DE3517414A1 - Solargenerator - Google Patents

Solargenerator

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Takashi Ashiya Hyogo Ishihara
Genshiro Amagasaki Nakamura
Kazuhiro Itami Hyogo Okaniwa
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Description

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTJEf?
BESCHREIBUNG
Solargenerator
Die Erfindung bezieht sich auf einen Solargenerator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 .
Aus amorphem Silizium oder dgl. aufgebaute Solarbatterien für Solargeneratoren, die beispielsweise in Stromversorgungseinrichtungen vorhanden sind, besitzen eine relativ kleine Rückwärts-Sperrspannung. Werden innerhalb eines Moduls, in dem mehr als zwei Batterieelemente vorhanden sind, einige dieser Batterieelemente abgeschirmt bzw. abgeschattet, so werden diese abgeschatteten Batterieelemente durch die elektromotorische Kraft anderer Elemente in Rückwärtsrichtung betrieben, so daß die abgeschatteten Batterieelemente leicht zerstört werden können. Um dies zu verhindern, wird üblicherweise eine monokristalline Siliziumdiode als Schutzdiode mit dem Substrat der Solarbatterie verbunden bzw. verlötet.
Ein konventioneller Solargenerator ist in Fig. 1 dargestellt Er besteht aus einem leitfähigen Substrat 1, auf dem eine Halbleiterschicht 2 eines ersten Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist. Diese Halbleiterschicht 2 kann beispielsweise eine amorphe Siliziumschicht vom η-Typ sein. Auf der genannten Halbleiterschicht 2 liegt eine Eigenhalbleiterschicht 3 aus amorphem Silizium. Darüber ist eine weitere Halbleiterschicht 4 eines zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet," beispielsweise eine Halbleiterschicht aus amorphem Silizium vom p-Typ. Auf der Halbleiterschicht 4 liegt ein transparenter bzw. lichtdurchlässiger leitender Film 5. Der Film 5 ist mit Metallelektroden 6 verbunden, die Stromkollektoren darstellen. Eine Metallelektrode 7 ist als Anschlußelektrode mit einem äußeren Bereich des Substrats 1 verbunden. Auf der Anschlußelektrode 7 liegt ein kristalliner
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TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER
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Siliziumhalbleiter 8 vom zweiten Leitfähigkeitstyp. Mit dem Bezugszeichen 9 ist ein kristalliner Siliziumhalbleiter vom ersten Leitfähigkeitstyp bezeichnet. Ein Verbindungsdraht 10 dient als Anschlußdraht für das Solarbatterieelement. Durch einen weiteren Verbindungsdraht 11 wird die aus den Halbleiterelementen 8 und 9 bestehende Schutzdiode mit der Metallelektrode 6 des Solarbatterieelementes verbunden.
Dieses Solarbatterieelement wird wie folgt hergestellt:
Halbleiterschichten 2, 3 und 4 aus amorphem Silizium werden nacheinander auf das leitfähige Substrat 1 übereinanderliegend aufgebracht. Anschließend wird der transparente leitfähige Film 5 durch Aufplattierung bzw. Niederschlag im Vakuum auf der Halbleiterschicht 4 gebildet. Danach werden ebenfalls durch Niederschlag im Vakuum die Metallelektroden 6, die als Stromkollektoren dienen, auf dem transparenten elektrisch leitenden Film 5 und die Metallelektrode 7 auf dem Substrat 1 gebildet, so daß auf diese Weise ein Solarbatterieelement erhalten wird. Mit der Metallbzw. Anschlußelektrode 7 wird eine Diode bzw. Schutzdiode verlötet. Diese Diode enthält einen mit der Metallelektrode 7 verbundenen kristallinen Siliziumhalbleiter 8 vom selben Leitfähigkeitstyp wie die amorphe Siliziumhalbleiterschicht 4 sowie einen kristallinen Siliziumhalbleiter 9 vom selben Leitfähigkeitstyp wie die amorphe Siliziumhalbleiterschicht 2. Die aus den Halbleitern 8 und 9 gebildete Diode ist einerseits über die Metallelektrode 7 und den Anschlußdraht 10 mit einem weiteren Solarbatterieelement verbunden, während sie andererseits bzw. der Halbleiter 9 über den Anschlußdraht 11 direkt mit einer Metallelektrode 6 (Stromkollektorelektrode) des zugeordneten Solarbatterieelementes verbunden ist. Die entsprechende Schaltung 5 ist in Fig. 2 dargestellt, während Fig. 3 die erhaltene
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TER MEER · MÜLLER · STEINMEIST-ER
Strom-Spannungscharakteristik zeigt.
