.5 in entsprechender Darstellung die anschlie- Die Tragplatte 11 besteht aus isolierendem gegen

ßende Herstellungsstufe, mit aufgedampften pcsiti- hohe Temperaturen beständigem Plastikmatenai. ven Elektrodenbelegungen auf den Sperrschichten, Wenn das Licht im Sinne der Zeichnungen von unten

Fig.6 in der Darstellung entsprechend Fig. 1 ein auf die Zellen treffen soll, ist dieses Material durchanderes Ausfünrungsbeispiel, mit Gitterelektroden, io sichtig oder wenigstens durchscheinend. Ein hierfür für größere Stromausbeute, geeignetes Material ist das Polymid, welches unter

Fig. 7 eine Teildraufsicht zu Fig.6, in vergrößer- dem DuPont-Warenzeichen »Kapton« bekannt ist tem Maßstab, teilweise aufgebrochen. Die negativen Elektroden 12 können durch eine de-

Die erfindungsgemäße Batterie ist hauptsächlich, ren Schema entsprechende Maske auf die Tragplatte aber nicht ausschließlich, bestimmt zur Umwandlung 15 11 im Vakuum gedampft werden, der vom Sonnenlicht herrührenden Strahlungsenergie Alsdann werden in ähnlicher Weise die Cadmium-

in elektrische Energie. sulfidschichten 13 so aufgedampft, daß jede Schicht

Eine Solarzelle liefert eine Spannung nur vom die zugehörige Elektrode 12 teilweise überdeckt. Ais-Bruchteil eines Volts. In Hochspannungsbatterien für dann werden die Sperrschichten 14 je auf eine Cadeine Klemmenspannung von einigen hundert bis eini- 20 miumsulfidschicht 13 gebracht, jedoch unter Ausspagen tausend Volt müssen also viele hundert bis viele rung eines Randes 15, im Bereich der freien Kontausend tmzelzellen in Serie geschaltet sein, was taktstreifenenden der Elektroden 12. Die Sperrbisher recht umständlich und teuer war. und eine schichten 14 können als Kupfersulfidbrei aufgetragen einzige unterbrochene oder auch nur beschädigte werden. Der allen Zellen gemeinsame, vom Auttrag Verbindungsstelle macht die ganze Batterie un- 25 ausgesparte Streifen 15 dient später zur Trennung brauchbar. Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Ver- der positiven Sperrschicht von den negativen EIeK-größerung der Spannungsausbeute je Zelle p-n-Bin- trodenenden

düngen an körnigen Einschlüssen von schräg aufge- Wenn das Kupfersulfid als Brei aufgetragen

dampften CdTe-Filmen vorzusehen. Der Erfindungs- wurde, muß es anschließend aufgeheizt werden. geeenstand zeichnet sich aus durch gleichmäßige Re- 30 Ein Isolierstreifen 16 kommt dann auf den ausgeprnduzierbarkeit der elektrischen Werte aller Einzel- sparten Rand 15, um Kurzschlüsse zwischen Sperrzellen und zuverlässige, verhältnismäßig hoch belast- schicht und Halbleiterschicht und den dort ansetzenbare Kontaktbrücken. den Elektroden 12 zu verhindern. Der Isoherstreifen

Erfindungsgemäß werden Dünnschicht-Solarzellen 16 kann aus Plastik bestehen, etwa aus dem unter mit aufgedampftem Cadmiumsulfid zum Aufbau 35 dem Warenzeichen »Mylar« bekannten Polytereeincr Hochspannungsbatterie von verhältnismäßig phthalat oder aus Isolierlack oder aus flussig autgegroßer Stromausbeute verwendet. tragenem vernetzbarem Kunststoff, oder einer autsp-

Eine Vielzahl von kleinen Halbleiterschichten aus dampften Schicht, etwa aus Siliziumoxyd oder bilizi-Cadmiumsulfid, CdS, oder anderem geeigneten Ma- umdioxyd. ,

terial, wird im Vakuum über Masken auf eine isolie- 40 Alsdann werden die positiven Elektroden 17_autrende Tragplatte gedampft, auf die vorher ein Schalt- gebracht in ähnlicher Weise wie die negativen tleK-schcma aus negativen Elektrodenbelegungen ge- troden 12. Zum Schutz der Sperrschichten, un<l um dampft oder sonstwie gebracht wurde, so daß jede eine gleichmäßige Oberfläche zu erhalten, wird dann Cadmiumsulfidschicht eine Elektrodenbe'egur.g teil- zuletzt eine nicht dargestellte Isolierfolie als uecK-w eise überdeckt. Alsdann werden die Sperrschichten 45 schicht aufgebracht. Entweder diese oder die iragje auf die Oberfläche einer Cadmiumsulfid-Schicht platte ist durchsichtig oder durchscheinend, so oa_ü gebracht in Form eines Auftrages von Kupfersulfid- letztere entweder zur Rückwand oder Frontwand oer brühe (Cu₂S) oder durch gleichwirkende bekannte Batterie wird. ..

