DE2839038A1

DE2839038A1 - Verfahren zur herstellung einer reihenschaltungsanordnung von sperrschicht-photozellen und nach diesem verfahren hergestellte photozellenanordnung oder -batterie

Info

Publication number: DE2839038A1
Application number: DE19782839038
Authority: DE
Inventors: John F Jordan; Curtis M Lampkin
Original assignee: Photon Power Inc
Current assignee: Total Energie Developpement and Messerschmitt-Boelko
Priority date: 1977-09-08
Filing date: 1978-09-07
Publication date: 1979-03-22
Also published as: OA06048A; FR2405557B1; CA1137197A; IE781675L; IN149318B; YU213178A; IT7850646A0; IE47153B1; DE2839038C2; NL186209C; JPS6146993B2; ES473061A1; GB1575888A; GR63166B; BR7805816A; FR2405557A1; EG13954A; ZA783886B; NL7808630A; JPS5441686A

Description

Photon Power, Inc. ^

El Paso ,Texas, V.St.A. '* ^SeP>

Verfahren zur Herstellung einer Reihenschaltungsanordnung von Sperrschicht-Photozellen und nach diesem Verfahren hergestellte Photozellenanordnung oder

-batterie

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf großflächige Sperrschicht-Photozellen, die nach der Herstellung für erdgebundene Verwendung auf einer großen Fläche zusammengeschaltet werden können. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Sperrschicht-Photozellentafel, die nach Massenfertigungsverfahren, etwa durch Aufspritzen von Schichten oder Lagen, hergestellt und anschließend zu einer Anordnung bzw. Batterie von in Reihe geschalteten Photo- oder Sonnenzellen (mit anderen Tafeln) zusammengesetzt wird, wobei die einzelnen Zellen mittels einer Filmabtragvorrichtung geformt werden.

Die Suche nach anderen Energiequellen wird auf der ganzen Welt immer dringlicher vorangetrieben, je mehr die derzeit verfügbaren Energiequellen abnehmen. Es gibt zwar viele mögliche Energiequellen, die jedoch bisher aus technologischen und/oder wirtschaftlichen Erwägungen nicht ausgebeutet werden. Eine solche Energiequelle ist die Sonnenenergie, deren Verwendbarkeit deshalb gründlich untersucht wird, weil sie in überreichem Maße zur Verfügung steht und offensichtlich mit keinen umweltschädlichen Nebenwirkungen verbunden ist.

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Technologie und Theorie der Herstellung von Sperrschicht-Photozellen, die einfallendes Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, sind vom Prinzip her allgemein bekannt. Die hauptsächlichen, derzeit untersuchten technischen Schwierigkeiten betreffen die Reduzierung dieser Grundtechnologie auf praktische Maßnahmen, welche die Herstellung solcher Sperrschicht-Photozellen mit Fertigungskosten erlauben, die mit den derzeitigen Stromerzeugungsanlagen unter Verwendung von Energieträgern wie Öl, Kohle oder Kernspaltstoffen wettbewerbsfähig sind. Es ist augenscheinlich, daß zur Lösung dieser Aufgabe unter Verwendung von Sperrschicht-Photozellen arbeitende Stromerzeugungsstationen nach Massenfertigungsverfahren gebaut werden müssen, so daß große Flächen, und zwar in der Größenordnung von Quadratkilometern, buchstäblich mit derartigen, auf Massenfertigungsbasis hergestellten Sperrschicht-Photozellen bedeckt werden können. Erfindungsgemäß werden daher großflächige Sperrschicht-Photozellen auf industrieller Fertigungsbasis hergestellt und sodann nach einem für Massenfertigung geeigneten Verfahren zu einer Anordnung von in Reihe geschalteten Photozellen zusammengesetzt, und zwar in einer Größe, die kommerziell oder industriell interessante Mengen an elektrischer Energie liefert.

Bei der Fertigung von Sperrschicht-Photozellen der "ersten Generation" mußte ein Einkristall aus Silizium oder Kadmiumsulfid gezüchtet und dann zur Bildung von Halbleiterschichten in dünne Scheiben oder Plättchen geschnitten werden. Nach diesem Verfahren wurden einzelne Sonnenzellen durch Aufbau einer schichtartigen Zelle aus einer Vielzahl getrennter Elemente gebildet, die zur Herstellung der fertigen Zelle miteinander verbunden bzw. verklebt (bonded) wurden. Dieses von vornherein aufwendige Fertigungsverfahren lieferte nur klein-

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flächige Sperrschicht-Photozellen, weil die auf einfallende Sonnenstrahlung ansprechenden Halbleitermaterialien aus Einkristallmaterialien hergestellt werden mußten.

Zur Vermeidung der mit der Verwendung von Einkristallmaterialien zusammenhängenden Kosten- und Größenprobelem sind polykristalline Stoffe entwickelt worden, die sich für die Herstellung von Sperrschicht-Photozellen eignen, die erheblich größer sind als die aus Einkristallmaterialien erhaltenen Zellen. Typischerweise bestehen geeignete Halbleitermaterialien aus Verbindungen von Elementen der Gruppen II und VI des Periodensystems. Kadmiumsulfid hat sich als besonders geeignete Verbindung erwiesen, die aus zahlreichen, Kadmium und Schwefel enthaltenden chemischen Verbindungen gewonnen und nach verschiedenen Verfahren auf ein Substrat aufgebracht werden kann, um eine Kadmiumsulfidschicht zu bilden, die Halbleitereigenschaften besitzt.