Nachteilig bei der konventionellen Solarbatterie ist, daß jeweils bei einem Solarbatterieelement die relativ kleine Siliziumdiode mit dem Substrat verlötet werden muß. Beim Einlöten dieser kleinen Diode kann häufig ein Kurzschluß erzeugt werden. Darüber hinaus verlängert sich durch das Einlöten der genannten Schutzdioden der Herstellungsprozeß für eine derartige Solarbatterie, während gleichzeitig die Betriebszuverlässigkeit abnimmt.
In der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. 57-122580 ist eine weitere Solarbatterie beschrieben, bei der jeweils ein Solarbatterieelement mit einer einem benachbarten Solarbatterieelement zugeordneten Diode verbunden ist, derart, daß die Diode parallel und in entgegengesetzter Richtung zum erstgenannten Solarbatterieelement liegt. Mehrere derartige Parallelschaltungen liegen elektrisch in Reihe hintereinander.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solargen.erator der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß er einen einfacheren Aufbau besitzt und daß insbesondere auf das Einlöten kleinerer Elemente verzichtet werden kann, um somit die Herstellungszeit zu verkleinern und die Betriebszuverlässigkeit zu vergrößern.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegeben. 0
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Solargenerator nach der Erfindung mit wenigstens einer amorphen Solarbatterie ist so ausgebildet, daß die; Solarbatterie wenigstens ein als Ausgangselektrode dienendes
TER MEER · MPLLER ■ STEINMEIS'TER
loitfähiges 5-iubstrat, auf dem Substrat angeordnete amorphe Schichten zur Bildung einer Übergangsstruktur aus einer p-leitenden, eigenleitenden und einer η-leitenden Schicht für ein Solarbatterieelement und für eine Schutzdiode, eine Elektrode für das Solarbatterieelement sowie eine Elektrode für die Schutzdiode, die beide auf den amorphen Schichten und getrennt voneinander angeordnet sind, und eine auf einem Substratbereich, in dem keine amorphen Schichten vorhanden sind, liegende Anschlußelektrode aufweist.
Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besitzt der Solargenerator mehrere amorphe Solarbatterieelemente, wobei die Elektrode eines amorphen Solarbatterieelementes mit der Anschlußelektrode des benachbarten amorphen Solarbatterieelementes und die Elektrode der Schutzdiode mit der Anschlußelektrode des anderen benachbarten amorphen Solarbatterieelementes verbunden sind.
Ein amorphes Solarbatterieelement kann beispielsweise nur eine einzige Übergangsstruktur enthalten. Es kann aber auch mehrere übereinanderliegende Übergangsstrukturen aufweisen.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, Es zeigen:
Fig. 1 einen konventionellen Solargenerator mit mehreren Solarbatterieelementen, denen jeweils eine Schutzdiode zugeordnet ist,
30
Fig. 2 ein Schaltdiagramm des Solargenerators nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Strom-Spannungscharakteristik des Solargenerators nach Fig. 1,
5
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— 7 —
Fig. 4 einen Solargenerator nach der Erfindung mit mehreren Solarbatterieelementen, die jeweils nur eine einzige Übergangsstruktur aus amorphen Siliziumschichten besitzen,
5
Fig. 5 ein Schaltdiagramm des Solargenerators nach Fig. 4,
Fig. 6 eine Strom-Spannungscharakteristik des Solargenerators nach Fig. 4 und
10
Fig. 7 einen weiteren Solargenerator nach der Erfindung,
bei dem die Solarbatterieelemente jeweils mehrere Übergangsstrukturen aus halbleitenden Schichten aufweisen.
