DE19544641A1 - Elektrischer Leiter für Raumfahrt-Solargeneratoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gold enthaltenden Leiter für zum Einsatz in der Raumfahrt bestimmte, aus mindestens einem Solarmodul bestehende Solargeneratoren.

Derartige elektrische Leiter finden vor allem als Solarzellen-Verbinder Verwendung. Solargeneratoren von Raumfahrzeugen bestehen zumeist aus mehreren entfalt- bzw. zusammenfaltbaren oder auf Satelliten montierten Panelen, welche jeweils einen oder mehrere Solarzellenmodule tragen, die wiederum aus mehreren untereinander in Serie und/oder parallel verschalteten einzelnen Solarzellen bestehen. Diese Verschaltung, bei der im Falle einer Serienschaltung der Vorderseitenkontakt einer Solarzelle mit dem Rückseitenkontakt der jeweils nachgeschalteten Solarzelle zu verbinden ist, erfolgt über die genannten Solarzellen-Verbinder. Im Falle einer Parallelschaltung sind durch derartige Verbinder jeweils die Frontseiten- und Rückseitenkontakte benachbarter Solarzellen separat miteinander verbunden.

Bei Verwendung solcher Solargeneratoren an Raumfahrzeugen sind an das Material und die konstruktive Ausführung besondere Anforderungen zu stellen.

So sind Solargeneratoren für Raumfahrtanwendungen, insbesondere bei Erdsatelliten, durch abwechselnde Beleuchtungs- und Schattenphasen wechselnden thermischen Bedingungen unterworfen. Diese bauen in den verwendeten Solargenerator-Bausteinen nicht nur thermisch induzierte Spannungen auf, sondern sie führen je nach Häufigkeit der thermischen Zyklen auch zu mechanischer Ermüdung. Typische Thermalzyklenanzahlen sind für die geostationäre Umlaufbahn (GEO) 92 Zyklen pro Jahr zwischen +60 und -170°C und für niedere Umlaufbahnen (LEO) 5000 Zyklen pro Jahr zwischen +100 und -100°C. Um diesen thermischen Belastungen zu widerstehen, sind die Solargeneratorbausteine entsprechend ausgelegt und angepaßt. Als tragende Struktur für die Solarzellen werden beispielsweise bevorzugt Kohlefaser-Verbundwerkstoffe mit geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet, und die zur Verschaltung der Solarzellen verwendeten Verbinder sind auf die überwiegend aus Silber bestehenden Kontakte der Solarzellen geschweißt. Deshalb eignet sich Silber besonders gut als Verbindermaterial für Solarzellen. Derartige Verbinder bestehen zumeist entweder aus Silbernetz oder Silberfolie. Damit diese ihrerseits den thermischen Belastungen gewachsen sind, muß das benutzte Material hart gewalzt und möglichst dünn (z. B. 15 µm) sein. Einem Ausgleich für thermische Spannung muß in Form eines ebenen oder aus der Ebene herausragenden Ausgleichsbogens Rechnung getragen werden. Die Geometrie der Ausgleichsbögen wird durch die Aufnahme einer Wöhlerkurve bestimmt. Typisch für einen aus der Ebene herausragenden Bogen ist eine Mindesthöhe von 0,4 mm und ein Bogenradius von mindestens 0,1 mm. Damit die Form des Ausgleichsbogens über alle Fertigungs-, Test- und Missionsphasen stabil bleibt, benötigt das Material eine Mindesthärte und -elastizität.

Zu Beginn der Anwendung von Solargeneratoren in der Raumfahrt wurden die Solarzellen zunächst mit ihren Verbindern verlötet. Dadurch wurden die Zellkontakte so aufgedickt, daß sie thermisch ein Eigenleben führten und sich durch nicht angepaßte thermische Ausdehnungskoeffizienten die Zellkontakte oder die Lötstellen häufig ablösten. Es bestand daher Bedarf nach einem Material mit einem ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie dem der Solarzellen. Für die am meisten benutzten Siliziumzellen kam dafür Molybdän oder Invar in Frage. Beide sind für Lötungen gut geeignet, aufgrund ihres im Vergleich zu den Silberkontakten der Solarzellen unterschiedlichen Schmelzpunktes jedoch nicht für Schweißungen.

Da aufgrund der bei der Raumfahrt gestellten extremen Anforderungen die Schweißung als Verfahren zur Herstellung eines dauerhaften elektrischen Kontaktes der Lötung jedoch bei weitem vorzuziehen ist, wurde, beispielsweise gemäß der DE 35 37 262 A1, vorgeschlagen, die Molybdän- bzw. Invar-Verbinder noch mit einer Silberbeschichtung zu versehen und dann diese Beschichtung auf die Silberkontakte der Solarzellen aufzuschweißen. Es kamen daher bevorzugt Solarzellenverbinder aus Silberfolie bzw.- mit Silber beschichtetem Molybdän oder Invar zur Anwendung. Bezüglich der Ermüdungsfestigkeit sind beide Verbindertypen ausreichend, Molybdän durch seine günstigen Materialeigenschaften, insbesondere seine Reißfestigkeit und seinen günstigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Silber wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, die es erlaubt, die Solarzellenverbinder in geringer Dicke (ca. 12,5 µm) auszuführen.

