DE2712038A1

DE2712038A1 - Fotoelektrischer halbleiter- stromgenerator

Info

Publication number: DE2712038A1
Application number: DE2712038A
Authority: DE
Inventors: Anatolij Alekseevi Dormidontov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1978-09-21

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie, insbesondere auf fotoelektrische Halbleiter-Ctromgeneratoren, die beim Bau von Solarbatterien für Raumfahrzeuge und für terrestrische Sonnenenergieanlagen verwendet werden.

Ein bekannter fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator (vgl. US-PS 3 653 971) ist als Pestkörpermatrix aufgebaut, die aus fotoelektrischen Wandlern mit einem pn-übergang besteht. Jeder fotoelektrische Wandler ist als Parallelepiped mit einem durch Dotierung erzeugten pn-übergang ausgebildet, der die Funktion einer Sperrschicht mit Gleichrichtereigenschaften erfüllt und die Ladungsträger nach ihrem Ladungsvorzeichen trennt. Der pn-übergang trennt das Basisgebiet mit einem Leitungstyp vom Inversionsbereich mit einem anderen Leitungstyp. Im Basisgebiet ist auch ein Isotyp-Übergang ausgeführt, der p-p⁺-Struktur bei p-leitendem Basisgebiet und n-n⁺-Struktur bei η-leitendem Basisgebiet aufweist.

Die metallischen Stromabnahmekontakte sind an das Basisgebiet und das Inversiönsgebiet angeschlossen, wobei das letztere in diesem Falle durch Dotierung gebildet wird, d.h. eine legierte Schicht darstellt. Die Dicke des Basisgebiets ist mit der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet kommensurabel. Dadurch wird eine möglichst volle Ansammlung der Ladungs- -träger am pn-übergang erreicht. Die Dicke des Inversionsgebiets ist um das Hundertfache kleiner als die des Basisgebiets.

Solche fotoelektrischen Wandler, die man zu einer Festkörpermatrix durch Verbindung der an das Basis- und das Inversionsgebiet angeschlossenen metallischen Stromabnahmekontakte vereinigt, werden auch als Mikrominiaturstruktur ausgeführt. Die Stromabnahmekontakte werden auch an allen Seitenflächen der Mikroparallelepipede

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angeordnet, wenn das Basisgebiet tief im Inneren des fotoelektrischen Wandlers liegt, während die Inversionsgebiete an vier Seitenflächen dieses Mikroparallelepipeds heraustreten. Diese Seitenflächen liegen unter einem Winkel zur Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators, auf welche die Strahlung fällt.

Die Ebenen der pn-übergänge liegen auf einer Parallelepipedflache oder auf zwei, drei, vier oder fünf Parallelepipedf lachen, und die Grundfläche jedes Mikroparallelepipeds entspricht ungefähr der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet. Solche fotoelektrischen Halbleiter-Stromgeneratoren weisen einen vernachlässigbar kleinen Widerstand der Stromabnahmekontakte (von mehreren Tausendstel Ohm) infolge der Verringerung des Ausbreitungswiderstandes des Inversionsgebietes auf.

Es wurde auch ein fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator vorgeschlagen (vgl. USA-Patentanmeldung Nr. 519 697 vom 31.10.1974 nach der sowjetischen Anmeldung Nr. 1492289), der aus miteinander elektrisch verbundenen fotoelektrischen Wandlern mit pn-Übergängen und Isotypübergängen im Basisgebiet besteht. Die Isotypübergänge befinden sich unmittelbar in der Nähe der Arbeitsfläche dieses fotoelektrischen Stromgenerator, während die pn-Übergänge von der Arbeitsfläche in einem Abstand liegen, der nicht größer als die Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet ist. In einem solchen fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator wird eine Wirkungsgraderhöhung durch Herabsetzung der Leistungsverluste infolge des Ausbreitungswiderstandes des Basisgebiets und des Widerstandes der Stromabnahmekontakte erreicht. Eine Verringerung des Ausbreitungswiderstandes im Basisgebiet und des Widerstandes der Stromabnahmekontakte gelingt aber nur in dem Falle, wenn wenigstens zwei lineare Maße des fotoelektrischen Mikrominiaturwandlers mit der Diffus ionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet kommensurabel sind.