15
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Solargenerator nach der Erfindung sind gleiche Elemente wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Solargenerator nach Fig. 4 besitzt eine Metallelektrode 12 für die Schutzdiode, die ebenfalls durch die drei amorphen Siliziumhalbleiterschichten 2, 3 und 4 gebildet ist. Die Metallelektrode 12 liegt auf der oberen halbleitendcn Schicht 4 und ist zur selben Zeit durch Vakuumplattierung bzw. Vakuumaufdampfung auf den amorphen Schichten 2, 3 und
4 erzeugt worden, wie die ebenfalls durch Vakuumaufdampfung gebildeten Metallelektroden 6, 7 auf dem transparenten Film
5 bzw. auf dem Substrat 1. Ein Verbindungsdraht 10 dient zur Verbindung einer Metallelektrode 6 eines Solarbatterieelementes mit der Metallelektrode 7 (Anschlußelektrode) eines; benachbarten Solarbatterieelementes. Zur Verbindung der Metallelektrode 12 der Schutzdiode mit der Metallelektrode 7 eines anderen benachbarten Solarbatterieelementes dient der Verbindungsdraht 11.
TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER '
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Der amorphe Siliziumhalbleiter besitzt einen relativen hohen Widerstand, wobei nur der Bereich unterhalb der Flächenelektrode ein wirksamer aktiver Bereich ist. Dementsprechend können gemäß Fig. 4 die amorphen Siliziumschichten unterhalb des transparenten leitfähigen Filmes 5 (Solarbatterieelektrode) als elektrisch vollständig getrennt von den amorphen Siliziumschichten unterhalb der Metallelektrode 12 (Elektrode für die Schutzdiode) angesehen werden.
Der Betrieb dieses Solargenerators ist derselbe wie der Betrieb desjenigen Solargenerators, bei dem zwei voneinander getrennte Dioden auf demselben Substrat angeordnet sind, und bei dem die Elemente gemäß den Fig. 4 und 5 miteinander verbunden sind.
Die erhaltene Strom-Spannungscharakteristik ist in Fig. dargestellt, in der der Einfluß der Schutzdiode leicht zu erkennen ist.
Bei dem Solargenerator nach der Erfindung ist die Schutzdiode auf demselben Substrat und zur selben Zeit wie das Solarbatterieelement gebildet worden. Schutzdiode und Solarbatterieelement liegen also in einer einzigen und aus mehreren Schichten bestehenden Übergangsstruktur. Es ist daher nicht mehr erforderlich, zusätzlich kleine kristalline Siliziumdioden mit dem Substrat zu verlöten, so daß der Herstellungsprozeß des Solargenerators nach der Erfindung einfacher ist. Darüber hinaus besitzt er eine höhere Be-0 triebszuverlässigkeit.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist pro Solarbatterieelement nur eine einzige Übergangsstruktur vorgesehen, die aus den drei genannten amorphen Siliziumhalbleiterschichten 2, 3 und 4 besteht. Selbstverständlich ist
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TER MEER · MÜLLER · STEINMEIST;ER .
es auch möglieh, mehrere dieser Übergangsstrukturen aus amorphen Siliziumschichten pro Solarbatterieelement vorzusehen, wobei die Übergangsstrukturen übereinanderliegend angeordnet sind. Auch in diesem Fall läßt sich eine Schutzdiode in der zuvor beschriebenen Weise erzeugen.
In.der Fig. 7 ist ein derartiger Solargenerator mit mehreren übereinanderliegenden Übergangsstrukturen pro Solarbatterieelement dargestellt. Jeweils ein Solarbatterieelement besitzt dabei drei Übergangsstrukturen aus jeweils drei amorphen Siliziumschichten.
