CH329186A - Einrichtung zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

      Einrichtung        zur    Umwandlung von     Sonnenstrahlung    in elektrische Energie  und     Verfahren    zu     ihrer    Herstellung    Die vorliegende Erfindung bezieht sich  auf eine Einrichtung zur Umwandlung von       Sonnenstrahltmg    in     elektrische    Energie, vor  zugsweise zur Ladung einer Batterie.  



  Die Erfindung bezweckt die Verwertung  von Sonnenenergie zur ökonomischen Erzeu  gung elektrischer Energie. Durch die     Aus-          nützung    der Sonnenenergie während der Zeit,  in der sie verfügbar ist, zur     Aufladung    einer  Sammlerbatterie wird eine     ununterbrochene     Lieferung von elektrischer     Energie    ermög  licht.  



  Der Gedanke, die Sonnenstrahlung in elek  trische Energie umzuwandeln, hat seit Jahren  die Menschheit beschäftigt. Das Sonnenlicht  ist die allgemeinste, am leichtesten zugängliche  und am ökonomischsten greifbare Energie  form auf der Erde. Obwohl eine ganze An  zahl von Vorschlägen bisher zur Ausnützung  der Sonnenenergie gemacht worden sind, hat  sich kein einziger     als    für die praktische Be  nutzung wirksam genug     erwiesen.    Es hat sich  bisher mit den bekannten Mitteln kein Gesamt  wirkungsgrad von über einem Prozent ver  wirklichen lassen.  



  Eine der hauptsächlichsten Schwierigkeiten  zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades  war bei den bisher bekanntgewordenen Vor  schlägen, dass dieselben stets die Sonnen  energie als Wärmequelle zur Erhitzung eines    geeigneten Mediums benutzten und     -dann.    die  erzielte Temperaturerhöhung dieses Mediums  zur Erzeugung     elektrischer    Energie verwen  den wollten. Derartige Vorschläge können  notwendigerweise nur einen geringen Wir  kungsgrad ergeben, insbesondere wegen der  hohen thermischen Verluste durch Wärme  ableitung während der periodisch auftretenden  Heizpausen.  



  Die vorliegende Erfindung verwendet da  gegen eine besonders ausgebildete, hochwirk  same     P-N-Grenzschicht    in einem Halbleiter=       körper    als Umformer für die Sonnenenergie.  



  In elektronischen Halbleitern findet die  Stromleitung     mittels    zweier Arten von La  dungsträgern, den Elektronen und den so  genannten  Fehlstellen  oder  Löchern  statt.  Diese Ladungsträger können     iin    Halbleiter auf  verschiedene Weise erzeugt werden, darunter  auch durch Beimischung gewisser Fremd  elemente, die entweder einen Überschuss oder  einen Mangel an     Valenzelektronen    besitzen,  und damit eine Quelle freier Elektronen oder  Löcher bilden, die durch geringe     Energie-          beaufsehlagung    des     Kristalles    von aussen her  beeinflusst werden können.

   Halbleiter mit vor  wiegender Stromleitung durch Elektronen wer  den als     N-leitend,    während jene mit vorwie  gender Stromleitung durch Löcher als     P-lei-          tend    bezeichnet werden. Die Übergangszone      zwischen Gebieten unterschiedlichen     Leit-          fähigkeitstyps    innerhalb eines Halbleiter  hörpers wird     als        P-N-Grenzschicht    bezeichnet.  



  Es ist bereits bekannt, dass auf eine     P-N-          Grenzschicht    auftreffendes Licht geeigneter  Wellenlänge als äussere Energiequelle dient  und     Elektronen-Loch-Paare    erzeugt. Infolge  der an der     P-N-Grenzschicht    vorhandenen Po  tentialdifferenz bewegen sich Elektronen und  Löcher über     --dieselbe.    in entgegengesetzter  Richtung, was einem     Stromfluss    entspricht,  der elektrische Leistung an einen äussern  Stromkreis abzugeben vermag.