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Ein anderer bekannter fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator (vgl. US-PS 2 222 788) weist auf der Arbeitsfläche einen aus transparentem Werkstoff, z. Be. Methylmethacrylat bestehenden hermetischen Überzug auf, der die fotoelektrischen Wandler vor schädlichen Umwelteinflüssen schützt sowie eine optische Linse bildet, welche die diese Linse durchdringende Strahlung fokussiert. Dies führt zur Steigerung der Ausgangsleistung des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators.

Der gemeinsame Mangel aller vorstehend beschriebenen bekannten fotoelektrischen Halbleiter-Stromgeneraotren lieg in ihrem niedrigen Wirkungsgrad (1 bis 3 £), der durch die Rekombination der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet an den Seitenflächen der fotoelektrischen Wandler und an der durch die Stromabnahmekontakte besetzten Arbeitsfläche sowie durch niedrige Strahlungsdichte bedingt ist.

Der maximale Wirkungsgrad der bekannten fotoelektrischen Halbleiter-Stromgeneratoren wird erreicht, wenn die Breite des Basisgebiets mit der Diffusionslänge L der Minoritätsträger im Basisgebiet kommensurabel ist. Da die Anzahl der Elektron-Loch-Paare, die bei Einwirkung ,der parallel zur pn-Obergangsebene einfallenden Strahlung entstehen, für jeden Punkt der Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators gleich ist, so erweist es sich, daß bei einer optimalen Basisbreite, die mit der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet kommensurabel ist, etwa 50 ?S der vom Licht erzeugten Elektron-Loch-Paare von dem pn-übergang getrennt werden und zur Komponente des Kutzstromes werden, während die anderen 50 # am Stromabnahmekontakt im Basisgebiet rekombinieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator mit einem Überzug zu entwickeln, der eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Strahlungsumwandlung durch Konzentration der Strahlung im Gebiet der aktiven Ladungsträgersammlung, d.h. in der Nähe der gleichrichtenden Schicht ermög-

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licht und zu einer Steigerung der StromgeneratorIeistung führt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator, der wenigstens einen fotoelektrisehen Wandler mit mindestens einer gleichrichtenden Schicht enthält, welche das Basisgebiet mit einem-durch Majoritätsladungsträger dieses Gebietes bedingten Leitungstyp von wenigstens einem Inversionsgebiet mit einem durch Minoritätsladungsträger des Basisgebiets bedingten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp trennt, und der wenigstens zwei Stromabnahmekontakte ^aufweist, von denen ein Kontakt an das Basisgebiet und der andere an das Inversionsgebiet angeschlossen sind, und der außerdem einen überzug besitzt, der die Strahlung unmittelbar empfängt und wenigstens auf einer Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators liegt, auf welche die den Überzug durchdringende Strahlung fällt, - dieser Überzug erfindungsgemäß wenigstens ein optisches Fokus-•j sierelement darstellt, das die Strahlungsenergie fokussiert und einen Teil des Strahlungsspektrums auf die mindestens für den bef treffenden fotoelektrischen Wandler fotoaktive Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators richtet, wobei sich \ die Absorptionszone der im Pokalfleck fokussierten Strahlung im \ Basisgebiet des fotoelektrischen Wandlers befindet und von der gleichrichtenden Schicht in einem Abstand liegt, der kleiner als die Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet ist.

Im fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator mit wenigstens einem fotoelektrischen Wandler, bei deinmindestens zwei lineare Maße mit der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet kommensurabel sind, ist wenigstens eine in der Parallelrichtung zur Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators gemessene lineare Abmessung jedes optischen Pokussierelements bevorzugt mit der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet auch kommensurabel zu wählen.

Im fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator, bei dem wenigstens eine gleichrichtende Schicht jedes fotoelektrischen Wandlers in

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der zur Arbeitsfläche senkrechten Ebene liegt, werden die optischen Pokussierelemente vorzugsweise als zylindrische Stäbe ausgeführt, die zu der auf der Arbeitsfläche senkrecht stehenden Ebene der gleichrichtenden Schicht parallel liegen.

Im fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator mit wenigstens einem fotoelektrischen Wandler, bei dem wenigstens eine gleichrichtende Schicht in der auf dar Arbeitsfläche des fotoelektrischen. Halbleiter-Stromgenerators senkrecht stehenden Ebene vorgesehen ist, kann der Überzug vorzugsweise als optisches Pokussierelement ausgeführt werden, das eine Sphäre darstellt.

