DE3010566A1 - Sonnenenergiewandler - Google Patents

Sonnenenergiewandler

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DE3010566A1
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DE19803010566
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Yukinori Kuwano
Masaru Yamano
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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Description

SANYO ELECTRIC CO., LTD
Moriguchi-shi
Osaka-fu/JAPAN
Sonnenenergiewandler
Die Erfindung betrifft einen Sonnenenergiewandler, in welchem amorphe Solarzellen/ deren Dicke so gering ist, daß das Sonnenlicht hindurchtreten kann, auf der Oberfläche einer Wärmewandlerplatte ausgebildet sind/ die mit einem Rohr für ein Heizmedium in thermisch leitender Verbindung ist, wodurch das Sonnenlicht von den Solarzellen in elektrische Energie und gleichzeitig der durch die Solarzellen hindurchtretende Teil von der Wärmesammlerplatte in Wärmeenergie umgewandelt wird.
Es ist bekannt, Sonnenlicht mittels einer Solarwärmesammlereinrichtung unter Verwendung einer Warmesammlerplatte in thermische Energie umzuwandeln, wie es auch, bekannt ist, Sonnenlicht mit einer Solarzelle in elektrische Energie umzuwandeln. Es wurde auch bereits eine Sonnenenergiewandlervorrichtung geschaffen, in der eine Solarzelle, die das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt, mit einer Wärmesammlerplatte der Solarwärmesainmlervorrichtung verbunden wurde. Die Solarzelle bestand dabei jedoch aus einem Siliziumeinkristall und hatte eine Dicke von ungefähr 300 μ, so daß das Sonnenlicht nicht durch sie hindurchtreten konnte.
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Auf diese Weise wird der Bereich der Wärmesammlerplatte, der von der Solarzelle mit ihrer verhältnismäßig großen Dicke bedeckt ist, für das Sammeln solarer Wärmestrahlung unwirksam, so daß das Sonnenlicht nicht mit gutem Wirkungsgrad in thermische Energie umgewandelt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umwandeln von Sonnenlicht in Energie besitzt deswegen wenigstens eine amorphe Solarzelle, deren Dicke das Hindurchtreten von Sonnenlicht erlaubt, wobei diese Solarzelle auf der Oberfläche einer Wärmesammlerplatte angebracht ist, die wiederum mit einem Rohr für ein Heizmedium in thermisch leitender Verbindung steht, so daß das Licht von der Solarzelle einerseits in elektrische Energie und gleichzeitig der durch die Solarzelle hindurchtretende Lichtanteil von der Wärmesammlerplatte in thermische Energie umgewandelt wird, so daß die gesamte Wärmesammlerplatte einschließlich des von der Solarzelle überdeckten Bereiches vollständig bei der Sammlung der solaren Wärme wirksam wird und damit eine sehr effektive Umwandlung des Sonnenlichtes in Wärmeenergie und elektrische Energie durchgeführt wird.
In Verbindung mit der Zeichnung wird die Erfindung nun an einzelnen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die teils aufgebrochene Vorderansicht eines Sonnenenergiewandlers in erfindungsgemäßer Ausbildung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;
Fig. 3 eine Schemaansicht einer Apparatur zur Herstellung von bei der Erfindung verwendbaren Solarzellen;.
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Fig. 4 jeine vergrößerte Schnittdarstellung einer bei der Erfindung eingesetzten Solarzelle, wobei unter A eine Solarzelle der P-i-n-Type und unter B eine Solarzelle der Schottky-Type dargestellt ist;
Fig. 5 in perspektivischer Ansicht und teils aufgebrochen ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonnenenergiewandlervorrichtung und ihre elektrische Leitungsanordnung ;
Fig. 6 im axialen Schnitt die Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Sonnenenergiewandlers und seiner elektrischen Leitungsführung;
Fig. 7 ein Diagramm der Beziehungen zwischen der
Sonnenlicht-Energieverteilung und der Solarzellenempfindlichkeit ;
Fig. 8 die perspektivische Ansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels des Sonnenenergiev/andlers;
Fig. 9 eine vergrößerte Schnittdarsteliung durch die
Solarzelle des Sonnenenergiewandlers der Fig.8, wobei unter A eine Solarzelle der P-i-n-Type und unter B eine Solarzelle der Schottky-Type dargestellt sind.