   Jedoch wurden  bisher     lichtelektrische    Einrichtungen dieser  Art nicht als Energiequellen verwendet, da  dieselben in ihrer üblichen Gestalt völlig un  geeignet zur Erzielung eines annehmbaren       Wirlaingsgrades    sind. Insbesondere ist bisher  nicht erkannt worden, dass dieselben zur Lie  ferung einer ausreichenden Leistung zur Auf  ladung einer     Sammelbatterie    und zur Ausfüh  rung jeder andern brauchbaren Arbeit aus  gebildet werden .können.  



  Derartige Einrichtungen sind aber für den  genannten Zweck besonders gut geeignet, da  eine aufzuladende Batterie     als    Verbraucher  ihren Widerstand in Abhängigkeit vom Lade  strom derart ändert, dass sie der Widerstands  variation einer     P-N-Grenzschicht        unter    dem       Einfluss    auftreffender     Strahlung    entspricht, so       dass    die Einrichtung auf einen     in    einem brei  ten Intensitätsbereich der auftreffenden Licht  energie- gut angepassten Verbraucher arbeitet.  



  Es gibt verschiedene Faktoren, die einen  nachteiligen Einfluss auf     einen    guten Wir  kungsgrad haben. So weist     beispielsweise    die  übliche Halbleiteroberfläche die     Eigenschaft     auf, einen grossen     Teil    der auftreffenden       Strahlung    zu reflektieren, was zu einer Ver  minderung der zur Umwandlung zur Ver  fügung stehenden Energie führt. Ferner kann  die     Rekombination    von     Elektronen-Loch-          Paaren    vor dem Erreichen der     P-N-Grenz-          schicht    eine Ursache erheblicher Verluste sein.

    Auch ist die     Eindringtiefe    der Sonnenstrah  lung in einen Halbleiterkörper in deren  brauchbaren     Spektralbereich    extrem gering, so       dass,    es mit Rücksicht hierauf erforderlich ist,    die     P-N-Grenzschieht    so dicht wie möglich an  der Körperoberfläche vorzusehen. Dies ist aber  unvereinbar mit der andern Forderung, dass  zur Verhütung von Verlusten der Widerstand  der Oberflächenschicht und der Anschlüsse an  dieselbe möglichst niedrig sein soll.  



  Die erfindungsgemässe Einrichtung zur       Umwandlung    von Sonnenstrahlung in elektri  sche Energie besteht aus einer     Silicium-Photo-          zelle    vom     P-N-Typ    und ist dadurch gekenn  zeichnet, dass eine der beiden Leitfähigkeits  zonen eine Dicke von ungefähr der Diffusions  länge der in der Minderzahl vorhandenen La  dungsträger besitzt und an beiden Zonen       ohmische    Anschlüsse vorhanden sind.  



  Die Wahl von Silicium als Halbleiter  material ergibt von vornherein gewisse Vor  teile. Silicium ist nach Sauerstoff das am  meisten vorkommende Element der Erdkruste.  Ferner     erleichtert    die Verwendung von Sili  cium die erforderliche Verringerung der Re  flexionsverluste, da sich eine     Siliciumober-          fläche,    wenn dieselbe ohne Schutzschicht der  Atmosphäre ausgesetzt wird, mit einer Oxyd  haut bedeckt, deren Brechungsindex in der  Mitte zwischen demjenigen der Atmosphäre  und demjenigen des     Siliciumkörpers    gelegen  ist, also die Reflexion vermindert. Dadurch  kann auch eine etwa noch vorzusehende  Schutzschicht sehr dünn gehalten werden.  Darüber hinaus ist Silicium bei den Betriebs  temperaturen eine sehr beständige Substanz.  