Im fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator mit wenigstens zwei fotoelektrischen Wandlern, dessen gleichrichtende Schicht in einer zur Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator senkrechten Ebene liegt, können die optischen Pokussierelemente als Sphären ausgebildet werden, die in einer Schicht liegen, wobei jedem fotoelektrischen Wandler eine Sphäre zugeordnet ist und alle Sphären miteinander in ihren Berührungspunkten fest verbunden sind.

Im fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator können die optischen Pokussierelemente als parabolische Spiegelzellen ausgeführt werden, die ein Spiegelsystem darstellen, dessen Spiegelfläche durch Rotation eines Parabelabschnitts um eine Rotationsachse gebildet wird, deren Richtung mit der zur Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators senkrechten optischen Achse der parabolischen Spiegelzelle zusammenfällt, wobei jedem fotoelektrischen Wandler eine einzelne parabolische Spiegelzelle zugeordnet ist.

Im fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator mit fotoelektrischen Wandlern, bei denen die Ebene der gleichrichtenden Schicht senkrecht auf der Arbeitsfläche steht, können die optischen Pokussierelemente als parabolische Keile ausgeführt werden, die ein reflektierendes System darstellen, bei dem ein Teil der Spiegelfläche durch fortschreitende Verschiebung eines Parabelabschnitts

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längs einer Leitlinie erzeugt wird, die parallel zur Ebene der gleichrichtenden Schicht liegt, und der andere Teil der in Bezug auf die optische Keilebene symmetrische Spiegelabbildung des ersten Teile darstellt, wobei die optische Ebene des parabolischen Keils senkrecht auf der Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators stehen soll.

Im fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator mit wenigstens einem fotoelektrischen Wandler, bei dem die Breite des Basisgebiets mit der mittleren Absorptionstiefe der Strahlungsquante kommensurabel ist und die Ebene der gleichrichtenden Schicht parallel zur Arbeitsfläche liegt, besteht der Überzug bequem aus einer n-Zahl optischer Fokussierelemente, bei denen wenigstens ein lineares Maß des Fokalflecks mit der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet kommensurabel ist und der an dieses Gebiet angeschlossene Stromabnahmekontakt aus Streifen besteht, die mit der Arbeitsfläche an den durch Fokalflecke nicht besetzten Stellen verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Ausführung des fotoelektrischen HaLbleiter-Stromgenerators ergibt eine Steigerung des Wirkungsgrades und eine Erhöhung der Empfindlichkeit dieses fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators.

Diese und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und aus den beiliegenden Zeichnungen. Hierbei sind

Figur 1 eine Ansicht des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenera-to >3 gemäß der Erfidnung;

Figur 2 die Ansicht einer anderen Ausführungsvariante des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators gemäß der Erfindung;

Figur 3 eine weitere Ausführungsvariante des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators;

Figur 4 die Draufsicht noch einer Ausführungsvariante des foto-

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elektrischen Halbleiter-Stromgenerators gemäß der Erfindung;

Figur 5 den Querschnitt V-V der Figur 4*»

Figur 6 die Draufsicht einer Ausführungavariante des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators gemäß der Erfindung;

Figur 7 den Schnitt VII-VII der Figur 6;

Figur 8 eine weitere Ausführungsvariante des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators gemäß der Erfindung;

Figur 9 die Ansicht einer möglichen Ausführungsvariante des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators gemäß der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator, der aus fotoelektrischen Wandlern 1 mit einem Überzug 2 besteht.

Xuf der Arbeitsfläche 3 des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators, welche die den Überzug 2 durchdringende Strahlung 4 -empfängt, liegt eine transparente Klebemittelschicht 5, z.B. Kautschukschicht, die auf die Arbeitsfläche 3 an Berührungsstellen des Überzugs 2 und der fotoelektrischen Wandler 1 aufgetragen ist und diese miteinander verbindet.

Die fo-toelektrischen Wandler 1 sind aus einem halbleitermaterial, z.B. Silicium, ausgeführt und zu einer Feetkörpermatrix vereinigt. Jeder fotoelektrische Wandler 1 weist ein Basisgebiet 6 mit p-Leitfähigkeit auf, die durch ^ajoritätsträger dieses Basisgebiets 6, also "Löcher", bedingt ist. Im Ba3isgebiet 6 ist durch Dotierung mit Phosphor ein Inversionsgebiet 7 mit η-Leitfähigkeit gebildet, die von den Majoritätsträgern dieses Inversionsgebiets 7, den Elektronen, verursacht wird. Dieselben Ladungsträger,also die Elektronen, erscheinen im Basisgebiet 6 als Minoritätsladungsträger.