Nach Fig. 7 besitzt jeweils ein Solarbatterieelement wiederum ein leitfähiges Substrat 1. Auf diesem leitfähigen Substrat 1 ist eine Siliziumhalbleiterschicht 2 von einem ersten Leitfähigkeitstyp angeordnet, beispielsweise eine η-leitende Schicht. Eine daraufliegende Halbleiterschicht 13 (I) besteht beispielsweise aus einer eigenleitenden amorphen Legierung mit tetraedrischer Bindung, beispielsweise aus a-SiGe:H. Die Halbleiterschicht 14 (II) besteht ebenfalls aus einer eigenleitenden amorphen Legierung mit tetraedrischer Bindung, beispielsweise aus a-Si:H. Dagegen besteht die Halbleiterschicht 15 (III) aus einer eigenleitenden amorphen Legierung mit tetraedrischer Bindung, wie z. B. a-SiN:H. Die dargestellten weiteren drei Schichten 4 bestehen jeweils aus amorphem Siliziumhalbleitermaterial vom zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise aus p-leitendem Material. Auf der oberen Halbleiterschicht 4 ist ein transparenter bzw. lichtdurchlässiger und elektrisch leitender Film 5 angeordnet, der mehrere Metallelektroden 6 trägt, die als Stromkollektoren dienen. Außerhalb des Bereiches der Halbleiterschichten befinden sich auf dem Substrat 1 eine Metall- bzw. Anschlußelektrode 7 auf jeder Seite der genannten Halbleiterschichten. Auf der obersten HaIbleiterschicht 4 ist darüber hinaus eine Metallelektrode 12
BAD
TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTiER
angeordnet, um den Bereich der Schutzdiode innerhalb der genannten Übergangsstrukturen festzulegen. Der Verbindungsdraht 10 dient als Anschlußdraht für das Solarbatterieelement, während der Verbindungsdraht 11 als Anschlußdraht für die Schutzdiode dient.
Die Wirkungsweise des Solargenerators nach Fig. 7 entspricht im wesentlichen der Wirkungsweise des Solargenerators nach Fig. 4, bei dem nur eine Übergangsstruktur pro Solarbatterieelement vorhanden ist, das Strom erzeugt, wenn es mit Licht bestrahlt wird.
Der transparente und für Licht durchlässige elektrisch leitfähige Film 5 und die Metallelektroden 6, 7 und 12 können darüber hinaus nicht nur durch Vakuumaufdampfung sondern auch mit Hilfe geeigneter Sputterverfahren, Siebdruckverfahren oder anderer geeigneter Verfahren erzeugt werden.
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Claims (5)

  1. TE R MEER-MÜLLER-STEINMEISTER PATENTANWÄLTE-EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
    Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl. Ing. F. E. Müller Mauerkircherstrasse 45 D-8O0O MÜNCHEN 80
    Dipl. Ing. H. Steinmeister Artur-Ladebeck-Strasse 51 D-4800 BIELEFELD 1
    F-3640-02
    Mü/Ur/sm
    14. Mai 1985
    Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha 2-3, Marunouchi 2-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan
    Solargenerator
    Priorität: 15. Mai 1984, Japan, Ser. No. 59-97848 (P)
    PATENTANSPRÜCHE
    'li Solargenerator mit wenigstens einer amorphen Solarbatterie, dadurch gekennzeichnet daß die Solarbatterie wenigstens
    - ein als Ausgangselektrode dienendes leitfähiges Substrat (1) ,
    - auf dem Substrat (1) angeordnete amorphe Schichten (2, 3, 4) zur Bildung einer Übergangsstruktur aus einer p-leitenden, eigenleitenden und einer η-leitenden Schicht für ein Solarbatterieelement und für eine Schutzdiode,
    - eine Elektrode (5, 6) für das Solarbatterieelement sowie eine Elektrode (12) für die Schutzdiode, die
    TER MEER · MÖLLER · STEINMElS"TER
    beide auf den amorphen Schichten (2, 3, 4) und getrennt voneinander angeordnet sind, und - eine auf einem Substratbereich, in dem keine amorphe Schichten (2, 3, 4) vorhanden sind, liegende Anschlußelektrode (7) aufweist.
  2. 2. Solargenerator nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere amorphe Solarbatterieelemente enthält j und daß die Elektrode (5,6) eines amorphen Solarbatterieelementes mit der Anschlußelektrode (7) des benachbarten amorphen Solarbatterieelements und die Elektrode (12) der Schutzdiode (1, 2, 3, 4, 12) mit der Anschlußelektrode (7) des anderen benachbarten Solarbatterieelementes verbunden sind.
  3. 3. Solargenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein amorphes Solarbatterieelement nur eine einzige Übergangsstruktur 0 (2, 3, 4) enthält.
  4. 4. Solargenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein amorphes Solarbatterieelement mehrere übereinanderliegende Übergangs-
  5. 5 strukturen (2,13, 4; 2,14, 4; ...) enthält.
DE19853517414 1984-05-15 1985-05-14 Solargenerator Withdrawn DE3517414A1 (de)

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