  Auch die     -\Nrahl    von Bor als     Akzeptor-          Fremdsubstanz,    um auf dem     Siliciumkörper     eine Oberflächenschicht vom     P-Leitfähigkeits-          typ    zu bilden, bietet weitere wesentliche Vor  teile. Durch     Eindiffundieren    von Bor aus der  Dampfphase in einen     Siliciumkörper    vom     N-          Leitfähigkeitstyp    kann eine dünne, gleich  mässige Oberflächenschicht niederen Wider  standes vom     P-Leitfähigkeitstyp    erzeugt wer  den.

   Dadurch wird die Herstellung einer  Schicht vom     P-Leitfähigkeitstyp    mit derart  geringer Dicke möglich, dass sie für die auf  treffende     Strahlung    nahezu transparent ist und  genügend niedrigen Widerstand zur Vermei  dung hoher innerer Verluste aufweist. Fer-      per hat sich herausgestellt, dass eine     Elektro-          plattierung    auf dieser dünnen     p-leitenden     Schicht möglich ist, womit ein     niederohmiger          Leitungsanschluss    geschaffen werden kann.

    Dies ist nicht der Fall bei zahlreichen andern  Schichttypen, welche stets ein Sandstrahlen  vor der     Elektroplattierung    erfordern, was im  vorliegenden Fall nicht durchführbar ist, es  sei denn, es werden Massnahmen zur Vergrö  sserung der Dicke der     P-Zone    getroffen. Fer  ner hat sich ergeben, dass eine eindiffundierte       Borschicht        dieser    Art ausserordentlich be  ständig ist, was eine hohe Lebensdauer gewähr  leistet.  



  In einem Ausführungsbeispiel der vor  liegenden Erfindung sind mehrere Silicium  elemente der beschriebenen Art     hintereinan-          dergeschaltet    zwecks     Aufladung    einer Samm  lerbatterie. Bei einer Apparatur der vorlie  genden Art ist die Abtrennung des Silicium  elementes von der Sammlerbatterie stets dann  erforderlich, wenn die     Siliciumzelle    keinen  Ladestrom liefert, damit sich die Batterie  nicht über die     Siliciumzelle    entladen kann.

    Zu diesem Zweck ist mit der Sammlerbatterie  und der     Siliciümzelle    ein Gleichrichter in Serie  geschaltet, der gegenüber dem Ladestrom einen  niedrigen, gegenüber dem     Entladestrom    der  Batterie aber einen hohen Widerstand dar  stellt.  



  Einrichtungen der beschriebenen Art sind  besonders zur Verwendung für Verstärker  stationen in einem     Trägerfrequenztelephonie-          Fernleitungsnetz    geeignet. Bei einem der  artigen Fernsprechsystem sind die Verstärker  in grosser Zahl über bedeutende Entfernun  gen verteilt und die Stromversorgung der  selben mit den üblichen Mitteln bedingt einen  beträchtlichen Aufwand. Eine Verstärker  station dieser Art     benötigt    zum Betrieb eine  Leistung von etwa 0,2 Watt.

   Es ist anzuneh  men, dass in den meisten Gegenden ein Um  former für Sonnenenergie für eine Leistung  von etwa einem Watt bei normaler Sonnen  bestrahlung ausreicht, um eine Sammler  batterie für die Speisung einer derartigen       Verstärkerstation    im aufgeladenen Zustand zu  halten.    Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist  nachstehend an Hand der     Fig.1    und 2 näher  erläutert. Hierbei zeigt       Fig.1    einen Querschnitt durch eine     P-N-          Siliciumphotozelle,          Fig.    2 ein Schaltbild mit einer Reihen  schaltung mehrerer Photozellen nach     Fig.1     zur Ladung einer Sammlerbatterie.  



  Die in     Fig.1    dargestellte Zelle 10 ent  spricht einer in der Praxis erprobten Bau  form, mit einer     Leistungsabgabe    bei Sonnen  bestrahlung von über 55 Watt pro m2 Ober  fläche an einen Widerstand. Die Zelle besteht  aus einem     Siliciumkörper    11 mit     rechteckigen-          Ober-    und Unterseiten.

