DE3016771A1 - Solarzellen-befestigung - Google Patents
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Description
301677
-A-
RCA 73 551 Hk/kl
U. S. Serial No. 036,190
Filed: May 4, 1979
RCA Corporation New York, N. Y., V. St. ν. Α.
Solarzellen-Befestigung
Die Erfindung betrifft Modul-Aufbauten von Solarzellen.
Eine bekannte Ausgestaltung einer Solarzelle umfaßt eine
Platte aus Halbleitermaterial mit einem Basisbereich der einen Leitfähigkeit und einem Emitterbereich der anderen
Leitfähigkeit. Ein metallisiertes Elektrodengitter auf
der Oberfläche des Emitterbereichs wird benützt, um Majoritäts fladungs) träger aufzunehmen, die" im Halbleitermaterial in Reaktion auf die einfallende Solars-trahlung
erzeugt werden. Das Gitter kann in Form eines Feldes metallisierter
Leiter ausgestaltet sein, die zumindest an einem Rand der Zellenstirnseite endigen. Ein Sammelschienenleiter
auf dem Gitter an dem Rand bzw. an den Rändern der Zellenstirnseite wird verwendet, um Majoritätsträger von
den verschiedenen Gittergliedern zu einem einzigen Leiter
zu leiten. Die Platte aus Halbleitermaterial weist einenthermischen
Ausdehnungskoeffizienten in der" Größenordnüng
eines ersten Werts auf.
Der Solarzellen-Aufbau enthält ferner einen elektrischen
Leiter für eine ohmische und thermische Verbindung mit der Sammelschiene, der einen thermischenAusdehnungskoeffi-
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zienten aufweist, welcher sich vom ersten Wert im wesentlichen unterscheidet. Ferner umfaßt der Aufbau einen Block
aus elektrisch leitendem Wärmesumpfmaterial, wobei der
Block für eine ohmische und thermische Verbindung mit der Fläche des Basisbereichs der Platte vorgesehen ist. Der
Block besitzt eine thermische Ausdehnung, die sich ebenfalls vom ersten Wert im wesentlichen unterscheidet.
Nach der Erfindung umfaßt der Solarzellen-Aufbau ferner eine erste elektrisch leitende Elektrode, die in einer ohmischen
und thermischen Berührung sowohl mit dem Wärmesumpfmaterial
als auch mit dem Basisbereich der Platte steht, sowie eine zweite elektrisch leitende Elektrode, die in einer ohmischen
und thermisch leitenden Berührung sowohl mit dem elektrischen Leiter als auch mit der Gittersammeischiene steht, wobei
die Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode einen Wert aufweisen, der in der Nähe
des ersten Werts liegt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Solarzellen-Aufbaus mit der Erfindung,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Zelle nach Fig. 1 in auseinandergezogener Anordnung,
Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils einer Zellenanordnung, und
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Solarzellen-Anordnung nach Fig. 3 mit einem Solarzellen-Aufbau,
der die Erfindung enthält.
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3 O Π 6771
In den Fig. 1 und 2 ist ein Solarzellen-Aufbau veranschaulicht, bei dem eine Platte 10 aus Halbleitermaterial wie
Silizium entweder η-dotiert oder p-dotiert ist, um einen Emitterbereich oder eine Schicht 12 auszubilden, während
der Rest der Platte so dotiert ist, daß diese die entgegengesetzte Leitfähigkeit besitzt, um den Basisbereich 14
auszubilden. Solarenergie wird durch Linsen oder andere (nicht dargestellte) Einrichtungen auf der Emitterschicht
12 konzentriert. Diese erzeugt Maj oritäts(ladungs)träger,
die Elektronen oder Löcher sein können , und zwar in Abhängigkeit
von der Leitfähigkeit des Emitter- und Basisbereichs, wobei die Majoritätsträger zur Oberfläche der Emitterschicht
12 wandern.
Die Zellenplatte 10 weist eine Dicke t auf, die wesentlich
kleiner ist als die Länge 1 ihrer Seiten. Beispielsweise können die Dicke t 0,0127 cm (0,005 inch) und die Länge
1 1,68 cm (0,660 inch) betragen. Das Halbleitermaterial der Platte 10, das beispielsweise Silizium sein kann, ist im
Vergleich zu anderen Materialien spröde, beispielsweise zu Kupfer, die als Leiter oder Wärmesumpf in anderen Teilen
des Aufbaus Verwendung finden. *?