Anhand der Figuren 1 und 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel des Sonnenenergiewandlers beschrieben. Ein lichtdurchlässiges Außenrohr 1, z. B. aus Glas, ist an seinen beiden Enden durch Metallkappen 2 dicht verschlossen, so daß im Innern des Außenrohres 1 Vakuum herrschen kann. Ein Heizmedium wie Wasser durchfließt ein aus Kupfer bestehendes Heizmediumrohr 3. Die beiden Enden des Heizmediumrohres 3 tre-
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ten durch die Endkappen 2 hindurch und sind an den Durchtrittsstellen mit den Endkappen 2 dicht verschweißt. Am Heizmediumrohr 3 ist eine aus Kupfer oder Aluminium bestehende Wärmesammlerplatte 4 in thermisch leitender Weise befestigt. Sie ist so beschaffen, daß sie durch das Sonnenlicht in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 0,7 und 1,5 μπι erwärmt wird, so daß dadurch das im Heizmediumrohr 3 fließende Wasser Wärme zugeführt erhält.
Unmittelbar auf der Wärmesammlerplatte 4, die dabei eine Elektrode darstellt, sind Solarzellen 5 aus amorphem Silizium aufgebaut. Diese aus amorphem Silizium bestehenden Solarzellen haben eine Dicke zwischen 0,1 und 10 μ, die es ermöglicht, daß Sonnenlicht in ausreichendem Maß durch die Solarzellen hindurchtritt .
Die Erzeugung der aus amorphem Silizium bestehenden Solarzellen geschieht mit einer Apparatur gemäß Fig. 3, welche in einem Plasmareaktions-Vakuumkessel 6 ein Elektrodenpaar 7 aufweist, zwischen das die Wärmesammlerplatte 4 eingebracht wird. Eine Gasmischung aus Siliziumwasserstoff und Phosphorwasserstoff wird zunächst in den Kessel 6 eingebracht, und dann wird an die Elektroden 7 eine Hochfrequenzspannung angelegt, wodurch sich eine Plasmaentladung ausbildet, was zur Ablagerung einer amorphen n+-Siliziumschicht auf der Wärmesammlerplatte führt, wie dies in Fig. 4-A gezeigt ist. Anschließend wird ausschließlich Siliziumwasserstoffgas in den Kessel 6 eingeführt, wodurch sich eine neutrale amorphe Siliziumschicht (i-Schicht) auf der n+-Schicht in derselben Weise ausbildet. Danach wird schließlich eine Mischung aus Silizium-Wasserstoff und Borwasserstoffgas in den Kessel 6 eingeführt, was dazu führt, daß auf der i-Schicht sich eine amorphe P-Siliziumschicht niederschlägt. Es sei hier noch angeführt, daß bei der Ausbildung dieser Schichten eine Maske aufgelegt wird, um die gewünschte Flächengestaltung zu erreichen. Danach wird
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unter Verwendung einer sich von der in Fig. 3 gezeigten Einrichtung unterscheidenden weiteren Einrichtung eine transparente obere Elektrode 8 auf der P-Schicht niedergeschlagen, was beispielsweise durch Bedampfen erfolgen kann, womit dann eine Solarzelle der P-i-n-Type hergestellt ist. In der Fig. sind Gasflaschen mit Siliziumwasserstoff (Silan; SiH.), Borwasserstoff (Diboran; B2Hg) und Phosphorwasserstoff (Phosphin; PH~) mit 9, 10 und 11 und die für das Einleiten benötigten Ventile mit 12 bezeichnet.