Eine bekannte, fertige Sperrschicht-Photozelle umfaßt eine auf ein geeignetes Substrat aufgebrachte Schicht polykristallinen Kadmiumsulfids (CdS) und ein zweites Merkmal, das zusammen mit dem CdS einen HeteroÜbergang bzw. eine "Sperrschicht" bildet. Das typischerweise zur Bildung eines HeteroÜbergangs mit CdS verwendete Material ist Kupfer(I)sulfid, d.h. Cu S, wobei χ für nicht-stöchiometrisches, über dem CdS ausgebildetes Kupfer(I)sulfid kleiner ist als 2. Die Technologie der Massenherstellung von Sperrschicht-Photozellen mit dem CdS-Cu S-Heteroübergang wird ständig weiterentwickelt und ist an sich nicht Gegenstand der Erfindung.

Um in großem Maßstab für erdgebundene Verwendungs-

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zwecke geeignet zu sein, müssen die einzelnen Sperrschicht-Photozellen zu einer untereinander verbundenen Anordnung oder Batterie zusammengesetzt werden, die eine große Bodenfläche bedeckt. Typischerweise erzeugt ein einziger CdS-Cu S-HeteroÜbergang eine Leerlaufspannung bzw. EMK (open circuit voltage) von 0,40 - O,54 V. Wenn eine höhere Ausgangsspannung gewünscht wird, damit die Ausgangsleistung der Photozellenanordnung übertragen oder unmittelbar ausgenutzt werden kann, können die einzelnen Zellen in Reihenanordnung zusammengeschaltet werden, so daß sie Ausgangsspannungen von 12 - 24 V liefern, d.h. Ausgangsspannungen entsprechend denen der derzeit üblichen Akkumulatoren.

Bei früheren Versuchen zur Herstellung von Sperrschicht-Photozellenbatterien wurden allgemein einzelne Photozellen verwendet, diese Zellen mit einem gemeinsamen Substrat verklebt und dann zur Fertigstellung der Batterie mittels Leitungsdrähten miteinander verbunden. Ein solches Verfahren ergibt sich aus der US-PS 3 411 050. Diese nach Auftrag hergestellten Photozellenanordnungen bzw. -batterien erforderten entsprechend hohe Fertigungskosten. Durch das Erfordernis, körperliche Verbindungen, d.h. die Verbindungen zwischen den einzelnen.Zellen mit einer großen Zahl von Verbindungsdrähten herzustellen, wurde die Ausnutzung der verfügbaren Bodenfläche für die aktive Sperrschicht-Stromerzeugung weiter verringert und dadurch der Gesamtwirkungsgrad der Photozellenbatterie ebenfalls herabgesetzt.

Durch die Verfügbarkeit von polykristallinem CdS als Bestandteil für Sperrschicht-Photozellen wurden die Möglichkeiten für die Herstellung einer in Reihe geschalteten Anordnung oder Batterie solcher Zellen erheblich erweitert. Die üS-Psen 3 483 038, 3 571 915 und 3 713 893 sind typische

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Beispiele für in letzter Zeit gemachte Vorschläge zur Schaffung einer Sonnenzellenbatterie. Bei diesen bisherigen Anordnungen wird die polykristalline Kadmiumsulfidschicht durch Maskieren und Vakuumaufdampfen von Kadmiumsulfid auf der Oberfläche eines geeigneten Substrats, das im allgemeinen aus einer flexiblen Kunststoff- oder Metallfolie besteht, und anschließendes Vakuumaufdampfen oder Auftragen eines Schlamms bzw. einer Aufschlämmung zur Formung einer Kupfer(I)-sulfid-Schicht bzw. Kuprosulfidschicht auf dem Kadmiumsulfid unter Bildung des HeteroÜbergangs ausgebildet. Ersichtlicherweise ist dieses Verfahren zeitraubend und nicht besonders gut für die Massen oder Großserienfertigung von großflächigen Tafelanordnungen geeignet, in denen die Photozellen miteinander in Reihe geschaltet sind. Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß KunststoffSubstrate für die Ausbildung der erforderlichen Schichten ein mit niedriger Temperatur arbeitendes Verfahren, wie Vakuumaufdampfen, erfordern, weil der Kunststoff keiner hohen Temperatur ausgesetzt werden kann.

Weiterhin verwenden die in den vorgenannten Patentschriften beschriebenen Sperrschicht-Photozellenbatterien im allgemeinen umgekehrte Hinterwandphotozellen (front wall-type solar cells), bei denen die Sonnenstrahlung unmittelbar auf den HeteroÜbergang auftrifft und das Substrat im allgemeinen lichtundurchlässig ist, Bei derartigen Sonnenzellen wird die an den HeteroÜbergang (die Cu S-Schicht) angelegte Elektrode gitterartig ausgebildet, so daß sie das Licht zum HeteroÜbergang durchläßt. Durch die Verwendung der gitterartigen Elektrode wird die Cu S-Schicht einer möglichen Verschlechterung bzw.

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Zersetzung bei der Anbringung des Gitters oder dann unterworfen, wenn das Cu S anschließend den Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird. Bei einigen Herstellungsverfahren wird das

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Gitter mit Hilfe eines Klebers an der Zelle befestigt, so daß beim Aushärten des Klebers eine Oxidation des Cu S auftreten kann. Außerdem kann sich das Cu S im Normalbetrieb der Photozelle durch die Einwirkung von Sauerstoff und Wasserdampf in der Luft zersetzen.

Aufgrund der Mängel einer umgekehrten Hinterwandsonnenzelle infolge der Verwendung eines Gitters, nämlich die Abdeckung eines Teils der aktiven Heteroübergangsflache und die mögliche Zersetzung des HeteroÜbergangs, ist eine solche Sonnenzelle unweigerlich mit einer optischen Fehlanpassung behaftet. Die Brechungsindizes von Kupfer(I)sulfid und Kadmiumsulfid betragen 3-3,5 bzw. etwa 2,5. Infolgedessen wird Licht, das unter größeren Winkeln als dem kritischen Winkel für die Cu S-CdS-Grenzflache, nämlich 35 - 55° je nach den jeweiligen Brechungsindizes, auf den HeteroÜbergang auftrifft, eher reflektiert als durchgelassen. Außerdem resultiert der plötzliche starke Abstieg des Brechungsindex beim Übergang von der Luft zum Kupfer(I)sulfid in einer Intensität des reflektierten Lichts, die größer ist als die Intensität derselben, von einer Glasoberfläche mit einem typischen Brechungsindex in der Größenordnung von 1,50 reflektierten Strahlung.