Mittel. Dabei darf die Sperrschicht nicht bis ganz an Um die Auswirkung von Kontakttorungen zu De-

die negativen Elektrodenanschlüsse reichen. Sie wird 50 grenzen, kann ein entsprechend ausgetunrter aau. fertiggestellt durch Aufheizen der Brühe. von negativen und positiven in Kontaktprellen aus-

Dann wird auf die Sperrschichten das Schalt- laufenden Elektroden 12 bzw. 17 auch an aen in schema der positiven Elektrodenbelegungen mit F i g. 2 bis 5 unteren Zellenrändern vorgesenen sein, Kontakt-Überlappungsbereichen zu den negativen parallel geschaltet zu den jeweils darüber yorgesene-Belegungen der jeweils benachbarten Zellen gebracht 55 nen Elektroden (nicht dargestellt). Die i_aamiumsui- und zuletzt das ganze mit einer dünnen biegsamen, fidschichten können eine Abmessung von je 1 a j zweckmäßig ebenfalls aufgedampften isoüerenden Millimetern haben, so daß viele tausend aur einem Deckschicht geschützt. Vor dem Aufbringen der Ge- Quadratmeter unterzubringen sind, -lit der eningenelektroden werden jedoch die Randbereiche der dengsgemäßen Gruppierung laßt aen dann emc Halbleiterschichten, dort wo die Elektroden in die 60 Tausend-Volt-Batterie zusammendrängen auf eme Kontaktstreifen übergehen, mit einem Isolierstreifen Fläche von etwa 30 X 90 Zentimetern, be1 einer abgedeckt. Entweder die Tragplatte auf der einen, Stromausbeute von etwa einem mA mbonneniicnt. oder der isolierende Schutzfilm auf der anderen Seite Für größere Strombelastbarkeit können de Cad-

der Zellen oder beide sind durchscheinend, so daß miumsulfidschichten tragplattenseitig ganz mit metadie Tragplatte im ersten Fall zur Vorderwand, im 65 lischen Elektroden belegti sein .Nach F ig.^l istdaiur zweiten Fall zur Rückwand der Batterie wird. je ein auf die Tragplatte 11 ge dampfte Me tall um

Die Anzahl der Zellen ergibt sich aus der ge- vorgesehen, worauf je eine Cadmiumsulfidschicht wünschten Batterie-Klemmenspannung, die Fläche und auf dieser eine Sperrschicht Zi sitzt.

Die oberen positiven Elektroden 24 sind wegen Wegen des physikalischen Wirkungsmechanismus

der erforderlichen Lichtdurchlässigkeit gitterförmig, solcher Solarzellen wird vorläufig und hilfsweise Be- und bei 25 ist die isolierende Deckschicht dargestellt. zug genommen auf die Offenbarung der USA.-Pa-

An der in der Zeichnung ganz linken Zelle ist die tentschrift 2 820 841: Die Sperrschicht geht eine Gitterelektrode 24 mit einer herausgeführten positi- 5 p-n-Verbindung mit der Halbleiterschicht ein, wobei ven Anschlußleitung 26 versehen. Jede der unteren sich Paarungen aus Elektronen und Elektronen-Fehlaufgedampften negativen Elektroden 21 ist nach stellen in der Cadmiumsulfidschicht bilden durch rechts außerhalb der zugehörigen Halbleiterschicht die absorbierte Photonenenergie. Dabei entsteht der 22 in einen Kontaktstreifen verlängert, auf den ein Spannungsunterschied. Negative Ladungsträger difentsprechender Kontaktstreifen 27 der positiven git- io fundieren durch die Grenzfläche, und der zugehörige terförmigen Elektrode 24 von der jeweils benachbar- Spannungsunterschied läßt einen elektrischen Strom ten Zelle heruntergebogen ist. Der Kontaktstreifen in einem äußeren Stromkreis schließen, wenn die 28 an der in der Zeichnung ganz rechten negativen Zelle durch Sonnenlicht oder eine andere Strahlungs-Flächenelektrode 21 dient als negativer Leitungsan- quelle beaufschlagt wird.