Soll eine Schottky-Solarzelle aufgebaut werden, wie sie in Fig. 4-B im Schnitt dargestellt ist, wird durch Einleiten einer Gasmischung aus Silan und Phosphin in die Plasmareaktionskammer 6 eine η -Schicht aufgebaut. Die i-Schicht wird dann durch Einleiten von Silangas allein gebildet. Eine halbtransparente obere Elektrode 8 aus beispielsweise Platin wird dann auf der i-Schicht erzeugt, womit eine Schottky-Solar zelle auf der Wärmesammlerplatte hergestellt ist.
Die η -Schicht besitzt eine Dicke von 0,03 μ, die i-Schicht eine Dicke von 0,94 μ und die P-Schicht eine Dicke von 0/01 μ, während die Dicke der oberen Elektrode 8 zwischen 0,03 und 0,04 μ liegt. Versuche haben gezeigt, daß die günstigste Schichtstärke von der n+-Schicht bis zur oberen Elektrode 8 zwischen 0,1 μ und 10 μ liegt.
Es soll nun beschrieben werden, wie die elektromotorische Kraft der Solarzellen 5 aus dem Außenrohr 1 herausgeführt wird. Fig. 5 zeigt einen Anschlußleiter 13, der die metallische Endkappe 2 durchsetzt und mit einem Ende mit einer der Kollektorelektroden 14 verbunden ist, die auf den oberen Elektroden 8 in Gestalt eines Kammes ausgebildet ist. Man muß sich außerdem noch vorstellen, daß die eine gezeigte Kollektorelektrode 14 mit der anderen Kollektorelektrode 1 4 leitend verbunden ist. Da die zweite Elektrode der
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Solarzellen 5 durch die Wärmesammlerplattte 4 dargestellt wird, die mit dem Heizmediumrohr 3 elektrisch leitend verbunden ist, ist der zweite Anschlußleiter über eine Ringklemme 16 mit dem Heizmediumrohr 3 außerhalb des Behälters verbunden. Durch eine Dichtung 17 wird der Zuleitungsdraht 13 elektrisch gegenüber der Endkappe 2 isoliert und luftdicht aus dem Außenrohr 1 herausgeführt.
Anders als bei der in Fig. 5 gezeigten Ausbildung kann die elektromotorische Kraft der Solarzelle auch mit zwei Leitungsdrähten 13 und 15/ die die Endkappe 2 durchsetzen und mit ihren Enden mit der oberen Elektrode 8 bzw. der Wärmesammlerplatte 4 verbunden sind, aus dem Außenrohr 1 herausgeführt werden, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Eine Abdichtung 18 schließt den Rand des Außenrohres 1 dicht gegenüber dem Rand der Endkappe 2 ab.
Fig. 7 dient zur Verdeutlichung,.wie wirksam mit Hilfe der Erfindung die im Sonnenlicht enthaltene Energie ausgenutzt wird. In dem Diagramm der Fig. 7 sind die Energieverteilung des Sonnenlichtes, die Empfindlichkeit der aus amorphem Silizium hergestellten Solarzelle und die Empfindlichkeit einer üblichen Solarzelle in Gestalt eines Siliziumeinkristalls dargestellt, wobei die Kurve R die Energieverteilung im Spektrum des Sonnenlichtes, die Kurve S die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Solarzelle und die Kurve T die Empfindlichkeit einer herkömmlichen Solarzelle darstellen.