Eine entwicklungsfähige Möglichkeit zur Herstellung von Sperrschicht-Photozellen mit polykristallinem CdS besteht darin, geeignete Lösungen auf ein Substrat aufzusprühen bzw. aufzuspritzen, worauf sich die Lösungen unter Bildung eines Films des gewünschten Stoffs auf dem Substrat umsetzen. Die US-PSen 3 880 633 und 3 902 920 beschreiben geeignete Verfahren zur Herstellung großflächiger Sperrschicht-Hinterwandzellen nach dem Aufspritzverfahren. Dabei wird ein Glassubstrat durch eine Reihe von Spritzkabinen geführt, um schichtweise aufgetragene Filme aus Zinnoxid, Kadmiumsulfid und ggf. Kupfer-(I)sulfid zu bilden. Ein Merkmal dieser Spritzverfahren be-

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steht darin, daß jeder einzelne Film bei einer tieferen Temperatur als der jeweils vorhergehende Film hergestellt wird. Hierbei ist es wünschenswert, anstelle der großen Sperrschicht-Phötozellentafel eine bestimmte Zahl kleinerer Zellen herzustellen, die erst dann zur Lieferung einer höheren Ausgangsspannung in Reihe geschaltet werden, wenn alle Schichten hergestellt worden sind. Durch ein derartiges Vorgehen könnten die wiederholte thermische Beanspruchung (thermal cycling) des Glases vermindert und die für die Herstellung der Photozellentafel erforderliche Energie weitgehend herabgesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Vermeidung der dem Stand der Technik anhaftenden Mangel durch Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung einer Anordnung oder Batterie von in Reihe geschalteten Sperrschicht-Photozellen sowie einer verbesserten Anordnung dieser Art auf einem gemeinsamen Substrat.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Maßnahmen und Merkmale gelöst.

Mit der Erfindung wird also ein Verfahren zur Ausbildung einer großflächigen Sperrschicht-Photozelle in Form einer Vielzahl kleiner Sperrschicht-Photozellen auf einem gemeinsamen Substrat geschaffen. Dabei wird zunächst eine großflächige Photozelle hergestellt, indem schichtweise oder lagenförmig Filme im wesentlichen auf die Gesamtoberfläche eines durchsichtigen Substrats aufgebracht werden. Anschließend werden zur Bildung einer Vielzahl kleinerer Photozellen bestimmte Abschnitte der Filme selektiv abgetragen. Schließlich wird ein leitfähiges Material aufgetragen, durch welches die Photozellen zu einer Anordnung bzw. Batterie (array) verbunden werden.

Eine verbesserte Photozellenbatterie wird auf einem durchsichtigen, glasartigen Substrat, z.B. aus Glas o.dgl.., hergestellt. Auf diese Weise wird eine Hinterwandzellenbatterie geschaffen, die nach einem Spritzverfahren hergestellt werden kann, bei dem eine großflächige Photozelle gebildet wird und anschließend die Filme zur Bildung einer Vielzahl einzelner Zellen (selektiv) abgetragen werden. Das glasartige Substrat erlaubt die Filmformung bei hoher Temperatur, und es ist im Anschluß hieran bei den mechanischen oder chemischen Filmabtragungsverfahren beständig bzw. widerstandsfähig.

Mit der Erfindung wird eine verbesserte Anordnung bzw. Batterie aus Sperrschicht-Photozellen geschaffen, bei welcher schichtweise aufgebrachte Filme die zusammengesetzte Sperrschicht-HeteroÜbergangsstruktur sowie die angebrachten Elektroden bilden. Praktisch die gesamte Oberfläche des Substrats wird mit jedem Film bedeckt, und es werden nur diejenigen Abschnitte jeder Lage entfernt, die abgetragen werden müssen, um auf dem Substrat eine Vielzahl von Sperrschicht-Photozellen zu bilden und die elektrischen Reihenschaltungsanschlüsse zwischen den Zellen herzustellen. Das mitdem HeteroÜbergang in Berührung stehende leitfähige Material "versiegelt" und schützt die darunter befindlichen Werkstoffe bei gleichzeitiger Verbindung der Photozellen in einer zweckmäßigen Anordnung bzw. Batterie.

Ein spezielles Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine in Reihe geschaltete Photozellenanordnung in der Weise hergestellt wird, daß zunächst die verschiedenen, den Sperrschicht-Photozellenheteroübergang bildenden Filme auf die Gesamtfläche des Substrats aufgebracht und anschließend ausgewählte Bereiche dieser Filme zur Ausbildung der Anordnung

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oder Batterie abgetragen werden.

Erfindungsgemäß wird dabei die gesamte Tafel oder Platte mit jeder einzelnen Materialschicht bedeckt, um die Notwendigkeit für umständliche und aufwendige Maskierverfahren zu vermeiden.

Erfindungsgemäß sind alle Photozellen der Anordnung oder Batterie auf einem Glassubstrat ausgebildet, welches die Bestrahlungsfläche bildet.

Bei der erfindungsgemäßen Photozellenanordnung ist die Filmoberfläche, die zur Bildung und Verbindung der'verschiedenen einzelnen Photozellen abgetragen werden muß und daher nicht als aktive Energieerzeugungsfläche verfügbar ist, erheblich verkleinert.