Um die Elektronen oder Löcher aufzufangen, ist ein Gittermuster 16 auf der Emitterschicht 1.2 aufgelegt. Wie der
Zeichnung zu entnehmen ist, umfaßt der Gitteraufbau eine
Anordnung oder ein Feld L-förmiger Gitterglieder, die auf der Oberfläche der Emitterschicht 12 aufgenommen bzw. in—
einander gelegt und voneinander beabstandet sind. Der Gitteraufbau 16 ist in vier symmetrische Quadranten aufgeteilt,
die im wesentlichen gleich aufgebaut sind. Die Schenkel der Gitterglieder in jedem Halbquadranten sind
identisch zu den Schenkeln ausgebildet, die im anderen Halbquadranten liegen. Bei einem derartigen Aufbau endigen :
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die Gitterglieder bei einer viereckigen bzw. quadratischen
Sammelschiene 17 angrenzend an die Seiten ;ö, ..U,,?,-und 24 der
Emitterschicht 12. Die Sammelschiene 17 ist ein metallisiertes Muster, das mit dem Gittermuster 16 auf den Emitter
aufgelegt wird, und erstreckt sich um den Umfang der Emitterschicht 12 auf der Zellenseite.
Ein Sammeischienendraht 26 fängt die erzeugte Elektrizität
vom Gitteraufbau 16 über die Sammelschiene 17 auf. Der Draht 26 ist aus hitzebeständigem Material wie Molybdän gefertigt,
das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt,
der in der Nähe des thermischen Ausdehungskoeffizienten der Platte 10 liegt. Der Draht 26 ist viereckig bzw. quadratisch
geformt und steht in einer Berührung mit der Sammelschiene 17.
Eine Kupferelektrode 30 ist mit einer viereckigen bzw. quadratischen
Öffnung 32 ausgebildet. Die Öffnung 32 weist in etwa die gleiche Größe auf wie der aktive Zellenstirnflächenbereich
der Emitterschicht 12, und es ist die Öffnung 32 über der Emitterschicht 12 mittig positioniert. Die Elektrode
30 wird zuerst mit einem Blei-Zinn-Lot am Draht 26 bei den Begrenzungen 34, 34', 34" und 38 der Öffnung 32 zwecks
Ausbildung eines Unteraufbaus hartverlötet. Eine Nase 36 erstreckt sich von der Elektrode, um eine Anschlußklemme
auszubilden. Die Elektrode 3O kann beispielsweise 5,O8 cm
(2 inch) lang sein, wobei hiervon die Nase 36 näherungsweise
2,5 cm (1 inch) lang ausgebildet ist. Der Draht 26 des Elektrode 3O und Draht 26 umfassenden Unteraufbaus wird dann
an der Samme!schiene 17 haftverlötet.
Eine metallisierte Elektrode 19 wird über die gesamte Fläche
des Basisbereichs auf der Unterseite der Platte 10 aufgelegt und mit einem viereckigen bzw. quadratischen Molybdän-Blatt
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40 hartverlötet. Das Blatt 40 kann eine Dicke von 0,0889 cm
(0,035 inch) aufweisen und besitzt die gleiche Länge 1
wie die Platte 10- Die Größe der Fläche auf der zur Platte 10 hinweisenden Seite des Blatts 40 ist näherungsweise
gleich der Stirnfläche der Elektrode 19 und des Basisbereichs 14.
Ein Wärmesumpf 42 ist aus einem Kupferblock gebildet, der
in Draufsicht viereckig bzw. quadratisch und relativ dick bezüglich der Dicke der Platte 10 ist. Beispielsweise kann
der Block eine Dicke t1 von ca. 0,476 cm (3/16 inch) aufweisen.