Die üblichen Wandlervorrichtungen, die Sonnenlicht in Wärme umwandeln, verwenden hauptsächlich die Infrarotstrahlung (0,7 um bis 1,5 um) des Sonnenlichtes, welche das Heizmedium im Heizmediumrohr über die Wärmesammlerplatte aufheizen. Die sichtbare Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 0,35 um bis 0,7 um wird dabei für die Solarwärmesammlung nicht ausgenützt. Die Empfindlichkeit der Solarzelle 5 aus amorphem Silizium gemäß der Erfindung fällt dagegen in den Wellenlän-
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genbereich von 0,35 bis 0,7 μπι, was die Kurve S der Fig. 7 deutlich macht. Das bedeutet nun, daß die Solarzelle aus amorphem Silizium genau den Teil des Sonnenlichtes ausnützt, der für die Wärmesammlung nicht verwendet wird. Das heißt, mit der Erfindung wird im wesentlichen der gesamte Bereich der Sonnenlichtenergie wirksam genützt und einerseits in thermische Energie und andererseits in elektrische Energie umgewandelt.
Im Vergleich zur Dicke herkömmlicher Solarzellen von etwa 300 μ sind die erfindungsgemäßen Solarzellen äußerst dünn, nämlich etwa 0,1 bis 10 μ stark, so daß das Sonnenlicht durch sie hindurchtreten kann und der durch die Solarzellen hindurchtretende Anteil des Sonnenlichtes die gesamte Fläche der Wärmesammlerplatte 4 trifft.
Die vom Anteil des Sonnenlichtes mit einer Wellenlänge zwischen 0,35 und 0,7 'μπι mit Hilfe der Solarzellen gewonnene elektrische Energie kann von der Wärmesammlerplatte 4 und der oberen Elektrode 8 aus dem Sonnenenergiewandler gemäß den Darstellungen der Figuren 5 und 6 herausgeführt v/erden.
Wie in Fig. 7 gezeigt, liegt der Scheitelwert der Empfindlichkeitskurve einer herkömmlichen Einkristall-Siliziumsolarzelle im Wellenlängenbereich von 0,8 μΐη. Das bedeutet, daß der Wellenlängenbereich des Sonnenlichtes, der in Wärme umgewandelt werden kann, auch zugleich in elektrische Energie umgewandelt wird. Damit wird aber das Sonnenlicht nicht in der wirksamsten Weise ausgenutzt.
Da außerdem die herkömmliche Siliziumeinkristall-Solarzelle eine Dicke von 300 μ oder mehr hat, die das Sonnenlicht nicht mehr hindurchläßt, wird der unter der Solarzelle liegende Bereich der Wärmesammlerplatte nicht aufgeheizt, so daß der Wärmesammeieffekt dadurch verschlechtert wird. Die erfindungs-
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gemäße Solarzelle besitzt dagegen, wie bereits mehrmals dargelegt, nur eine Dicke, die das Sonnenlicht hindurchtreten läßt, und außerdem ist sie so beschaffen, daß der Wellenlängenbereich, in dem das Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt wird, sich nicht mit dem Wellenlängenbereich der Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme überschneidet, wodurch der gesamte Wellenlängenbereich des Sonnenlichtes sehr wirksam zur Energieumwandlung herangezogen werden kann.
Die hermetische Abdichtung des lichtdurchlässigen Außenrohres 1 verhindert, daß sich auf der Wärmesammlerplatte 4 Staub, Regen oder Eis absetzen kann, was die Solarzelle negativ beeinflussen würde, und außerdem können durch das Außenrohr 1 ultraviolette Strahlen von der Solarzelle abgehalten werden, die deren Lebensdauer erheblich verkürzen könnten, so daß auf diese Weise auch die Lebens- und Arbeitsdauer der Solarzelle in vorteilhafter Weise verlängert werden kann.
In Verbindung mit dem Solarwärmesammeleffekt wird um die Außenfläche des Heizmediumrohres 3 ein Isolierraum gebildet, wodurch die Wärmeabstrahlung vom Heizmediumrohr 3 wirksam verringert wird.
