WO1999038217A1 - Elektrostatische ableitung für solarzellen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to an electrostatic discharge (ESD) protection for solar cell assemblies (SCA), in particular for use as a component of solar generators that are in orbit, the SCA consisting of a cover glass provided with conductive vapor deposition, an adhesive layer and a Solar cell is built.
  • ESD electrostatic discharge
  • DE 36 06 464 A1 discloses a device on solar generators for preventing static charging, the surface and the side surfaces of the cover glass and the adhesive layer being electrically conductive.
  • ESD protection is necessary to prevent the cover glasses of the solar cells (silicon or gallium arsenide) from charging to an impermissibly high potential in orbit. Inadmissibly high charge potentials lead to the destruction of sensitive electronic components on the satellite or even to the failure of the entire solar generator.
  • the object of the invention is to provide a safe discharge for the electrostatic charging of solar cells in space applications Disruptions to the solar cells and carriers (panels) can be avoided and a discharge-free environment for the highly sensitive instruments on a satellite is created.
  • the concept of the invention is that the resulting charge potential on the cover glasses is not derived as in the prior art by means of an entire conductive surface layer, but rather the cover glass of each cell is individually grounded to the solar cell itself.
  • FIG. 1 shows a solar cell assembly (SCA) according to the invention in an axonometric representation and FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of a solar cell with a conductive one
  • SCA solar cell assembly
  • Each of the side surfaces 14, 16, 18, 20 of the SCA is formed from the sides of the cover glass 4 with vapor deposition 6, the side of the adhesive layer 8 and the sides of the p-layer 26 and the n-layer 24 of the solar cell 10.
  • a conductive layer 22 that connects the conductive vapor deposition 6 and the solar cell 10 to one another in a conductive manner.
  • the p-layer 26 is short-circuited at the edge with the n-layer 24, as shown in the equivalent circuit diagram of FIG. 4.
  • the conductive layer 22 is shown in FIG. 2 as a dark colored strip on the side surface 14 of the SCA and in FIG. 1 as a dark coloring of the entire side surface 14 of the SCA 2. 3, the conductive layer 22 is shown in black.
  • the conductive layer 22 shown in FIG. 3 can also be a conductive material strip or a conductive polymer which is firmly connected to the side surface 14 of the SCA.
  • the application of a conductive layer over the N-P edge of the solar cell creates an additional parallel resistance which slightly changes the efficiency of the solar cell. If one regards a solar cell as a parallel connection of any number of infinitesimally small individual current sources, the ESD resistor only loads one source at the edge. This was also confirmed by measurements of the forward resistance after sputtering.
  • the aim when applying this conductive layer is to achieve a resistance ⁇ ESD from z ' r ⁇ a 1 kohm to 10 kohm. This resistance is completely sufficient to achieve a discharge of the charge potentials and is nevertheless large enough not to negatively influence the efficiency of the solar cell.
  • the process is made even cheaper if the conductive layer is produced by a liquid applied conductive layer.
  • the adhesive strength can be achieved by priming the cell edge.
  • the ESD protection can already be applied during the SCA production within the automation line without extending the production times.
  • the applied layer fulfills all space-specific requirements such as temperature, radiation and vibration resistance. - There are no costs for the generator production itself. The previous manufacturing process does not have to be changed. This makes it possible to equip all future solar generators with ESD protection.
  • the area occupancy of the panel structures can be increased, as compared to the previous ESD solutions, a complex system of grounding conductors is no longer required.
  • the ESD grounding process can be controlled within a very narrow range by checking a few parameters. Any problems are limited to individual SCA's and not, as previously, to fully assembled solar generators.

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Abstract

Electro static discharge (ESD) Schutz für Solar Cell Assembly (SCA), insbesondere für die Verwendung als Bauteil von Solargeneratoren, die sich im Orbit befinden, wobei die SCA aus einem mit einer leitfähigen Bedampfung versehenen Deckglas, einer Klebeschicht und einer Solarzelle aufgebaut ist, und mindestens ein Teil einer Seitenfläche (14, 16, 18, 20) der SCA (2) mit einer leitfähigen Schicht (22) versehen ist, die die leitende Schicht (6) auf dem Deckglas (4) und die Solarzelle (10) leitend verbindet.

Description

Beschreibung:
Elektrostatische Ableitung für Solarzellen
Die Erfindung betrifft einen Electro static discharge (ESD) Schutz für Solar Cell Assembly (SCA), insbesondere für die Verwendung als Bauteil von Solargeneratoren, die sich im Orbit befinden, wobei die SCA aus einem mit einer leitfähigen Bedampfung versehenen Deckglas, einer Klebeschicht und einer Solarzelle aufgebaut ist.