Erfindungsgemäß können der elektrisch leitende Film auf dem Substrat und der CdS-FiIm nach einem Aufspritzverfahren unter vollständiger Bedeckung der gesamten Tafel hergestellt werden, worauf bestimmte Abschnitte zur Ausbildung der einzelnen Photozellen abgetragen werden.

Die Photo- bzw. Sonnenzellentafein sind dabei bequem zu einer Stromerzeugungsanordnung zusammenschaltbar, die eine außerordentlich große Fläche bedecken und daher eine große Menge elektrischer Energie erzeugen kann.

Die bestimmten Abschnitte der schichtweise aufgetragenen Filme, welche die großflächige Photozelle bilden, können durch Einstechen von Rillen in die Filme abgetragen werden.

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Das leitfähige Elektrodenmaterial, welches mit dem den HeteroÜbergang bildenden Material, in Berührung steht, dient erfindungsgemäß auch zur Versiegelung bzw. Abdichtung und zum Schütze des HeteroÜbergangs.

Erfindungsgemäß wird eine Reihenschaltungsanordnung aus Sperrschicht-Photozellen mit einer Anzahl elektrisch isolierter, leitender Filme auf einer Substrattafel, zwei einen HeteroÜbergang bildenden Halbleiterschichten auf den leitenden Filmen und einer die Reihenverbindung herstellenden leitenden Schicht in der Weise hergestellt, daß mindestens ein Halbleiterfilm auf der gesamten Substrattafel unter Bedeckung der leitfähigen Filme ausgebildet und anschließend ein ausgewählter Abschnitt des Halbleiterfilms zur Bildung der Vielzahl von Sperrschicht-Photozellen ausgestochen wird.

Mit der Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie geschaffen, die gekennzeichnet ist durch ein starres, durchsichtiges, glasartiges Substrat und durch eine Vielzahl von zusammengeschalteten Sperrschicht-Photozellen, die auf dem Substrat miteinander verbunden sind und die funktionell nur auf die durch das Substrat hindurchtretende Sonnenstrahlung ansprechen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 1A Schnittansichten einer Sperrschicht-Photozellentafel, auf welche die grundsätzlichen Sperrschichten (photovoltaic layers) aufgebracht worden sind,

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Fig. 2 und 2A Schnittansichten einer Photozellentafel, auf welcher FiImmaterial zur Bildung mehrerer Sperrschicht-Photozellen
abgetragen worden ist,

Fig. 3 und 3A Schnittansichten der Photozellentafel nach der Vorbereitung für den Auftrag eines abdeckenden leitfähigen Überzugs,

Fig. 4 und 4A Schnittansichten der Photozellentafel nach dem Auftragen von elektrisch
leitenden Schichten,

Fig. 5 und 5A Schnittansichten der Photozellentafel mit in Reihe geschalteten, gegenüber Umgebungseinflüssen abgedichteten Sperrschicht-Photozellen ,

Fig. 6, 6A und 6B Schnittansichten zur Darstellung von Arbeitsgängen zur Herstellung der Reihenverbindung nach einem Abtragverfahren,

Fig. 7, 7A und 7B den Fig. 6 bis 6B ähnelnde Ansichten zur Darstellung der Herstellung der
Reihenverbindung mittels eines "Abreißstrei-• fens",

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung einer fertiggestellten Photozellentafel mit Merkmalen nach der Erfindung, in welcher die Tiefe der Sperrschichten übertrieben groß dargestellt ist, und

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Fig. 9 und 9 A Schnittansichten der Elektrodenformen an den Enden der Photozellentafel.

In den Fig. 1 bis 5 ist ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer zusammenhängenden Sonnenzellenanordnung dargestellt, wobei eine negative Elektrodenschicht auf der Gesamtoberfläche einer Tafel ausgebildet und durch selektives Abtragen der darüber befindlichen, den HeteroÜbergang bildenden Filme zu Elektrodenbereichen geformt wird, die von den benachbarten negativen Elektrodenbereichen elektrisch isoliert sind. Die Fig. 1A bis 5A veranschaulichen ein anderes Verfahren, bei dem die negative Elektrode vor der Ausbildung der Überzugsfilme in eine Anzahl getrennter negativer Elektrodenbereiche unterteilt wird.

Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Substrattafel 10, die mit schichtweise aufgetragenen SnO -, CdS- und Cu S-Filmen 12, 14 bzw. 22 beschichtet ist. Diese Schichten, die gemeinsam eine großflächige Sperrschicht-Photozelle bzw. sog. Sonnenzelle bilden, werden anfänglich über die gesamte Substrattafel 10 hinweg ausgebildet. In diesem Zustand stellt die gesamte Tafel effektiv eine große Photozelle dar, die elektrische Energie mit niedriger Spannung und hoher Stromstärke liefert, wenn sie mit entsprechenden Elektroden verbunden wird.

Nachdem die gesamte Tafel mit den Halbleitermaterialien beschichtet worden ist, wird die Photozellentafel sodann auf die in Fig. 2 gezeigte Weise zu einer Vielzahl von Sperrschicht^Photozellen umgeformt. Dabei werden der Cu S-FiIm und der CdS-FiIm 14 über einen Teil des SnO -Films 12 abgetragen, um dessen Oberfläche 16 in einem vorbestimmten Muster freizulegen. In spezieller Ausführungsform der Erfindung wird ein etwa 1 mm breiter Streifen des SnO -Films freige-

legt. Die Breite dieses freigelegten Streifens wird so gewählt, daß die verschiedenen Isolierfilme sowie die anderen, auf dem SnO -Film ausgebildeten Materialien, die zur Herstellung der elektrischen Verbindungen nötig sind, von diesem Streifen aufgenommen werden können. Das Abtragen der Filme 22 und 14 kann zweckmäßig mit Hilfe eines hierfür geeigneten Werkzeugs geschehen, beispielsweise mit einem Rillenstechwerkzeug oder einem rotierenden Schneidwerkzeug, etwa einem Fräser.