Als nächstes soll anhand der Figuren 8 und 9 beschrieben werden, wie eine große elektromotorische Kraft von der Solarzelle abgenommen werden kann. Die Isolierfilme 19 werden auf die Wärmesainmlerplatte 4 aufgebracht, und auf diesen wieder werden zahlreiche untere Elektroden 20 aus Aluminium abgelagert. Auf diesen unteren Elektroden 20 werden amorphe Siliziumschichten 21 niedergeschlagen, die schließlich von oberen lichtdurchlässigen Elektroden 22 überdeckt werden. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Solarzellen aus amorphem Silizium aufgebaut, bestehend aus unteren Elektroden 20, den amorphen Siliziumschichten 21 und oberen Elektroden 22. Die
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oberen Elektroden 22 werden jeweils mit den in der einen Richtung benachbarten unteren Elektroden 20 verbunden.
Eine Anschlußleitung 23, die durch die Endkappe hindurchtritt/ ist mit der unteren Elektrode 20 an dem einen Ende der Seite 4a der Wärmesanunlerplatte 4 verbunden. Die obere Elektrode 22' am anderen Ende der Seite 4a der Wärmesammlerplatte 4 ist mit der unteren Elektrode 20" verbunden, die am anderen Ende der anderen Seite 4b der Wärmesanunlerplatte liegt. Ein zweiter Anschlußleiter 24, der durch die Endkappe hindurchgeführt wird, ist schließlich mit der oberen Elektrode 22" verbunden, welche sich am ersten Ende der anderen Seite 4b der Wärmesanunlerplatte 4 befindet. Auf diese Weise sind zahlreiche Solarzellen aus amorphem Silizium in Reihe geschaltet, so daß über die Anschlußleitungen 23 und 24 eine hohe elektromotorische Kraft abgenommen werden kann.
Die Fig. 9-A zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch die Solarzellen, die miteinander so verbunden sind, wie es anhand der Fig. 8 beschrieben wurde, wobei die Fig. 9-A Solarzellen aus amorphem Silizium der P-i-n-Type zeigt. Als transparente leitfähige Filme eignen sich für die oberen Elektroden 22 besonders gut solche aus Indiumzinnoxid.
Die Fig. 9-B zeigt Solarzellen aus amorphem Silizium der Schottky-Type, bei denen im allgemeinen Platin für den Aufbau der halbtransparenten oberen Elektroden 25 verwendet wird.
Es sei hier als kennzeichnend bemerkt, daß eine Vielzahl von mehrstufigen Solarzellen aus amorphem Silizium zur selben Zeit in einer Gasmischung aus Silan, Diboran, Phosphin und anderen nach dem Glimmentladungsverfahren hergestellt werden kann.
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Auf der Oberfläche einer Wärmesammlerplatte, die in thermisch leitender Weise mit. einem Heizmediumrohr verbunden ist, werden nach der Erfindung Wandlerelemente, die Sonnenlicht in andere Energieformen umwandeln, aufgebracht, die wenigstens aus einer Solarzelle aus amorphem Silizium bestehen, deren Dicke gering genug ist, so daß das Sonnenlicht durch sie hindurchtreten kann. Die Energie des Sonnenlichtes kann auf diese Weise von der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Gleichzeitig aber mit der Umwandlung der Sonnenlichtenergie in der Solarzelle erfolgt eine Umwandlung eines übrigen Teils der Sonnenlichtenergie in Wärmeenergie mit Hilfe der Wärmesammlerplatte, wobei die gesamte Fläche der Wärmesammlerplatte einschließlich des Bereiches, auf dem die Solarzelle ausgebreitet ist, vollständig zum Sammeln der Sonnenwärme beiträgt, womit die Sonnenlichtenergie sehr wirksam in thermische und elektrische Energie umgewandelt wird.
Nach den Merkmalen der Erfindung unterscheidet sich der Teil des Sonnenlichtes, der in Wärme umgewandelt wird, in seiner Wellenlänge von dem anderen Teil des Sonnenlichtes, der in elektrische Energie umgewandelt wird, so daß mit der Erfindung die Möglichkeit besteht, den gesamten Wellenlängenbereich des Sonnenlichtes sehr wirksam in andere Energie umzuwandeln.