Schluß der ganzen Batterie. Dadurch wird für eine 15 Obgleich gegenwärtig die Anwendung von Cadmigroßfiächige Solarzellenbattcrie die Anzahl der her- umsulfid für die Halbleiterschicht sich als besonders auszuführenden Verbindungsleitungen sehr vermin- günstig herausgestellt hat, ist die Erfindung darauf dert, bei gleichzeitiger Verkleinerung des Herstel- nicht beschränkt, sondern könnte auch mit anderen lungsaufwands und größerer Zuverlässigkeit der nach Halbleiterschichten ausgeführt werden, wie Cadmiinnen verlegten Serienkontakte und bei größerer ao umtedorid, Galliumarsenid, Galliumphosphid und Widerstandsfähigkeit der Batterie. Cadmiumselenid.

In F i g. 1 sind die Schichten der besseren An- Die Elektrodenbelegung kann mit jeder gegenüber

schaulichkeit wegen vertikal auseinandcrgezogen dem angewendeten Halbleitermaterial verträglichen dargestellt, während im Ausführungsbeispiel nach Metallisierung ausgeführt sein. Beispielsweise werden F i g. 6 deren tatsächlicher Zusammenhang wiederge- 25 Silber, Kupfer, Molybden oder Zink angewendet. Ein geben ist. Sachlich unterscheidet sich dieses vom Silberüberzug wird vorzugsweise zinkplattiert, um die Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 dadurch, daß die Verträglichkeit der Elektrodenoberfläche mit dem randseitigen Kontaktstreifen 29 der unteren negati- Cadmiumsulfid zu verbessern,
ven Elketroden 21 gegen die entsprechenden Kon- Die Sperrschicht kann durch einen geeigneten che-

taktstreifen 31 von kräftigeren positiven Elektroden 30 mischen Prozeß erzeugt werden, beispielsweise durch 24 gebogen sind. Auftragen von Kupferchlorid (CuCl) in Ionenform,

Die vergrößerte aufgebrochene Draufsicht einer was auf der Cadmiumsulfidschicht einen Kupfersul-Zelle in F i g. 7 zum Ausfuhrungsbeispiel nach fidfilm ergibt.

Fig.6 läßt die Plastik-Deckschicht 25 erkennen, Als Elektrodenmaterial an der Halbleiterschicht

darunter die positive Gitterelektrode 24, unter dieser 35 könnte auch Zinnoxyd verwendet werden,
die Sperrschicht 23 und darunter die Halbleiter- Durch das Ausheizen des aufgeschlemmten Kup-

schicht 22 aus Cadmiumsulfid, unter welcher seitlich fersulfids wird dessen erwähnte Reaktion mit der die Fortsetzung der negativen Flächenelektrode 21 Cadmiumsulfid-Halbleiterschicht beschleunigt. Jeals Kontaktstreifen 29 vorsteht. Unter der durchsich- doch könnte die Sperrschicht auch aufgedampft sein, tigen Plastikfolie 25 ist links der flächenhafte Gegen- 40 Ein Ausführungsbeispiel für dieses Verfahren ist in kontaktstreifen 31 als Fortsetzung der positiven Git- der USA.-Patentschrift 3 146 138 beschrieben, worterelektrode 24 erkennbar. auf vorläufig und hilfsweise Bezug genommen wird.

Für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 bis 5 hat Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit der ratio-

sich eine Polymid-Tragplatte als vorteilhaft erwiesen, nellen Massenfertigung des Erfindungsgegenstandes, mit zinkplattierten Silberelektroden darauf. Die 45 weil jeder Verfahrensschritt durch Aufdampfen im Plattierung kann elektrolytisch oder durch Aufsprü- Vakuum geschehen kann. Alle Batterieteile außer hen oder Aufdampfen im Vakuum oder als Feuer- der Tragplatte können dadurch erzeugt werden, und plattierung ausgeführt sein. Darauf wird die zwar kontinuierlich in der gleichen Vakuumkammer Cadinmsulfid-Schicht gedampft, über diese die auf einer einzigen Tragplatte. Dabei werden von Sperrschicht aufgetragen. Die positiven Elektroden 50 außen gesteuerte unterschiedliche Masken und sind aus goldplattiertem Kupfergitter. Die Plastik- Dampfquellen nacheinander zur Wirkung gebracht. Deckschicht darüber kann ein Polymid- oder Sogar die abschließende Deckschicht 25 kann mit ge-Poryterephthalat-Film sein; letzterer ist wegen seiner eignetem Material, wie Kieselerde oder Siliziumdigrößeren Lichtdurchlässigkeit vorteilhaft oxyd, aufgedampft werden. ·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