Aus DE 36 06 464 A1 ist eine Einrichtung an Solargeneratoren zur Verhinderung statischer Aufladung bekannt, wobei die Oberfläche und die Seitenflä- chen des Deckglases sowie die Klebeschicht elektrisch leitfähig sind.
ESD Schutz ist notwendig, um zu vermeiden, daß sich die Deckgläser der Solarzellen (Silizium oder Gallium Arsenid) im Orbit auf ein unzulässig hohes Potential aufladen. Unzulässig hohen Ladungspotentiale führen zur Zerstö- rung von empfindlichen elektronischen Komponenten auf dem Satelliten oder sogar zum Ausfall des gesamten Solargenerators.
Für diesen ESD Schutz sind zur Zeit zwei verschiedene Methoden entwickelt und für Raumfahrtanwendungen qualifiziert worden. Beiden Methoden ge- meinsam ist der hohe Kostenaufwand und die eingeschränkte Umsetzung zu einer reproduzierbaren, einfachen und vor allem billigen Serienfertigung. Beim CLUSTER Satellitenprojekt verwendete technische Lösung: Beim CLUSTER Solargenerator werden aufgrund der zylindrischen Form die leitfähigen Deckgläser mittels Spiralwires gemeinsam kontaktiert und geerdet. Dieses Prinzip hat sich bewährt, weist aber mehrere Nachteile auf: - kann nur bei zylindrischen Generatorflächen bis zu einem bestimmten Krümmungsradius angewendet werden. Funktioniert nur bei einer niedriger Satelliten Spinrate. Erschwert und verteuert nach der Montage eventuell notwendige Zellreparaturen, da die aufgebrachten Spiralwires entfernt werden müssen und nicht wieder verwendet werden können.
Beim X MM-Satellitenprojekt verwendete technische Lösung: Bei diesem Prinzip werden die Zellzwischenräume mit sogenannten Kleberkreuzen versehen und anschliessend mittels Leitkleber kleine Silberplättchen aufgebracht. Dadurch entsteht eine Verbindung aller leitfähigen Deckgläser, die gemeinsam geerdet werden, ohne jedoch Kontakt zu den einzelnen Solarzellen zu haben.
Folgende Nachteile haben sich ergeben:
- hoher Arbeitsaufwand. Mehrere tausend Kleberkreuze müssen von Hand mittels Injektor aufgebracht werden.
Nach der Fertigung ist ein aufwendiger Reinigungsprozess notwendig, um störende Kleberreste zu entfernen.
Nicht auszuschliessende Fertigungstoleranzen können zu Kurzschlüssen führen, die erhebliche Nacharbeiten notwendig machen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine sichere Ableitung für die elektrostatische Aufladung von Solarzellen bei Raumfahrtanwendungen zu schaffen, damit Störungen an den Solarzellen und Trägern (Panels) vermieden werden und eine entladungsfreie Umgebung für die hochempfindlichen Instrumente auf einem Satelliten geschaffen wird.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Konzept der Erfindung ist, dass das entstehende Ladungspotential auf den Deckgläsern nicht wie beim Stand der Technik mittels einer gesamten leitfähigen Oberflächenschicht abgeleitet wird, sondern das Deckglas einer jeden Zelle einzeln auf die Solarzelle selbst geerdet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Fig. näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 , 2 und 3 eine erfindungsgemässe Solar Cell Assembly (SCA) in axono- metrischer Darstellung und Fig. 4 ein Ersatzschaltbild einer Solarzelle mit einer leitfähigen
ESD-Schicht.
Fig. 1 , 2 und 3 zeigen eine Solar Cell Assembly (SCA) 2, die aus einem Deckglas 4 mit leitfähiger Bedampfung 6, einer Kleberschicht 8 und einer Solarzelle 10 besteht, die eine n-Schicht 24 und eine p-Schicht aufweist. Jede der Seitenflächen 14,16, 18, 20 der SCA wird gebildet aus den Seiten des Deckglases 4 mit Bedampfung 6, der Seite der Kleberschicht 8 und den Seiten der p-Schicht 26 und der n-Schicht 24 der Solarzelle 10.