Der hermetische Abschluß der Wärmesammlerplatte innerhalb eines lichtdurchlässigen Außenrohres verhindert, daß sich auf der Platte Staub absetzt oder Regen und Frost Einfluß nehmen können, was jeweils nachteilige Auswirkungen auf die Eigenschaften der Solarzellen hat, und außerdem können ultraviolette Strahlen abgeschirmt werden,, die die Lebensdauer von Solarzellen erheblich einschränken können, so daß dabei in vorteilhafter Weise auch noch die Lebensdauer der Solarzellen verlängert wird.
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Im Hinblick auf den Sonnenwärme-Sammeleffekt läßt sich sagen, daß durch die Vorrichtung um die Außenfläche des Heizmediumrohres ein isolierender Raum geschaffen wird, was das Abstrahlen von Wärme vom Heizmediumrohr verhindert.
Verbindet man in der erfxndungsgemaßen Weise mehrere Solarzellen aus amorphem Silizium, die sich unter Zwischenschaltung eines isolierenden Films auf der Oberfläche der Wärmesammlerplatte befinden, miteinander in Reihenschaltung, so kann eine hohe elektromotorische Kraft erzeugt werden.
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Claims (11)

  1. 33 187
    SANYO ELECTRIC CO., LTD
    Moriguchi-shi
    Osaka-fu/JAPAN
    Sonnenenergiewandler Patentansprüche
    1V. Sonnenenergiewandler,
    dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Solarzelle (5) aus amorphem Silizium mit einer das Sonnenlicht hindurchlassenden Schichtdicke auf der Oberfläche einer Wärmesammlerplatte (4) ausgebreitet 1st j welche mit einer Leitung (3) für ein Heizmedium in thermisch leitender Verbindung ist.
  2. 2. Sonnenenergiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schichtdicke der Splarzelle (5) etwa zwischen 0,1 und 10 μ beträgt.
  3. 3. Sonnenenergiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) für das Heizmedium und die Wärmesammlerplatte (4) sich in einem lichtdurchlässigen, dicht verschlossenen Außenrohr (1) befinden.
  4. 4. Sonnenenergiewandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Außenrohr (1) Vakuum herrscht.
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  5. 5. Sonnenenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesammlerplatte (4) als untere Elektrode der Solarzelle (5) dient.
  6. 6. Sonnenenergiewandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmewandlerplatte (4) mit dem Rohr (3) für das Heizmedium elektrisch leitend verbunden ist und daß mit dem eine der Endkappen (2) des dicht verschlossenen, lichtdurchlässigen Außenrohrs (1) durchsetzenden Ende des Rohres (3) des Heizmediums ein Leitungsdraht verbunden ist.
  7. 7. Sonnenenergiewandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine das lichtdurchlässige Außenrohr (1) an einem Ende dicht schließende Endkappe (2) ein Anschlußleitungspaar (13, 15) der Elektroden der Solarzelle (5) hindurchgeführt ist.
  8. 8. Sonnenenergiewandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Endkappe (2) hindurchtretende Abschnitt der Anschlußdrähte durch eine isolierende Dichtung (17) hindurchgeführt ist.
  9. 9. Sonnenenergiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Wärmesammlerplatte (4) und der Solarzelle (5) ein Isolierfilm befindet.
  10. 10. Sonnenenergiewandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Solarzellen (5) auf der Oberfläche der Wärmesammlerpiatte (4) unter Zwischenfügung von Isoüerfiimen angebracht und miteinander in Reihe geschaltet sind.
  11. 11. Sonnenenergiewandler nach einem der Ansprüche 1,9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der oberen Elektrode der Solarzelle eine kammförmige Kollektorelektrode (14) ausgebildet ist, mit der der Anschlußleitungsdraht (13) verbunden ist.
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