Die Grenze zwischen dem Inversionsgebiet 7 und demBasisgebiet 6 stelle einen pn-^übergang 8 dar. An der den pn-Übergängen 8 gegentiberliegenden Seite ist im Basisgebiet 6 durch Dotierung mit Bor i ein Isotypübergang mit p-p⁺-Struktur gebildet, der zur Verminderung;

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des Obergangswiderstandes zwischen dem an das Basisgebiet angeschlossenen Stromabnahmekontakt 10 und dem Basisgebiet 6 selbst sowie zur Reflexion von Elektronen in Richtung des pn-Uberganges 8 dient.

Der an das Inversionsgebiet 7 angeschlossene Stromabnahmekontakt 11 ist über die ganze Fläche ungeteilt ausgeführt und wird bei der Vereinigung der fotoelektrischen Wandler 1 zu einer Matrix mit dem an das Basisgebiet 6 angeschlossenen Stromabnahmekontakt 10 verbunden. Deswegen kann der Ausbreitungswiderstand im Inversionsgebiet 7 vernachlässigt werden.

Der überzug 2 besteht aus optischen Pokussierelementen 12, die auf der Arbeitsfläche 3 des fotoelektrischen Kalbleiter-Stromgenerators eine Schicht bilden. Beim Durchgang der Strahlung 4 durch ein beliebiges optisches Pokussierelement 12, fokussiert dieses die Strahlung 4 im Fokalfleck 13· Die in diesem Pokalfleck 13 fokkusierte Strahlung 4 wird in einer Absorptionszone 14 absorbiert, die im Basisgebiet 6 liegt. Dabei sind die optischen Fokussierelernente 12 so bemessen und auf der Arbeitsfläche 2 angeordnet, daß die Entfernung der Absorptionszone 14 vom pn-Übergang 8 kleiner als die Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet 6 ist.Die Verbindung der optischen Fokussierelemente 12 auf der ganzen Arbeitsfläche 3 des fotoelektrischen flalbleiter-Stromgenerators erfolgt mit Hilfe der transparenten Klebemittelschicht 5.

Als Ausgangs-Halbleitermaterial für das Baaiegebiet 6 des fotoelektrischen Wandlers 1 wird ein Werkstoff mit einer großen Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet 6 .gewählt, die für Silizium ungefähr 100 pm beträgt. Zur vollständigen Sammlung der fotoangeregten Minoritätsträger am pnübergang 8 ist die Dicke des Basisgebiets 6 nicht größer als die Diffusionslänge L der Minoritätsträger im Basisgebiet 6 bemessen und entspricht praktisch der Dicke des fotoelektrischen Wandlers

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Der vorgeschlagene fotoelektrische Halbleiter-Stromgenerator funktioniert wie folgt.

Die Empfangsfläche 15 des Überzuges 2 wird von der Strahlung 4 beeinflußt, die durch parallele Geraden angedeutet ist, Der überzug 2 besteht aus optischen Fokussierelementen 12, welche die Strahlung 4 in den Pokalflecken 13 konzentrieren und so angeordnet sind, daß jeder Funkt der Absorptionszone 14» in der die Absorption der im Pokalfleck 13 fokussierten Strahlung 4 erfolt, in einem Abstand von entsprechenden pn-übergängen 8 derselben Wandler 1 liegt, der kleiner als die Diffusionslänge L der Minoritätsträger im Basisgebiet 6 der fotoelektrischen Wandler 1 ist.

Ein höherer Wirkungsgrad dieses fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators gegenüber den bekannten fotoelektrischen Halbleiter-Stromgeneratoren wird dadurch erreicht, daß der Abstand des pnüberganges θ vom Bereich der Erzeugung der Minoritatsladungsträger, d.h. von der Strahlungsabsorptionszone 14 kleiner aid die Diffusionslänge L dieser Ladungsträger ist und alle fotoangefegten Ladungsträger den pn-übergang 8 erreichen. Deswegen erhöht sich die Spannung, die von den Stromabnahmekontakten 10' und 11* abgenommen wird. Die letzteren sind mit den Stromabnahmekontakten 10 und 11 verbunden, die an denAußenseiten der fotoelektrischen Wandler 1 angeordnet sind.