Diese Art von Solarzellen-Verbindern hat sich bei geostationären Satelliten durchaus bewährt. Auf niedrigen Umlaufbahnen bis zu einer Höhe von 800 km spielt jedoch, abgesehen von der schnelleren Abfolge thermischer Zyklen, ein weiterer Effekt eine nachteilige Rolle, nämlich das Vorhandensein von atomarem Sauerstoff. Hiervon ist insbesondere Silber betroffen, weil es durch Oxydation regelrecht zerfressen wird. Gebildete Oxydschichten lösen sich durch die zyklischen Thermalbelastungen in Flocken ab und es werden damit neue Oxydationsflächen exponiert. Bei den Solarzellen-Verbindern auf Molybdänbasis wird nur die Silberbeschichtung angegriffen, während das Molybdän weitestgehend resistent gegen atomaren Sauerstoff ist. Um jegliches Abflocken von Silberoxyd zu vermeiden, wurden Molybdän-Verbinder entwickelt, die nur noch an den Schweißstellen mit Silber beschichtet sind. Jedoch ist auch diese Lösung zumindest aus Kostengründen noch unbefriedigend.

Elektrische Leiter der eingangs genannten Art, zu denen auch die bisher diskutierten Solarzellen-Verbinder gehören, sind aus der US 3 973 996 bekannt. Gemäß der dortigen Ausführung sind in Reihe geschaltete Solarzellen auf einem gemeinsamen, flexiblen, elektrisch nicht leitenden Substrat aufgebracht. Die Solarzellen weisen auf ihrer dem Substrat zugewandten Seite eine beispielsweise aus Gold bestehende metallische Beschichtung auf. Dieser Beschichtung gegenüber befindet sich auf dem Substrat jeweils eine beispielsweise mit Gold bedeckte Kupferschicht. Mit dieser wird die Solarzelle mittels Diffusionsschweißung bei erhöhter Temperatur, beispielsweise ca. 280°C verbunden. Die mit Gold bedeckte Kupferschicht ragt jeweils auf einer Seite der Solarzelle hervor und dient dort der elektrischen Verschaltung mit der Nachbarzelle. Dazu dient ein separater Verbinder, über dessen Material direkt nichts ausgesagt ist, der jedoch ebenfalls durch Diffusionsschweißung mit dem seitlich überstehenden Teil der mit Gold bedeckten Kupferschicht verbunden werden kann. Es liegt nahe, auch diesen Verbinder mit einer Goldbeschichtung zu versehen, da dann die Diffusionsschweißung besser durchführbar ist. Auf jeden Fall liegt im Falle der US 3 973 996 ein teilweise aus Gold bestehender elektrischer Leiter, speziell Solarzellen-Verbinder, vor. Die Goldbeschichtung dient lediglich dem Diffusionsschweißprozeß und schützt das darunter liegende Material (z. B. Cu) wegen Mikrorißbildung nicht vor atomarem Sauerstoff.

Gegenüber der Diffusionsschweißung ist jedoch die Widerstandsschweißung zu bevorzugen, da mit dieser zuverlässigere und dauerhaftere elektrische und zugleich mechanische Verbindungen herstellbar sind, wie für die Raumfahrt erforderlich. Die Widerstandsschweißung ermöglicht die Anwendung höherer Schweißtemperaturen, die wiederum zu einer besseren Verbindung der Oberflächenbereiche der zu verbindenden Teile sowie zu einer Verkürzung der Schweißzeiten führen. Der letzte Aspekt ist auch deswegen bedeutsam, weil bei kurzen Schweißzeiten im Falle der Verschweißung eines Solarzellen-Verbinders mit dem Oberflächen-Kontakt einer Solarzelle die schädliche Diffusion der Goldatome durch die Zellkontakte hindurch ins Halbleitermaterial der Solarzelle stark reduziert bzw. weitgehend vermieden werden kann.

Ein weiterer wichtiger Aspekt insbesondere bei Solarzellen-Verbindern für Raumfahrt-Solargeneratoren besteht darin, daß diese eine ausreichende Härte und Elastizität aufweisen müssen, da sie häufig mit thermischen Ausgleichsschleifen versehen sind, die ohne Formveränderungen den mechanischen Belastungen sämtlicher Verarbeitungsschnitte und später den hohen thermischen Belastungen des Weltraums standhalten müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Leiter, insbesondere Solarzellen-Verbinder, der eingangs genannten Art bereitzustellen, der durch atomaren Sauerstoff nicht oxydierbar ist, eine hohe Harte und Elastizität aufweist und damit in dieser Form hohen thermischen Belastungen widerstehen kann, und der schließlich durch Widerstandsschweißung ohne Schädigung der Zelle verarbeitbar ist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der elektrische Leiter aus einer neben Gold Spuren von Silber und/oder Palladium und/oder Kupfer enthaltenden Legierung besteht.