Erfindungsgemäss befindet sich mindestens an einer Seitenfläche 14, 16, 18, 20 (Fig. 1 ) oder einem Streifen mindestens einer der Seitenflächen (Fig. 2) der SCA eine leitfähige Schicht 22, die die leitfähige Bedampfung 6 und die Solarzelle 10 leitend miteinander verbindet. Dabei wird die p-Schicht 26 mit der n-Schicht 24 an den Kante kurzgeschlossen, wie es im Ersatzschaltbild von Fig. 4 gezeigt ist. Die leitfähige Schicht 22 ist in Fig. 2 als dunkel eingefärbter Streifen an der Seitenfläche 14 der SCA und in Fig. 1 als dunkle Einfärbung der gesamten Seitenfläche 14 der SCA 2 dargestellt. In Fig. 3 ist die leitfähige Schicht 22 schwarz dargestellt. Die in Fig. 3 gezeigte leitfähige Schicht 22 kann auch ein leitfähiger Materialstreifen oder ein leitfähiger Polymer sein, der mit der Seitenfläche 14 der SCA fest verbunden ist.
Wie in dem Ersatzschaltbild (Fig. 4) zu sehen ist, wird durch die Anbringung einer leitfähigen Schicht über die N-P Kante der Solarzelle ein zusätzlicher Parallelwiderstand geschaffen, der den Wirkungsgrad der Solarzelle, geringfügig verändert. Betrachtet man eine Solarzelle als eine Parallelschaltung be- liebig vieler infinitesimal kleiner einzelner Stromquellen, so wird durch den ESD Widerstand nur eine Quelle an der Kante belastet. Dies wurde auch durch Messungen des Durchlaßwiderstandes nach dem Sputtern bestätigt.
Ziel bei der Aufbringung dieser leitfähigen Schicht ist es, einen Widerstand ^ESD von z'r^a 1 kohm bis 10 kohm zu erreichen. Dieser Widerstand ist vollkommen ausreichend, um ein Ableiten der Ladungspotentiale zu erreichen und dennoch groß genug, um den Wirkungsgrad der Solarzelle nicht negativ zu beeinflussen.
Das Aufbringen des ESD Widerstandes und die Auswahl der Materialien ist abhängig von der Anwendung. Beispiele für Raumfahrtanwendungen sind nachfolgend erläutert: - 5 -
. Sputtern von atomaren Goldschichten (Schichtdicke 5 nm bis 30 nm)
Damit kann eine niederohmige Schicht auf den Zellrand aufgebracht werden. Erste Vorversuche durch Sputtern haben gezeigt, daß sich bereits in weniger als 1 Minute ein Ableitwiderstand von 3 kohm erzeugen ließ. Der Durchlaßwiderstand der Solarzelle veränderte sich dabei von 496 Ohm vorher auf 485 Ohm nach dem Sputtern. Eine Veränderung des Sperrwiderstands hat sich nicht messen lassen.
2. Aufdampfen von Silizium, Gold oder ITO (Indium Titanoxid)
Neben dem Sputtern ist das Aufdampfen von leitfähigen Schichten möglich. Die Vorteile entsprechend dem des Sputtern. Es werden dünne Schichten erzielt.
3. Aufkleben von leitfähigen Streifen oder leitfähiger Farbe/Kleber
Es ist eine weitere Verbilligung des Prozesses, wenn die leitfähige Schicht durch eine flüssig aufgebrachte Leitschicht erzeugt wird. Die Haftfestigkeit kann durch Primern der Zellkante erreicht werden.
Zudem verbessert dies die Isolation des N-P Übergangs. Nachteilig könnte sich die geringe Strahlungsfestigkeit von Polymerverbindungen im Orbit auswirken.
Da der thermische Ausdehnungskoeffizient des Deckglases als auch der Solarzelle selbst bereits genau aufeinander abgestimmt sind, besteht nur ein sehr geringes Risiko, dass eine aufgebrachte leitfähige Schicht durch thermi- - 6 -
sche Spannungen reißt. Ein besonderer Schutz (Stress Relief) ist daher nicht notwendig.
Da beim erfindungsgemässen Verfahren jede Zelle für sich ESD geschützt ist, sind nur sehr hochohmige Ableitwiderstände notwendig, um einen ausreichenden ESD Schutz zu gewährleisten. Geht man von einem Aufladungs- ström von 1*10 Noxvr aus, so würde ein ESD Widerstand von 5 Mohm pro Zelle ausreichen, um eine maximale Deckglasaufladung von 0,1V zu gewährleisten. Dies entspricht selbst höchsten ESD Anforderungen.