Da der fotoaktive Teil der Strahlung 4 im Basisgebiet 6 unmittelbar in der Nähe des pn-Überganges 8 absorbiert wird, verringern sich für die Minoritätsträger die Verluste infolge der Volumen- und Oberflächenrekombination, steigt der Kollektorwirkungsgrad des pn-Überganges 8 in Bezug auf die Minoritätsladungsträger an und vergrößert sich der Wirkungsgrad des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators.

In Figur 2 ist ein fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator dargestellt, bei dem der zur Konzentration der Strahlung 4 bestimmte Überzug 2 aus zylindrischen Glasstäben ausgeführt ist,

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deren Grundflächendurchmesser mit der Breite d des Basisgebiets 6 kommensurabel ist. Die zylindrischen Stäbe liegen parallel zu den Ebenen der pn-Übergänge 8 bei den fotoelektrischen Wandlern Der Überzug wird auf die Arbeitsfläche 3 des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators mit Hilfe einer optisch transparenten Klebemittelschicht 5» z.B. einer Kautschukschicht aufgeklebt.

Der Wirkungsgrad dieses fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators, dessen Überzug aus zylindrischen Stäben besteht, entspricht ungefähr dem Wirkungsgrad der vorstehend beschriebenen Ausführung.

Figur 3 zeigt einen fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator, der einen fotoelektrischen Wandler 1 mit pn-übergang 8, Isotypübergang 9 sowie ein optisches Fokussierelement 12 zur Fokussierung der Strahlung 4 enthält, wobei das letztere als Kugel (Sphäre) ausgebildet ist. Diese Ausführung des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators ermöglicht die Bildung der pn-Übergänge 8 des fotoelektrischen Wandlers 1 an seinen vier Seitenfläche, wobei die vom fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator gelieferte Spannungsdichte bedeutend erhöht wird und sein Wirkungsgrad steigt.

Die in Figur 3 dargestellte Ausfuhrungsvariante des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators gibt die Möglichkeit, die Empfangsfläche 15 durch Vergrößerung der Kugelabmessungen bedeutend zu erweitern, dadurch die Konzentration der Strahlung 4 zu erhöhen und die Kosten einer Leistungseinheit des fotoslektrischen Halbleiter-Stromgenerators zu senken.

Fig. 4 und 5 zeigen einen fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator (Draufsicht bzw. Seitenansicht im Schnitt V-V), bei dem der Überzug 2 aus optischen Fokussierelementen 12 in Form von Kugeln besteht, die auf der Arbeitsfläche 3 angeordnet sind und eine Schicht bilden. Die fotoelektrischen Wandler 1 sind mit Hilfe der Stromabnahmekontakte 10 und 11 sowie einer dielektrischen Klebemittelschicht 5'» z.B. einer Epoxydkompoundschicht, zu einer Matrix zusammengefaßt.

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Die fotoelektrischen Wandler 1 bilden einen elektrischen Serienkreis, der die abgenommene Nutzleistung des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators erhöht. An den Berührungsstellen sind die Kugeln miteinander verbunden, um die mechanische Festigkeit des Überzugs zu sichern.

6 und 7 zeigen in Draufsicht bzw. Seitenansicht eine weitere Ausführungsvariante des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators, dessenüberzug 2 aus optischen Fokussierelementen 12 besteht, wobei jedes optische Fokussierelement 12 als parabolische Spiegelzelle ausgebildet ist. Die parabolische Spiegelzelle stellt ein reflektirendßs Spiegelsystem dar, dessen Reflexionsfläche 16 durch Rotation eines Parabelabschnitt3 um eine in bestimmter Richtung orientierte Rotationsachse χ gebildet wird, die unter einem Winkel« zur optischen Achse y der Parabel liegt. Die optische Achse y der Parabel fällt mit einer geraden Linie zusammen, die den Rand der Eingangsöffnung S der Spiegelzelle mit dem Rand der Ausgangsöffnung s verbindet.