       Das    Körperinnere be  steht aus einer Zone 12 vom     N-Leitfähigkeits-          typ    mit einem Widerstand von ungefähr 0,1  Ohm cm und einer äussern Zone 13 des     P-          Leitfähigkeitstyps,    die durch     Eindiffundieren     von Bor erzeugt wurde und einen Widerstand  von etwa 0,001 Ohm cm aufweist.

   Es ist er  wünscht, dass beide Zonen niedrigen Wider  stand     besitzen,    um die innern Verluste klein  zuhalten und die am Ausgang auftretende  Klemmenspannung bei Belastung hoch zu hal  ten, jedoch ist von ebenso grosser Bedeutung,  dass ein grosser Unterschied der Widerstands  werte beider Zonen vorhanden ist, um ein un  günstiges Verhalten gegenüber einem Strom in  Sperrichtung zu vermeiden. Ferner ist von  besonderer Bedeutung, dass die     P-Zone    einen  niedrigen Widerstand besitzt, um die     Anbrin-          gLtng        niederohmiger    Anschlüsse zu erleichtern.

    Der erwünschte Widerstandsunterschied der  beiden die     P-N-Grenzschicht    bildenden Zonen  lässt sich durch einen höheren Widerstand der  Zone 12 vom     N-Leitfähigkeitstyp    leicht reali  sieren. Ferner ist für eine möglichst     wirksame          Ausnützung    der auftreffenden Strahlung eine  extrem dünne     P-Zone    13 vorteilhaft, minde  stens an der Frontseite 14, damit dieselbe für  die auftreffende Strahlung möglichst gute  Transparenz aufweist, die möglichst bis  dicht an *die     P-N-Grenzschicht    eindringen soll,  um die     Rekombinationsverluste    zu verringern.

    Zur Erzielung einer ausreichenden Ausgangs  leistung ist es besonders wichtig, dass die P-      Schicht     nicht    dicker als die Diffusionslänge  der     in    Minderzahl vorhandenen     Ladungsträ-           ger,    also in der     P-Schicht    der Elektronen, ist.       Im    dargestellten Ausführungsbeispiel ist die  Schicht 13 vom     P-Leitfähigkeitstyp    nicht  dicker als 0,0025 mm, während die Zone vom       N-Leitfähigkeitstyp    eine Dicke von etwa 1 mm  besitzt.

   Ein     derartiger    Halbleiterkörper kann  durch Erhitzung einer     Siliciumscheibe    des N  Leitfähigkeitstyps mit 0,3 Ohm cm Widerstand  während 5,5 Stunden bei 1000  C in einer  Atmosphäre von     Bortrichlorid    bei einem       Druck    von 150 mm     Hg        hergestellt    werden. Die       äussere        P-Schicht    wird längs eines zentralen  Bereiches 15 auf der Rückseite abgeätzt, um  einen Streifen der     N-Zone    zum Anbringen  eines     ohmischen    Anschlusses freizulegen.  



  Die     nied'erohmigen    Anschlüsse an die  Zonen vom N- bzw.     P-Leitfähigkeitstyp    er  folgen     -durch    elektroplattierte Überzüge aus  einem geeigneten, nicht als Fremdsubstanz  wirkenden     Metall,    etwa aus     Rhodium,    in Form  von     langgestreckten    Streifen 17, 18, 19 auf der  Rückseite 15 der     Zelle,    so dass die Frontseite  14 vollständig der auftreffenden Strahlung  ausgesetzt werden kann.

   Der mittlere     streifen-          förmige    Überzug 17 steht im     Kontakt    mit der       N-Zone,    während die beidseits hiervon ge  legenen Überzüge 18 und 19     finit    der     P-Zone     Kontakt machen.