Gemäß Fig. 2 muß der SnO -Film 12 längs des einen Rands des Bereichs entfernt werden, von welchem die darüber-1legenden Halbleiterfilme 22 und 14 abgetragen worden sind. Der SnO -Film 12 stellt eine harte, festhaftende Schicht dar, die sich auf mechanischem Wege nicht so leicht entfernen läßt wie die CdS- und Cu S-Filme 14 bzw. 22. Für den vorgesehenen Zweck kann also ein Verfahren angewandt werden, bei dem im wesentlichen ein kleiner Teil dieses Films verdampft wird, so daß die einzelnen Photozelleneinheiten an dieser Verfahrensstufe elektrisch voneinander isoliert sind. Bevorzugt wird für diesen Zweck zur Verdampfung des SnO -Films zwecks Bildung der Rille 13 eine mit niedriger Spannung von typischerweise etwa 20 Volt Gleichstrom arbeitende Sonde verwendet, mit der längs des SnO -Films ein elektrischer Lichtbogen erzeugt und dadurch das zu entfernende SnO verdampft wird. Die Abtragung des SnO -Films kann auch mittels eines stark gebündelten Laserstrahls erfolgen, der so konzentriert ist, daß er eine schmale, abzutragende Fläche des SnO -Films verdampft. Weiterhin kann die Rille 13 im SnO -Film nach herkömmlichen Maskier-

und chemischen Ätzverfahren erfolgen, wie sie üblicherweise für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen angewandt werden und beispielsweise in der US-PS 4 009 061 beschrieben sind. Sobald die verschiedenen, gegeneinander elektrisch isolierten Photozellen ausgebildet worden sind, müssen diese Einheiten sodann zur Bildung der Reihenanordnung bzxv. der in

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Reihe geschalteten Batterie von Photozellen miteinander verbunden werden. Gemäß Fig. 3 müssen die Photozelleneinheiten zur Aufnahme von aufzubringenden Überzugsschichten aus leitfähigem Material vorbereitet werden. Zu diesem Zweck werden die freiliegenden Ränder der Halbleiterschichten 14 und 22 zunächst mit geeigneten elektrisch isolierenden Werkstoffen beschichtet. Es hat sich herausgestellt, daß für diesen Zweck die einen Isolierfilm bildenden Werkstoffe benutzt werden können, wie sie beim üblichen Maskiervorgang für die chemische fitzung angewandt werden. Dabei wird ein erster Isolierfilm 24 längs des Rands der Schichten vorgesehen, welcher sich unmittelbar an den freigelegten SnO -Streifen 16 anschließt, Ein zweiter Isolierfilm 26 wird auf dem freiliegenden Rand der Halbleiterschicht der benachbarten Photozelleneinheit so ausgebildet, daß er den Spalt bzw. die Rille 13 vollständig ausfüllt. Wie noch näher erläutert werden wird, können die Isolierfilme 24 und 26 aus demselben Material oder erforderlichenfalls aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.

Die Isolierfilme 24 und 26 können aus verschiedenen Materialien bestehen, mit denen die Halbleiterschichten 14 und 22 nicht derart reagieren, daß sich eine Verschlechterung ihrer Halbleitereigenschaften ergibt. Für den vorgesehenen Zweck zufriedenstellend angewandte Werkstoffe sind u.a. sog. Photowiderstandsmaterialien, wie sie unter der Handelsbezeichnung KMER von der Firma Kodak vertrieben werden, Polyvinylchlorid-Filme, Acryllack und Zellulosefilmbildner. Wenn der Isolierfilm 24 später entfernt werden soll, kann er aus Druckfarben auf Äsphaltbasis oder aus abziehbare Filme bildenden Stoffen auf Lösungsmittelbasis hergestellt werden, wie sie in der Druck- und Ätzindustrie allgemein bekannt sind. Das Auftragen dieser Isoliermaterialien erfolgt üblicherweise mittels eines nadeiförmigen Schreibröhrchens, das eine so große öffnung besitzt, daß das Isoliermaterial als Aufschlämmung

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mit hohem Feststoffgehalt und nur soviel Lösungsmittel, daß die Aufschlämmung durch das Schreibröhrchen zu fließen vermag, aufgebracht werden kann.

Gemäß Fig. 3 wird weiterhin auf der Oberfläche des SnO -Streifens 16 ein "Klebmittelstreifen" 28 vorgesehen. Das Klebmittel kann hierbei aufgetragen werden, um einen besseren elektrischen Kontakt und eine sichere Verbindung zwischen den aufzubringenden leitfähigen Überzugsschichten und der darunterliegenden SnO -Schicht 12 zu gewährleisten. Die Notwendigkeit für das Klebmittel 28 bestimmt sich durch das tatsächlich auf die Anordnung aufgebrachte Leitermaterial. In spezieller Ausführungsform wird mittels einer rotierenden Messingscheibe eine kleine Messingmenge durch den Reibungskontakt zwischen dieser und dem freigelegten SnO -Streifen eine kleine Messingmenge unmittelbar auf diesem freigelegten Streifen 16 abgelagert, da Messing mit einer aufzutragenden Kupferschicht besonders verträglich ist. Andere Werkstoffe, die sich für die Ausbildung des Klebmittel- bzw. Haftstreifens 28 eignen, sind Zink, Indium, Kadmium, Zinn und Bronze sowie Legierungen davon.