Die Reflexionsfläche 16 der parabolischen Spiegelzelle wird durch | eine dünne Metallschicht, z.B. Aluminiumschicht gebildet,die auf Γ die Glasgrundfläche aufgestäubt ist. Die optische Achse der para- | bolischen Spiegelzelle steht senkrecht auf der Arbeitsfläche 3. | Die parabolische Spiegelzelle ist auf der Arbeitsfläche 3 mittels einer transparenten Klebemittelschicht 5 befestigt. Der Fokalfleck 13 der parabolischen Spiegelzelle liegt im Basisgebiet 6 des fotoelektrischen Wandlers 1, und die Reflexionsfläche 16 der parabolischen Spiegelzelle ist der Strahlung 4 zugewandt.

Die Besonderheit der parabolischen Spiegelzelle besteht in ihrer Fähigkeit, die auf ihre Reflexionsfläche innerhalb des parametrischen Winkels oc einfallende Strahlung 4 im Fokalfleck 13 zu konzentrieren. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, auf die Verfolgung der Strahlungsquelle, z.B. der Sonne während einer langen Zeit zu verzichten.

Jede parabolische Spiegelzelle ist einem fotoelektrischen Wandler

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zugeordnet. Infolgedessen können die pn-Übergänge 8 an vier Seitenflächen des fotoelektrischen Wandlers 1 angeordnet werden, wobei der Wirkungsgrad des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators erhöht wird.

Beim fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator nach Figur 8 sind die optischen Fokussierelemente 12 als parabolische optische Keile ausgebildet.

Ein Teil der Reflexionsfläche 16 des parabolischen Keils wird durch fortschreitende Verschiebung eines Parabelabschnitts längs einer Leitlinie-gebildet, die parallel zur Ebene des pn-Übergangs 8 und zur optischen Ebene ρ des parabolischen Keils liegt. Der andere Teil der Reflexionsfläche 16 des optischen Keils stellt eine Spiegelabbildung des ersten Teils dar,der auf die beschriebene Weise erzeugt wurde.

Die Reflexionsfläche 16 des parabolischen Keils stellt eine dünne Metallschicht dar, die auf ein Glassubstrat aufgetragen ist. Das letztere wird auf der Arbeitsfläche 3mit Hilfe einer Klebemittelschicht 5 befestigt. Die Benutzung des parabolischen Keils ebenso wie der parabolischen Spiegelzelle ist deswegen vorteilhaft, weil dabei eine Ausrichtung der optischen Fokussierelemente 12 auf die Strahlungsquelle in denGrenzen des parametrischen Winkels OC nicht nötig ist. /

Bei dieser Ausführungsvariante des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators ist der Wirkungsgrad ungefähr gleich dem beim fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator nach Fig. 6 und 7 erzielbaren Wirkungsgrad.

In Pig. 9 ist ein fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator dargestellt, bei dem ein pn-übergang 8 und ein Isotypübergang 9 parallel zur Arbeitsfläche 3 liegen, auf der ein Überzug 2 mit ▼ier optischen Elementen 12 zur Fokussierung der Strahlung 4 gezeigt ist. Die letzteren stellen parabolische Keile in Mikro-

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miniaturausführung dar. Die Breite der durch die parabolischen Keile gebildeten Ausgangsöffnung s ist mit der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet 6 kommensurabel, während die Dicke h des fotoelektrischen Wandlers 1 nicht größer als die mittlere Absorptionstiefe der Strahlungsquanten ist, die mehrere zehn Mikrometer beträgt.

Bei normaler Dichte des Strahlungsflusses 4 (von etwa 1000 W/m*) funktioniert der vorgeschlagene fotoelektrische Halbleiter-Stromgenerator effektiv, wenn er sowohl von der Seite des pn-Uberganges 8, als auch von der Seite des Isotypüberganges 9 beleuchtet wird, da der aus parabolischen Keilen gebildete und auf der Arbeitsfläche 3 liegende Überzug 2 die ganze auf den fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerator fallende Strahlung 4 auf die durch die Strombanhamekontakte 11 nicht besetzte Arbeitsfläche 3 lenkt. Die Stromabnahmekontakte 11 befinden sich auf der Arbeitsfläche 3 unter den parabolischen Keilen. Durch diese Anordnung wird die Stromempfindlichkeit des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators bedeutend erhöht.

Bei sehr hohen Str,ahlungskonzentrationen (über 50 W/cm ) kommt eine besondere Bedeutung dem Ausbreitungswiderstand im Inversionsgebiet 7 zu, der bei Beleuchtung von der Seite des Isotypüberganges 9 bedeutend herabgesetzt wird.