   Wie oben bereits kurz er  wähnt, ist es ein Vorteil einer aus eindiffun  diertem Bor bestehenden     P-Schicht,    dass     Rho-          dium    unmittelbar elektrisch     aufplattiert    wer  den     kann,    ohne vorausgehende     Aufrauhung.     Die Bedeutung dieser Eigenschaft ist ver  ständlich angesichts der geringen Dicke von  etwa 0,0025 mm der Schicht vom     P-Leitfähig-          keitstyp.    Umgekehrt besitzen     Siliciiunzellen     mit einer Innenzone vom     P-Leitfähigkeitstyp     eine dünne,

   aus eindiffundiertem Phosphor be  stehende Schicht vom     N-Leitfähigkeitstyp,     welche     Zellenbauweise    eine weniger zweck  mässige Abart der oben beschriebenen Zellen  ist. An die Überzüge 17, 18, 19 werden Kup  ferleitungen zur Abführung der erzeugten Lei  stung angeschlossen, von welchen Leitungen  diejenigen an den Überzügen 18 und 19 posi  tiv gegenüber derjenigen am Überzug 17 sind.    Wie bereits erwähnt, ist     zwecks    Verminde  rung der Reflexionsverluste eine Behandlung  der Frontseite 14 der Zelle erwünscht. Zu       diesem    Zweck kann ein dünner     Polystyren-          Film    20 auf dieser Fläche vorgesehen werden.

    Der Brechungsindex von     Polystyren    ist etwa  1,6 und damit gleich dem geometrischen Mit  telwert aus dein Brechungsindex des freien  Raumes und reinem Silicium, so dass der       Polystyren-Film    eine Verminderung der Re  flexionsverluste bewirkt. Wahlweise kann auch  die     Siliciumoberfläche    durch Erhitzung in  Wasserdampf oxydiert werden, denn die ent  stehende     Oxydschicht    ergibt     ebenso    eine Ver  ringerung der umerwünschten Reflexion.  



  Es ist notwendig, zwischen den Überzügen  18 und 19 einerseits und dem Überzug 17       anderseits    einen hohen Übergangswiderstand  zu schaffen. Aus diesem     Grinde    ist es vor  teilhaft, die Zwischenräume 21 und 22 mit  Wachs oder einer andern geeigneten Isolier  masse zu überziehen, um Kriechwege zu ver  hindern und einen Abschluss gegen das Ein  dringen von Feuchtigkeit zu schaffen.  



  Derzeit erscheint es zweckmässig, die Grösse  der Oberfläche einer einzelnen Zelle zu be  schränken, da ein zu langer Weg für die La  dungsträger im Körper zu hohen     innern        Ver-          hLsten    führt. Für hohe Ströme werden eine  grössere Anzahl von Zellen parallel und für  höhere Spannungen mehrere Zellen in Serie  geschaltet. Bei einem praktisch erprobten Aus  führungsbeispiel einer Zelle der beschriebenen  Art konnte eine     Leerlaufspannung    von 0,52  Volt pro Zelle erzielt werden.  



  Die     Fig.    2 zeigt ein Schaltschema zur Ruf  ladung einer     Sammlerbatterie    30, die einen  durch den Widerstand 32 angedeuteten Ver  braucher speist und ihre Energie aus der  Sonnenstrahlung bezieht. Mehrere Zellen 10  der- oben beschriebenen Art sind     hinterein-          andergeschaltet    und liefern zusammen eine zur  Rufladung ausreichende Spannung. Bei ge  wissen     Anordnungen    mit höherem Ladestrom  als üblicherweise von einer Zelle lieferbar,  können auch mehrere Zellen parallel ge  schaltet werden. Es ist für Zellen dieser Art  charakteristisch, dass bei Erregung der in der      Zelle erzeugte     Stromfluss    in Sperrichtung ver  läuft.