Die Seitenabmessung des Blocks kann geringfügig größer sein als die Länge 1 der Platte 10. Beispielsweise
kann eine-Seitenlänge von 1,90 cm (0,75 inch) vorgesehen
sein. Der Block 42 hat eine mittige kreisförmige Öffnung 44, in der ein Stift 46 hartverlötet ist, der ebenfalls aus
Kupfer sein kann. Der Stift 46 weist an seinem herabhängenden Ende 48 ein Gewinde auf. Die Anordnung bildet eine
Sandwich-Konstruktion aus Teilen, die am besten der Fig. 1 zu entnehmen sind. Vorteilhafterweise wird zuerst der
Sumpf 42 mit dem Blatt 40 in einem untergeordneten Aufbau hartverlötet. Anschließend wird das Blatt 40 mit der Elektrode
19 (weich)verlötet. -
Die relativ dünne Platte 10 weist eine Dicke auf, die deutlich kleiner ist als ihre Länge, z. B. mehr als 50 mal .
kleiner. Wäre die Platte 10 direkt am Wärmesumpfblock, ζ.
B. Block 42, oder an der Elektrode 30 befestigt, wäre diese
einer mechanischen Beanspruchung bei einer Anordnung in einer Umgebung eines thermischen Kreises ausgesetzt. Beispielsweise sollte bei einem gewöhnlichen Gebrauch die
Konstruktion in der Lage sein, Temperaturen von -40 C bis
+90 C zu widerstehen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient
von Kupfer unterscheidet sich jedoch deutlich vom thermi-
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sehen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium. Demzufolge
führt der Unterschied zwischen der thermischen Ausdehnung von Kupfer und der thermischen Ausdehnung der Siliziumplatte
IO zu einer mechanischen Beanspruchung, die in diesen Materialien hervorgerufen wird. Die Platte, die relativ
dünn und spröder ist als die Kupferelektroden und der Wärmesumpf bricht leicht.
Um dies zu verhindern.bilden der Molybdän-Draht 26 auf dem
Gitteraufbau und das Molybdän-Blatt 40 eine mechanische Zwischenfläche für thermische Beanspruchungen, die durch
Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten entstehen. D. h., der Molybdän-Draht 26 und das Blatt 40
besitzen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der in der Nähe desjenigen der Siliziumplatte 10 liegt. Demzufolge
tritt während eines thermischen Kreises, d. h. einem Wärmedurchgang, eine vergleichsweise geringe mechanische
Beanspruchung in der Platte 10 infolge eines Zusammentreffens der linearen Ausdehnungen von Platte 10, Draht 26 und
Blatt 40 auf.
Da die Kupf erelektrode 30 am Draht 26 und der Wärmesumpf
am Blatt 40 hartverlötet sind, führen die Unterschiede in der linearen Ausdehnung infolge eines Wärmedurchgangs zu einer Beanspruchung
zwischen diesen beiden Materialien. Da jedoch Kupfer dehnbar und Molybdän ein Material hoher Festigkeit ist, bewirkt
der Unterschied in der linearen Ausdehnung zwischen diesen in keinem Falle eine Spannungsstörung zwischen den
Einzelteilen. Demzufolge kann die Anordnung in einem weiten Bereich eines thermischen Kreises ohne Eintritt
mechanischer Spannungsstörung aufgrund einer Veränderung der linearen Ausdehnung dieser unterschiedlichen Materialien
angewendet werden.
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Der Aufbau nach den Fig. 1 und 2 schafft auch eine zweckmäßige Vorrichtung zur Ausbildung einer Anordnung von Solarzellen.
Gemäß Fig. 3 sind die Anordnungen 5O identische Solarzellen-Aufbauten, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt
sind. Der Stift 46 ist in einer Öffnung eines Aluminiumstreifens 52 eingesetzt, der ein L-förmiges langgestrecktes
Aluminiumglied ist. Der Stift 46 verläuft anschließend durch eine Öffnung eines Aluminiumblatts 54 sowie eine
Öffnung in einem Schenkel 56 eines Kanals 58, der ebenfalls aus Aluminium ist. Eine Mutter 60 und ein Sicherungsring
62 sichern den Stift 46 am Streifen 52, Blatt 54 und Schenkel 56, die elektrische Verbindungen zwischen den Stiften
46 benachbarter Zellen 50 herstellen und auch als Wärmesumpfeinrichtungen für thermische Energie dienen, welche
von den Blöcken 42 und Stiften 46 geleitet wird. Ein flexibles längliches dünnes Kupferleiterband 60 ist an der Unterseite
des Blocks 42 am Ende 62 befestigt. Das andere Ende 64 des
Bandes ist an der Nase 36 einer entsprechenden Solarzellen-Anordnung 50 (weich)verlötet. Knickstellen 64 für eine
thermische Expansion sind im Band 60 für Unterschiede in der Wärmeausdehnung des Bandes während eines Temperaturdurchgangs
vorgesehen. Der Aufbau nach Fig. 3 ist in einer Anordnung wi-e in Fig. 4 gezeigt ausgebildet.