Fig. 4 veranschaulicht eine Photozellentafel, bei welcher auf die Oberflächen des die Grundschicht bildenden Substrats und der Photozellen leitfähige Überzugsschichten aufgebracht worden sind. Vorzugsweise wird die gesamte Substratoberfläche mit den leitfähigen Materialien überzogen, was zweckmäßig dadurch geschehen kann, daß ein oder mehrere leitfähige Materialien im Vakuum auf diese Oberfläche aufgedampft werden. Gemäß Fig. 4 wird zunächst im Vakuum auf die Gesamtoberfläche des Substrats eine erste Leiterschicht 30 aufgedampft, die zweckmäßig aus Kupfer bestehen kann, das

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eine zufriedenstellende Verbindung mit der Cu S-Schicht 22 und der Haftschicht 28 eingeht. Abschließend kann auf die Kupferschicht 3O eine Bleischicht 32 aufgebracht werden, um einen zusätzlichen elektrischen Strompfad zu bilden und die Kupferschicht 30 vor Oxidation oder möglicher Beschädigung während der Weiterverarbeitung der Photozellen zu Sperrschicht-Photozellen-Konstruktionen zu schützen, die für die Eingliederung in eine großflächige Anordnung bzw. Batterie geeignet sind. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß Kupfer und Blei zur Bildung einer Legierung an der Grenzschicht zwischen diesen beiden Metallen neigen, wenn die Photozelle nach der Herstellung dieser beiden Schichten erwärmt wird. Aus diesem Grund kann an dieser Grenzschicht eine sehr dünne Sperrschicht mit einer Dicke von einigen Ä erforderlich sein, um einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem Blei und dem Kupfer zu verhindern. Eine zweckmäßige physikalische Sperrschicht kann aus oxidiertem Kupfer, Eisen oder Inconel bestehen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung dient die Bleischicht zum Schutz der Cu S-Schicht vor Verschlechterung bzw. Zersetzung sowie zur Verlängerung der Betriebslebensdauer des Photozellen-Heteroübergangs. Kupfer(I)sulfid ist normalerweise sehr anfällig für eine Zersetzung in Gegenwart von Sauerstoff und Wasser, wobei eine derartige Zersetzung auftreten könnte, wenn die Schicht im Betrieb als umgekehrte Hinterwandzelle der Atmosphäre ausgesetzt wäre. Bisher stehen keine durchsichtigen Leitermaterialien zur Verfügung, mit denen die Kupfer(I)sulfid-Schicht zum Schütze derselben überzogen werden könnten. Infolgedessen waren bisher gitterartige Elektroden-Konfigurationen mit einem weiteren überzug zur Abdichtung der Zelle erforderlich. Bei der erfindungsgemäßen Hinterwand-Photozelle ist keine Bestrahlung der Kupfer(I)sulfid-Schicht erforderlich, so daß eine massive Elektrode verwendet werden kann, die gleichzeitig auch als Abdichtung und als Schutz

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fürdio Kupfer(I)sulfid-Schicht dienen kann.

Es hat sich erwiesen, daß mehrlagige Eeiterseh-ich— ten aus Kupfer und Blei zahlreiche Vorteile bieten» Kupfer haftet sehr gut am Kupfer(I) sulfide und es begünstigt auch die Einhaltung seiner Stöchiometrie. Kupfer allein ist jedoch für Sauerstoff und Wasserdampf bis zu einem gewissen Grad durchlässig. Die Kupferschicht kann daher durch eine zweite, über ihr ausgebildete Schicht aus Blei "versiegelt" werden. Blei stellt ebenfalls einen guten elektrischen Leiter dar, wodurch die Gesamtleitfähigkeit des leitfähigen Überzugsmaterials verbessert und gleichzeitig die Cu S-Schicht ge-

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schützt wird.

■ Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer fertiggestellten Tafel mit in Reihe geschalteten Photozellen. Dabei stellt ein Teil der elektrisch leitenden Überzugsschichten 30 und 32 einen elektrischen Kontakt mit einem Teil des freigelegten SnO -Streifens 16 her, wobei dieser elektrische

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Kontakt durch den Haftstreifen 28 noch verbessert wird. Die leitfähigen Schichten 30 und 32 erstrecken sich sodann über die Cu S-Schicht 22 der benachbarten Photozelle, wobei

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sie durch die Isolierschicht 26 an einem Kontakt mit einem anderen Abschnitt der benachbarten Photozelle gehindert werden. Da die SnO -Schicht die negative Elektrode einer Photo-

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Zeileneinheit darstellt, während die Cu S-Schicht den posi-

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tiven Abschnitt der benachbarten Einheit darstellt, sind die Photozelleneinheiten auf diese Weise elektrisch in Reihe geschaltet. Gewünschtenfalls kann die schichtweise aufgebaute Oberfläche der Photozellentafel sodann noch mit einer geeigneten Dichtmasse 34 überzogen und dadurch vor schädlichen Umwelteinflüssen geschützt werden^ wobei die Dichtmasse sich auch über den freigelegten Spaltraum 36 über dem freigelegten SnOx-Streifen 16 erstreckt.

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Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, eignet sich das gesamte Verfahren zur Herstellung der in Reihe geschalteten Photozelleneinheiten sehr gut für die Herstellung auf Massenfertigungsbasis. Die Arbeitsgänge der Ausbildung der einzelnen Photozelleneinheiten, des Aufbringens der Isolierstreifen sowie der Anordnung des Haftstreifens können sämtlich mittels einer entsprechenden Maschine in einem einzigen Arbeitsgang über die Oberfläche des beschichteten Substrats hinweg durchgeführt werden. Gewünschtenfalls können mehrere Vorrichtungen verwendet werden, so daß die gesamte Tafel in einem einzigen Arbeitsgang fertiggestellt wird und somit nur ein einziges Mal genau ausgerichtet zu werden braucht. Die anschließenden Arbeitsgänge der Ausbildung der leitfähigen Metallschichten 30 und 32 durch Vakuumaufdampfen lassen sich ohne weiteres auf industrieller Fertigungsbasis durchführen, obgleich sie einen größeren Aufwand bedingen als die für die Herstellung der anderen Filme bzw. Schichten angewandten Spritzverfahren. Wie noch näher erläutert werden wird, ist das selektive Abtragen von Abschnitten der leitfähigen Überzugsschichten 30 und 32 zur Fertigstellung der Anordnung nach verschiedenen Verfahren möglich.