   Daraus folgt, dass bei fehlender Er  regung die Batterie 30 eine     Vorspannung    in       Durchlassrichtung    bewirkt, in welcher die Zelle       niederohmig    ist und dementsprechend eine     nie-          derohmige    Belastung der Batterie 30 dar  stellt, wodurch diese entladen wird. Um diesen  Nachteil zu vermeiden, ist die Einschaltung  eines Gleichrichters 31 zwischen den Zellen 10  und der Batterie 30 notwendig, beispielsweise  einer Kristalldiode, die für den Ladestrom  von den Zellen 10 einen niedrigen, aber für  den entgegengesetzt gerichteten Entladungs  strom aus der Batterie 30 einen hohen Wider  stand bildet.  



  Bei der Verwendung im Freien ist eine An  bringung der Zellen in Schräglage gegenüber  dem Horizont vorteilhaft, wobei der optimale  Winkel von der geographischen Breite abhän  gig ist. Ferner kann die Montage verschie  dener Zellen mit unterschiedlichem Neigungs  winkel zweckmässig sein, um einen gleich  mässigen Mittelwert der gelieferten     Leistung     über den ganzen Tag zu gewährleisten. Es  kann ferner erwünscht sein, zusätzliche Mass  nahmen zur Konzentration des Sonnenlichtes  auf. die Zellen zu treffen, etwa durch An  wendung eines zylindrischen oder paraboli  schen Reflektors, wodurch die     Strahlungs-          beaufschlagung    der Zellen in gewissem Masse  unabhängig vom Sonnenstand wird.

   Selbstver  ständlich können die verschiedenartigsten Mit  tel zur Vergrösserung der auf die Zellen auf  treffenden Lichtmenge vorgesehen werden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Einrichtung zur Umwandlung von Sonnen strahlung in elektrische Energie mit Hilfe einer Silicium-Photozelle vom P-N-Typ, da durch gekennzeichnet, dass eine der beiden Leitfähigkeitszonen eine Dicke von ungefähr der Diffusionslänge der in der Minderzahl vor handenen Ladungsträger besitzt und an beiden Zonen ohmische Anschlüsse vorhanden sind. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Einrichtung nach Patentanspruch I; gekennzeichnet durch eine relativ dicke Zone vom N-Leitfähigkeitstyp und eine dünne Zone vom P-Leitfähigkeitstyp mit Bor als Akzeptor- Fremdsubstanz. 2. Einrichtung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine aufzu ladende Sammlerbatterie an den beiden ohmi- schen Anschlüssen angeschaltet ist. 3.

   Einrichtung nach Unteranspruch 2, ge kennzeichnet durch einen Gleichrichter zwi schen Photozelle und Batterie, der derart ge polt ist, d'ass er den Ladestrom von der Photo zelle zur Batterie passieren lässt, aber einen Entladestrom aus derselben sperrt. 4. Einrichtung nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass die dünne Zone eine solche Transparenz aufweist, däss sie die Strahlung bis zur Grenzschicht praktisch un geschwächt eindringen lässt. 5. Einrichtung nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass die dünne Zone P-Leitfähigkeit besitzt und eine Dicke von un gefähr 0,0025 mm und einen Widerstand von 0,001 Ohm.

   Zentimeter aufweist. 6. Einrichtung nach Unteranspruch 5, da durch gekennzeichnet, dass die Zone vom N- Leitfähigkeitstyp einen Widerstand von 0,3 Ohm. Zentimeter aufweist. 7. Einrichtung nach Unteranspruch 5, ge kennzeichnet durch einen transparenten Über zug auf der Oberfläche der Zone vom P-Leit- fähigkeitstyp mit einem Brechungsindex, der zwischen jenem des freien. Raumes und jenem des Siliciumkörpers gelegen ist.

   PATENTANSPRUCH II Verfahren zur Herstellung der Einrichtung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeich net, dass man die Leitfähigkeitszone, deren Dicke ungefähr der Diffusionslänge der in der Minderzahl vorhandenen Ladungsträger entspricht, durch Eindiffundieren einer Fremdsubstanz aus der Gasphase herstellt.