Bei einer mit der mittleren Absorptionstiefe der Strahlungsquanten 4 kommensurablen Dicke h des fotoelektrischen Wandlers 1 wird die ganze der Arbeitsfläche 3 des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators zugeführte Energie im Volumen des Basisgebiets 6 absorbiert, wobei der fotoelektrieche Halbleiter-Stromgenerator seinen Wirkungsgrad erhöht, dessen Wert bis zur 1000-fachen Dichte des Strahlungsflusses gegenüber der Normaldichte und beim linearen Anstieg de3 Stromes und der Leistung beibehalten wird.

Bei dieser Ausführung des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators besteht die Grundfläche der parabolischen Keile aus einem

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Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus Kupfer. In diesem Falle funktioniert der parabolische Keil nicht nur als Fokussierelement zur Konzentration der Strahlung 4, sondern auch als Kühlkörper zur Ableitung der Wärmeenergie vom fotoelektrischen Wandler 1, die eine wichtige Aufgabe bei der Umwandlung der konzentrierten Sonnenstrahlung ist.

Gegenüber den bekannten Ausführungen des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators ermöglicht die Erfindung eine bedeutende Erhöhung des Wirdkungsgrades des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators, die .durch Fokussierung und übertragung der Strahlung 4 zu den fotoempfindlichsten Bereichen der fotoelektrischen Wandler 1, durch volle Ausnutzung der Spektralstruktur der Strahlung sowie durch Verminderung der Stromverluste infolge der Oberflächen- _und Volumenrekombination der fotoangeregten Ladungsträger erreicht wird. Bei Beleuchtung mit konzentrierter Sonnenstrahlung und mit einer Strahlungsflußdichte, die über tausendmal größer als die Hormaldichte von 1000 W/m² ist, sind die Verluste infolge des Ausbreitungswiderstandes in der dotierten Schicht und im Basisgebiet 6 so klein, daß der fotoelektrische Halbleiter-Stromgenerator eine linear© Strom- und Leistungsabhängigkeit von der Beleuchtungsstärke aufweist und den hohen Wirkungsgrad beibehält, der bei der normalen Beleuchtungsstärke erreicht wurde.

Somit ergibt sich die Möglichkeit, die vorgeschlagenen fotoelektrischen Stromgeneratoren für terrestrische Sonnenenergieaniagen mit Sonnenstrahlungs-Konzentration anzuwenden. Die Kosten einer elektrischen Leistungseinheit werden bei solchen Anlagen ungefähr um das Tausendfache herabgesetzt, und dies gibt auch die Möglichkeit, die fDielektrischen Halbleiter-Stromgeneratoren nicht nur für die kosmische, sondern auch für die terrestrische Energetik zu benutzen.

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Claims

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SCHIFF v.FÜNER STREHL ^"©HÜB-EÜ-'HOPF ' EBBINGHAUS

MARIAHILFPLATZ 9 A 3. MÖNCHEN OO POSTADRESSE: POSTFACH SB OI βθ. D-8OOO MÖNCHEN OB

Anatoli j Alexeevitsch Dormldontov

Evgenij Michajlovitsch Zykov

Tatjana Andreevna Licenlco d«>i:chim.dr.

Boris Andreevitsch Nikitln

Vladimir Ivanovitsch Poljakov

Bmitrij Semenovitsch Strebkov .

Vadim Alexeevitsch Uni senk ο ν

VJatscheslav Vasilrjevitsch Tscherny-

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18. März 1977

FOTOELEKTRISCHER HALBLEITER-STROMGENERATOR

Patentansprüche

Fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator, der wenigstens einen fotoelektrischen Wandler zur Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie mit mindestens einer gleichrichtenden Schicht enthält, die das Basisgebiet mit einem durch Majoritätsladungsträger dieses Gebiets bedingten Leitungstyp von wenigstens einem Inversionsgebiet mit einem durch Minoritätsladungsträger des Basisgebiets bedingten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp trennt, und der wenigstens zwei Stromabnahmekontakte aufweist, von denen ein Kontakt an das Basisgebiet und der andere an das Inversionsgebiet angeschlossen sind, und der außerdem einen überzug besitzt, welcher die Strahlung unmittelbar empfängt und wenistens auf einer Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators liegt, auf weir he die den Überzug durchdringende Strahlung