Gemäß Fig. 5 ist der Isolierstreifen 24 zusammen mit dem darüber befindlichen Teil der Leiterschichten 30 und 32 abgetragen worden. Dies kann in an sich bekannter Weise unter Verwendung eines Isolierfilms 24 (Fig. 4) erfolgen, der sich durch Ultraschallschwingung entfernen bzw. zersetzen läßt, worauf die darüberliegenden Leiterschichten 30 und 32 ihre tragende Unterstützung verlieren und ebenfalls durch die Ultraschallschwingung abgetragen werden. Der Isolierfilm 26 wird dagegen so gewählt, daß er bei der Ultraschallfrequenz, bei welcher der Film 24 entfernt wird, seinen strukturellen Zusammenhang beibehält. Auf diese Weise können ausgewählte Abschnitte der leitfähigen Schichten 30 und 32 zur Herstellung der gewünschten elektrischen Anschlüsse bzw. Verbindungen entfernt werden.

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. In den Fig. 1A-5A ist eine Substrattafel 10 dargestellt, bei welcher die SnO -Bereiche 12 bereits ausgebildet und elektrisch voneinander isoliert sind. Diese Konfiguration kann sich dann ergeben, wenn eine fehlerhafte Tafel überarbeitet wird oder wenn die CdS-Beschichtung eingeleitet werden soll, nachdem das SnO bereits entfernt worden ist. Die Entfernung des SnO zur Bildung der isolierten Elektrodenberexche kann auf die vorher in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Weise erfolgen. Aufgrund der bei der Herstellung einer Photozellentafel nach dem Aufspritzverfahren angewandten, zunehmend steigenden Temperaturen ist es wünschenswert, das SnQ zu entfernen, ohne daß die gesamte Tafel auf Raumtemperatur und anschließend wieder erwärmt zu werden braucht. In diesem Fall wird bevorzugt das Verfahren unter Verwendung der Niederspannung-Sonde angewandt, um die Filmabtragung vor der Ausbildung der CdS-Schicht 14 durchzuführen.

Sobald das gesamte Substrat mit den den HeteroÜbergang bildenden Filmen, d.h. der CdS-Schicht 14 und der Cu S-Schicht 22, beschichtet worden ist, werden ausgewählte Abschnitte dieser Filme bzw. Schichten auf die vorher in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Weise abgetragen. Gemäß Fig. 2A erfolgt die Abtragung der Filme 22 und 14 über den vorher abgetragenen Bereich des SnO -Films 12, so daß ein kleiner Anteil des CdS-Films 20 in dem Isolierspalt zurückbleibt, der sich praktisch längs des Rands des Abtragungsbereichs erstreckt.

Gemäß den Fig. 1A und 2A ist also der Spalt 13 mit einem Teil des CdS-Films 20 ausgefüllt. Dies ist dann der Fall, wenn der SnO -Film vor der Formung der Halbleiterfilme entfernt wird, um eine mögliche Beschädigung der darüberliegenden Halbleitermaterialien durch die bei der Filmverdampfung entstehende Wärme zu vermeiden. Das den Spalt 13 ausfüllende

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CdS-Material 20 erhält ein anderes Kristallgefüge als die CdS-Mikrokristalle, die sich unmittelbar an der SnO„-Schicht bilden. Es wird angenommen, daß das CdS-Material 20 im Spalt 13 einen wesentlich höheren spezifischen Widerstand besitzt als der CdS-FiIm 14, so daß es eine Isolierung zwischen benachbarten Bereichen des SnO -Films 12 herstellt. Infolgedessen kann das CdS-Material 20 beim Abtragen der überziehenden Halbleiterbereiche 22 und 14 einfach im Spalt 13 belassen werden.

Die Fig. 3A, 4Ä und 5A veranschaulichen die Arbeitsgänge der Ausbildung der Isolierfilme 24 und 26, der Aufbringung eines Isolierstreifens 28, der Ausbildung von Leiterschichten 30 und 32 und der anschließenden Abtragung von bestimmten Abschnitten der Leiterschichten zur Herstellung der gewünschten elektrischen Verbindung. Diese Arbeitsgänge werden auf dieselbe Weise durchgeführt,'wie sie in Verbindung mit den Fig. 3 bis 5 beschrieben worden ist, worauf die so gebildete Photozellenanordnung für die Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden kann.

Vorstehend wurde nur das derzeit bevorzugte Verfahren zur Abtragung der leitfähigen Überzugsschichten bzw. -filme beschrieben, um dabei die einzelnen Photozellen voneinander zu trennen und gleichzeitig die eingegliederten elektrischen Reihenverbindungen zur Bildung der zusammengeschalteten Anordnung herzustellen. Ein anderes Verfahren, das anstelle des mit Ultraschall arbeitenden Verfahrens zur Abtragung einer Isolierschicht und der darüberliegenden Leiterschichten angewandt werden kann, ist in den Fig. 6, 6A und 6B veranschaulicht. Gemäß Fig. 6 sind nach der Herstellung