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Claims (2)
- Γ «.TENT. ANWÄLTEDR. DIETER V. BEZOLDDIPL. ING. PETER SCHÜTZDIPL. IxMG. WOLFGANG HJEUSLERMARIA-THEHESIA-STRASSE 22 POSTKACH 8(11)H 68D-8000 MUENCHEN 86TELEFON 080/470006- ; - - ' ■ - 47 88 19TELEX 1122(138RCA 73 551 Hk/kl telegkamm sombezU. S. Serial No. 036,190
Filed: May 4, 1979RCA Corporation New York, N.Y., V. St. v. A.Solarzellen-Befestigung PatentansprücheM1 Solarzellen-Aufbau mit folgenden Teilen: eine^Platte aus photoempfindlichem Halbleitermaterial mit einem Basisbereich der einen Leitfähigkeit und einem Emitterbereich der anderen Leitfähigkeit, wobei die Platte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der.Größenordnung eines ersten Werts aufweist; einem in elektrischer Berührung mit dem Emitterbereich stehenden Elektrodengitteraufbau zum Leiten von Ladungsträgern vom Emitterbereich zu einer Sammelschiene, die an einem Rand der Platte angeordnet ist; einem elektrischen Leiter für eine ohmische und thermische Verbindung mit der Sammelschiene, der einen thermischen Ausdehnungs-030045/0955POSTSCHECK MÜNCHEN NH. 6 9148-800 · BANKKONTO HYPOBANK MÜNCHEN (BLZ 70020010) KTO. 6060257378 SWIFT HYPODEMM301677 Tkoeffizienten aufweist, der sich vom ersten Wert im wesentlichen unterscheidet; und einem Block aus elektrisch leitendem Wärmesumpfmaterial für eine ohmische und thermische Verbindung mit dem Basisbereich über die Basisbereichsfläche für ein Kühlen der Platte, wobei der Block einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich vom ersten Wert im wesentlichen unterscheidet, gekennzeichnet durcheine erste elektrisch leitende Elektrode (40) in einer ohmischen und thermischen leitenden Berührung sowohl mit dem Block (42) aus Wärmesumpfmaterial als auch mit dem Basisbereich (14) über eine Fläche von in etwa der gleichen Größe wie der Basisbereich, wobei die erste Elektrode einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung eines Werts aufweist, der in der Nähe des ersten Werts liegt, um den Block mit dem Basisbereich zu verbinden, undeine zweite elektrisch leitende Elektrode (26)in einer ohmischen und thermischen leitenden Berührung sowohl mit dem elektrischen Leiter (30) als auch mit der Gittersammelschiene (17), wobei die zweite Elektrode einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung eines Werts aufweist, der in der Nähe des ersten Werts liegt, um den elektrischen Leiter mit der Basis zu verbinden (Fig. 1). - 2. Solarzellen-Anordnung mit einer Vielzahl von sich gleichenden Solarzellen-Aufbauten gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch .erste und zweite voneinander beabstandete Wärmesumpfglieder (Anordnung mit 52, Anordnung mit 52'); eine Einrichtung (52) zum thermischen und elektrischen Verbinden einer ersten Gruppe' von Solarzellen-Aufbauten über ihre entsprechenden Wärmesumpfleiter mit dem ersten03004-5/0 95Wärmesumpfglied; undeine Einrichtung (52 ') zum thermischen und elektrischen Verbinden einer zweiten, anderen Gruppe von Solarzellen-Aufbauten über ihre entsprechenden Wärmesumpfleiter mit dem zweiten Wärmesumpfglied, wobei die zweite Elektrode (26) eines jeden Zellenaufbaus der ersten Gruppe ihren Emitterbereich mit der ersten Elektrode (40) eines entsprechenden Zellenaufbaus der zweiten Gruppe verbindet (Fig. 3).030 045/09 55
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1980
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