Legt man nun zugrunde, dass ein bei der Herstellung aufgebrachter ESD Widerstand von 1 kohm den Solarzellenwirkungsgrad nicht negativ beeinflußt, und 5 Mohm vollkommen ausreichend sind, dann entspricht dies einem Sicherheitsfaktor von 5000. Damit sind alle eventuellen Fertigungstoleranzen und weiteren Degradationseffekte hinreichend abgedeckt. Das Verfahren ist damit Fehlertolerant.
Vorteile der Erfindung
Deutliche Verbilligung des Fertigungsverfahrens. - Da bei diesem Verfahren jede einzelne Zelle selbst ESD geschützt ist, entfällt jegliche Generator-, und Kundenspezifische ESD Konstruktion und Qualifikation.
Der ESD Schutz kann bereits während der SCA Fertigung innerhalb der Automationsline aufgebracht werden, ohne dass sich dadurch die Fertigungszeiten verlängern.
Es können die bisher üblichen ITO beschichteten Deckgläser verwendet werden. Es entstehen damit keine zusätzliche Kosten. - 7 -
Dieses neue ESD Erdungskonzept erfordert keine zusätzliche Masse. (10 nm Goldschicht pro Zelle ist vernächlässigbar)
- Die aufgebrachte Schicht erfüllt alle raumfahrtspezifischen Anforderungen wie Temperatur-, Strahlungs-, und Vibrationsbeständigkeit. - Bei der Generatorfertigung selbst entstehen keine Kosten. Der bisherige Fertigungsprozess muss nicht verändert werden. Es bietet sich damit die Möglichkeit, alle zukünftigen Solargeneratoren mit einem ESD Schutz auszurüsten.
- Die Flächenbelegung der Panelstrukturen kann erhöht werden, da gegenüber den bisherigen ESD Lösungen ein aufwendiges System von Erdungsleitern nicht mehr erforderlich ist.
- Zuverlässigkeit: Der ESD Erdungsprozess kann durch Kontrolle von wenigen Parametern in sehr engen Grenzen kontrolliert werden. Eventuelle Probleme beschränken sich damit auf einzelne SCA's und nicht wie bisher auf fertig montierte Solargeneratoren.
Die Wirkungsgradverluste dieses neuen ESD Konzeptes liegen deutlich unter den bisher üblichen 1-2 %.
- 8 -
Bezugszeichenliste
2 Solar Cell Assembly (SCA) - Solarzelleneinheit
4 Deckglas
6 leitfähige Bedampfung
8 Kleberschicht
10 Solarzelle, bestehend aus n-Schicht 24 und p-Schicht 26 14
\
16 - Seitenflächen der SCA 18 //
0 2 leitfähige Schicht 4 n-Schicht 6 p-Schicht

Claims

- 9 -Patentansprüche:
1. Electro static discharge (ESD) Schutz für Solar Cell Assembly (SCA), insbesondere für die Verwendung als Bauteil von Solargeneratoren, die sich im Orbit befinden, wobei die SCA aus einem mit einer leitenden Schicht versehenen Deckglas, einer Klebeschicht und einer aus einer n-Schicht und einer p-Schicht bestehendenSolarzelle aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Streifen einer Seitenfläche (14, 16, 18, 20) der SCA (2) mit einer leitfähigen Schicht (22) versehen ist, die die leitende Schicht (6) auf dem Deckglas (4) und die Solarzelle (1 0) verbindet und die p-Schicht (26) mit der n-Schicht (24) an der Kante kurzschliesst.
2. ESD Schutz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenfläche (14, 16, 18, 20) der SCA (2) mit der leitfähigen Schicht
(22) versehen ist.
3. ESD Schutz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Seitenflächen (14, 16, 18, 20) der SCA (2) mit der leitfähigen Schicht (22) versehen sind.
4. ESD Schutz nach einem der Ansprüche 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht (6) auf dem Deckglas (4 ) eine leitfähige Bedampfung ist, die aus Indium Zinn-Oxid (ITO) besteht.
ESD Schutz nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Seitenfläche (14, 16, 18, 20) der SCA (2) befind- - 10 -
liehe leitfähige Schicht (22) eine Goldschicht mit einer Schichtdicke von 5 nm bis 30 nm ist, die mitteis Sputtern aufgebracht wird.
6. ESD Schutz nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Seitenfläche der SCA befindliche leitfähige Schicht
(22) aus ITO oder Gold oder Silizium besteht und durch Aufdampfen aufgebracht ist.
7. ESD Schutz nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Seitenfläche (14, 16, 18, 20) der SCA (2) befindliche leitfähige Schicht (22) ein leitfähiger Materialstreifen oder ein leitfähiger Polymer ist.
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