Demnach ist, weitgehend im Gegensatz zum Stand der Technik, keine Schichtstruktur mehr vorgesehen, bei der Gold nur in einer dünnen Oberflächenschicht zum Einsatz kommt, sondern vielmehr ein homogenes Material in Form einer Legierung, die überwiegend aus Gold besteht, jedoch als wesentliche Bestandteile, die für die Erzielung der gewünschten Eigenschaften maßgebend sind, Spuren von Silber, Palladium und/oder Kupfer enthält. Diese Verwendung von nahezu reinem, jedoch gezielt mit Spuren bestimmter Substanzen verunreinigtem Gold führt zu den genannten Vorteilen, welche die relativ hohen Materialkosten überwiegen.

Der erfindungsgemäße elektrische Verbinder ist mit besonderem Vorteil, wie bereits diskutiert, als Solarzellen-Verbinder verwendbar. Es kommt jedoch auch die Verwendung in Form anderer der Stromabführung von den Solarzellen dienender Komponenten in Frage, wie beispielsweise als Solarmodul-Endverbinder, für Kabel und Litzen oder für Strom- Sammelschienen.

Bei der Verwendung als Solarzellen-Verbinder empfiehlt es sich, dem Gold in der Legierung Spuren aller drei Substanzen, nämlich Silber, Palladium und Kupfer beizumengen, deren Anteil jedoch insgesamt höchstens 0,1 Gewichtsprozent betragen sollte. Besonders bewährt hat sich ein Material, welches von der Firma Heraeus geliefert wird, mehr als 99,98 Gewichtsprozent Gold sowie 45 ppm Silber, 38 ppm Palladium und 12 ppm Kupfer enthält (Heraeus Typ 2545). Dieses Material weist die geforderten Eigenschaften mit hoher Zuverlässigkeit auf. Die Durchführung von 50000 thermischer Zyklen, repräsentativ für 10 Betriebsjahre in einer 500 km hohen Erdumlaufbahn, zwischen -110 und +110°C haben gezeigt, daß die gewünschten Eigenschaften innerhalb der engen zulässigen Grenzen beständig sind. So konnte keinerlei die Grenzen der Meßgenauigkeit überschreitende Degradation der elektrischen Eigenschaften festgestellt werden. Diese Versuche wurden mit Solarzellen auf der Basis kristallinen Siliziums mit vorwiegend aus Silber bestehenden Kontakten durchgeführt. Dabei war es bereits nach kurzer Erprobungszeit möglich, Schweißzeiten einzustellen, bei denen gewährleistet war, daß kein Gold durch die Elektrodenschicht der Solarzelle hindurch in das Halbleitermaterial hinein diffundieren konnte. Als typische Werte ergaben sich beispielsweise 30 ms für die Schweißzeit und 240 A für den dabei anzuwendenden Schweißstrom. Es hat sich herausgestellt, daß hierbei Werte von 50 ms für die Schweißzeit und von 400 A für den Schweißstrom nicht überschritten werden sollten. Die Zugfestigkeit der Solarzellen-Verbinder sollte mindestens 200 N/mm² betragen; dies folgt für diese relativ gut meßbare Größe indirekt aus der mindestens zu fordernden Härte der Goldlegierung. Die Dicke des bandförmigen Materials sollte höchstens 15 µm, vorzugsweise jedoch 12,5 µm, betragen, und zwar aus Gründen der erforderlichen Ermüdungsfestigkeit.

Claims (10)

1. Gold enthaltender elektrischer Leiter für zum Einsatz in der Raumfahrt bestimmte, aus mindestens einem Solarmodul bestehende Solargeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter aus einer neben Gold Spuren von Silber und/oder Palladium und/oder Kupfer enthaltenden Legierung besteht.

2. Verwendung des elektrischen Leiters gemäß Anspruch 1 als Solarzellen-Verbinder.

3. Verwendung des elektrischen Leiters gemäß Anspruch 1 als Solarmodul-Endverbinder.

4. Verwendung des elektrischen Leiters gemäß Anspruch 1 für zum Stromtransport bestimmte Kabel und Litzen des Solargenerators.

5. Verwendung des elektrischen Leiters gemäß Anspruch 1 für Strom- Sammelschienen des Solargenerators.

6. Elektrischer Leiter gemäß Anspruch 1 zur Verwendung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er Spuren von Silber, Palladium und Kupfer von insgesamt höchstens 0,1 Gewichtsprozent enthält.

7. Elektrischer Leiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Zugfestigkeit von mindestens 200 N/mm² aufweist.

8. Elektrischer Leiter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Dicke von höchstens 15 µm aufweist.

9. Verfahren zum Herstellen einer dauerhaften elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 und eines überwiegend aus Silber bestehenden Kontakts einer Solarzelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch Widerstandsschweißung hergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzeit unter Aufrechterhaltung der erforderlichen Energie derart gekürzt wird, daß keine Golddiffusion in das Halbleitermaterial der Solarzelle stattfindet.