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fällt, dadurch gekennzeichnet, daß dieser überzug (2) wenigstens ein optisches Fokussierelement (12) darstellt, das die Strahlungsenergie im Fokalfleck (13) fokussiert und einen Teil des Strahlungsspektrums auf die mindestens für den betreffenden fotoelektrischen VJandler (1) fotoaktive Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators richtet, wobei sich die Absorptionszone der im Fokalfleck fokussierten Strahlung im Basisgebiet (6) des fotoelektrischen Wandlers befindet und von der gleichrichtenden Schicht in einem Abstand liegt, der kleiner als die Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet ist.
2. Fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator nach Anspruch 1 mit wenigstens einem fotoelektrischen Wandler, bei dem mindestens zwei lineare Maße mit der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet kommensurabel sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine in der Parallelrichtung zur Arbeitsfläche (3) des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators gemessene lineare Abmessung jedes optischen Fokussierelements mit der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet kommensurabel ist.
3. Fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator nach Anspruch

1 oder 2, bei dem wenigstens eine gleichrichtende Schicht jedes fotoelektrischen Wandlers in der zur Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators senkrechten Ebene

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liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fokussierelemente (12) als zylindrische Stäbe ausgeführt sind, die zu der auf der Arbeitsfläche (3) des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators senkrecht stehenden Ebene der gleichrichtenden Schicht parallel liegen.
4. Fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator mit nur einem fotoelektrischen Wandler, bei dem wenigstens eine gleichrichtende Schicht in der auf der Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators senkrecht stehenden Ebene vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug (2) als optisches Fokussierelement ausgeführt 1st, das eine Kugel darstellt.
5. Fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator nach Anspruch 1, oder 2 mit wenigstens zwei fotoelektrischen Wandlern, deren gleichrichtende Schicht in einer zur Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators senkrechten Ebene liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fokussierelemente (12) als Kugeln ausgebildet sind, die so angeordnet sind, daß jedem fotoelektrischen Wandler (1) ein optisches Fokussierelement in Form einer Kugel zugeordnet ist, wobei alle Kugeln auf der Arbeitsfläche in einer Schicht liegen und miteinander in ihren Berührungspunkten fest verbunden sind.
6. Fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator nach Anspruch 2,

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dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fokussierelemente (12) als parabolische Spiegelzellen ausgeführt sind, die ein reflektierendes Spiegelsystem darstellen, dessen Reflexionsfläche durch Rotation eines Parabelabschnitts um eine Rotationsachse gebildet wird, deren Richtung mit der zur Arbeitsfläche (3) des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators senkrechten optischen Achse der parabolischen Spiegelzelle zusammenfällt, wobei jedem fotoelektrischen Wandler (1) eine einzelne parabolische Spiegelzelle zugeordnet ist.
7. Fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator nach Anspruch 2, mit fotoelektrischen Wandlern, bei denen die Ebenen der gleichrichtenden Schichten senkrecht auf der Arbeitsfläche des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators stehen, dadurch gekennze'ichnet , daß die optischen Fokussierelemente (12) als parabolische Keile ausgeführt sind, die ein reflektierendes System darstellen, bei dem ein Teil der Reflexionsfläche durch fortschreitende Verschiebung eines Parabelabschnitts längs einer Leitlinie erzeugt wird, die parallel zur Ebene der gleichrichtenden Schicht liegt, und der andere Teil die in Bezug auf die optische Keilebene symmetrische Spiegelabbildung des ersten Teils darstellt, wobei die optische Ebene des parabolischen Keils senkrecht auf der Arbeitsfläche (3) des fotoelektrischen Halbleiter-Stromgenerators steht.

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8. Fotoelektrischer Halbleiter-Stromgenerator nach Anspruch 1 mit wenigstens einem fotoelektrischen Wandler, bei dem die Breite des Basisgebiets mit der mittleren Absorptionstiefe der Strahlungsquanten kommensurabel ist und die Ebene der gleichrichtenden Schicht parallel zur Arbeitsfläche liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug aus einer η-Zahl von optischen Fokussierelementen (12) besteht, bei denen wenigstens ein lineares Maß der Fokalflecke (13) mit der Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger im Basisgebiet (6) kommensurabel ist und der an dieses Gebiet angeschlossene Stromabnahmekontakt aus Streifen besteht, die mit der Arbeitsfläche (3) an den durch Fokalflecke nicht besetzten Stellen verbunden sind.

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