taktstreifens zur NachbarzeUe zu gewinnen. Dies sind besonders aufwendige Verfahrensschritte, dis eine

1. Verfahren zum Herstellen einer Sonnenzel- Störanfälligkeit der werdenden Batterie bewirken, lenbatterie, deren Halbleiterkörper und Elektro- Diese Kontaktstreifen, in der Ebene zwischen deu denbeläge auf eine gemeinsame isolierende Platte 5 Halbleiterscbichten sitzend, müssen entsprechend der gedampft und die Elektrodenbeläge entgegenge- vorgesehenen Strombelastung einen Mmdestflächensetzter Polarität zwischen benachbarten Zellen anteil der Einzelzelle einnehmen, zu Lasten der verdurch Kontaktstreifen miteinander verbunden fügbaren Stromausbeute. Durch die zweite Halbwerden, dadurch gekennzeichnet, daß lederschicht wird das Batterievolumen nochmals verauf die Tragplatte (11) zuerst in Abstand verein- xo größert, bezogen auf die Leistungsausbeute und Sonander die negativen metallischen Elektrodenbe- neneinstrahlung je Flächeneinheit.

läge (21) und darüber diese überlappend je eine Diese Mangel zu vermeiden ist Aufgabe der Erfin-

Halbleiterschicht (22) gedampft werden, die mit dung, welche bei einem Verfahren der eingangs er-

einer Sperrschicht (23) und hierauf mit einer Ge- wähnten Gattung dadurch gekennzeichnet ist, daß

genelektrode (24) versehen wird, welche mit der 15 auf die Tragplatte zuerst in Abstand voneinander die

auf der Tragplatte sitzenden Elektrode (21) negativen metallischen Elektrodenbeläge und dar-

durch sich überlappende Kontaktstreifen (27, 29, über diese überlappend je eine Halbleiterschicht ge-

31) verbunden wird. dampft werden, die mit einer Sperrschicht und hier-

2. Nach Anspruch 1 hergestellte Sonnenzellen- auf mit einer Gegenelektrode versehen wird, welche batterie, dadurch gekennzeichnet, daß je eine 20 mit der auf der Tragplatte sitzenden Elektrode durch Elektrode überlappend die Halbleiterschicht (22) sich überlappende Kontaktstreifen verbunden wird,
auf der Tragplatte (28) niedergeschlagen ist Der Kunstgriff besteht also darin, daß auf die

3. Sonnenzellenbatterie nach Anspruch 2, ge- Tragplatte zunächst die negativen metallischen Elekkennzeichnet durch eine zusammenhängende iso- trodenbeläge gedampft werden, so daß diese mit erlierende durchscheinende Deckschicht (25) über 25 wünscht großer Flächendeckung unter die anschlieden freien Oberflächenbereich aller Sperrschich- ßend mit Hilfe einer Maske aufgedampfte einzige ten (23). Halbleiterschicht und Sperrschicht je Zelle zu liegen

4. Sonnenzellenbatterie nach Anspruch 2 kommen. Es brauchen jetzt nur noch die Gegenelekcder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halb- troden aufgebracht und die Elektroden mit den Geleiterschichten (22) aus im Vakuum aufge- 30 genelektroden benachbarter Zellen über die ihnen dampftem Kadmiumsulfid bestehen. anwachsenden Kontaktstreifen verbunden zu werden,

5. Sonnenzellenbatterie nach einem oder meh- um eine funktionsfähige Hochleistungs-Solarbatterie reren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn- zu erhalten. Das aufwendige störanfällige Aufdampzeichnet, daß die Sperrschicht (23 bzw. 14) Kup- fen und anschließende teilweise Ausätzen einer zufersulfid enthält 35 sätzlichen Halbleiterschicht entgegengesetzter Polari-