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der Pbotozellentafel bestimmte Abschnitte der SnO -Schicht 12 und der darüberliegenden Filme bzw. Schichten 14 und 22 zur Bildung einer Vielzahl einzelner Photozellen auf dem Substrat 10 abgetragen worden. Die Isolierfilme 24 und 26 werden auf die vorher in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Weise aufgebracht, nur mit dem Unterschied, daß mittels des Auftragstifts ein größeres Volumen des Isolierfilmmaterials 24 aufgetragen wird, so daß der Isolierstreifen 24 eine wesentlich größere Höhe erhält als der Isolierstreifen 26. Der Höhenunterschied zwischen den Isolierstreifen 24 und sollte dabei so gewählt sein, daß die Oberseite des Isolierstreifens 24 nach dem Auftragen der Leiterschichten 32 und gemäß Fig. 6A höher liegt als die Oberseite des Isolierstreifens 26. Hierauf kann dann die Oberseite des Isolierstreifens 24 zur Entfernung der diesen überziehenden Leiterschichten 32 und 30 abgestochen werden, ohne daß die Leiterschichten und 30 an anderen Stellen der Photozellentafel abgetragen werden. Auf diese Weise wird gemäß Fig. 6B ein Isolierbereich 42 ausgebildet, in welchem der Oberteil des Isolierstreifens 24 entfernt worden ist, wodurch wiederum die Reihenverbindung zwischen den benachbarten Photozellen hergestellt wird. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die gewünschte Zellenverbindung einfach dadurch hergestellt werden kann, daß die fertiggestellte Tafel unter einer passenden Schneidkante hindurchgeführt wird.

Gemäß Fig. 7, 7A und 7B ist noch ein anderes

Verfahren zur Abtragung der Leiterschichten 30 und 32 zwecks Herstellung der Reihenverbindungen dargestellt. Bei diesem Verfahren werden wiederum auf die in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschriebene Weise mehrere Photozellen aus SnO -Schicht 12, CdS-Schicht 14 und Cu S-Schicht 2 2 auf dem Substrat 10 ausgebildet. Gemäß Fig. 7 werden sodann Isolierstreifen 24 und 26 vorgesehen. Zusätzlich wird auf der Oberseite des Isolierstreifens 24 ein "Aufreißstreifen" 44 vorgesehen, der

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aus einem Metalldraht oder einem beliebigen anderen Material bestehen kann, das eine für das Aufbrechen der dünnen Leiterschichten auf noch zu beschreibende Weise ausreichende Zugfestigkeit besitzt. Gemäß Fig. 7A werden die Leiterschichten 30 und 32 wiederum über die Gesamtoberfläche der Substrattafel 10 und auch über dem Aufreißstreifen 44 angeordnet. Der Aufreißstreifen 44 erstreckt sich dabei über die Ränder des Substrats 10 hinaus, so daß er nach oben und am Isolierstreifen 24 entlang gezogen werden kann, um dabei die überziehenden Leiterschichten 30 und 32 aufzubrechen und die Photozelleneinheiten unter Herstellung der Reihenverbindung gegeneinander zu isolieren (vergleiche Fig. 7B). Fig. 7B veranschaulicht einen Isolierbereich 46, in welchem der Isolierstreifen 24 entfernt worden ist, doch kann das Isoliermaterial 24 gewünschtenfalls auch an Ort und Stelle belassen werden.

In bevorzugter Ausführungsform besteht eine Substrattafel 52 aus einem durchsichtigen, glasartigen Werkstoff, wie Glas, wobei die Photozellen 54 auf dem Glassubstrat in Hinterwandkonfiguration angeordnet sind, nämlich derart, daß die CdS-Schicht dem Glas am nächsten liegt. Diese Anordnung eignet sich besonders für die Herstellung der anfänglichen großflächigen Photozelle nach Aufspritzverfahren. Die einzelnen Filme oder Schichten auf dem Glassubstrat werden dabei aufeinanderfolgend und bei fortschreitend niedrigeren Temperaturen ausgebildet. In diesem Fall braucht das Glassubstrat also nur einmal auf eine hohe Temperatur erwärmt zu werden, um dann auf zunehmend niedrigere Temperaturen abgekühlt zu werden. Durch den Fortfall der Notwendigkeit für eine wiederholte Erwärmung und Abkühlung des Glases in vorbestimmten Graden zur Vermeidung der Entstehung übermäßiger Spannungen wird Fertigungszeit eingespart. Das Glas ist zudem wärmebeständig, so daß es den vergleichsweise hohen Temperaturen zu widerstehen vermag, bei denen die Zinnoxid- und Kadmiumsulfidfilme herge-

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stellt werden.

Ein Glassubstrat eignet sich auch besonders gut für die Umformung der großflächigen Photozelle in kleinere Zelleneinheiten. Aufgrund des starren bzw. harten Trägers für die Überzugsfilme kann ein spanabhebendes Schneidwerkzeug für die Filmabtragung eingesetzt werden. Aufgrund der Wärmebeständigkeit des Glases kann außerdem das Zinnoxid durch Verdampfung abgetragen werden. Außerdem vermag das Glas erforderlichenfalls der chemischen Behandlung zu widerstehen, die für die Abtragung des Zinnoxids durch Ätzung erforderlich ist.

Bei der Herstellung der vollständigen Photozellentafel können sich verschiedene Prüfvorgänge als wünschenswert erweisen. Insbesondere ist es vorteilhaft, den Widerstand zwischen benachbarten Photozellen nach der Abtragung der SnO -Schicht zu prüfen, um dadurch sicherzustellen, daß die Abtragung zufriedenstellend erfolgt ist und die Photozelleneinheiten elektrisch voneinander isoliert sind. Ein besonderes Merkmal der Hinterwandkonstruktion besteht darin, daß jede Photozelle nach Fertigstellung der Anordnung einzeln geprüft werden kann, um dabei eine etwa vorhandene schadhafte Zelle genau bestimmen zu können. Weiterhin muß die Spannung der Photozellentafel nach dem Trennen der leitenden Überzugsschichten geprüft werden, um festzustellen, ob die angestrebte Reihenverbindung tatsächlich hergestellt worden ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß nicht dargestellte Seitenstreifen der Substrattafel 52, die senkrecht zu den Photozellen verlaufen, üblicherweise nach der Ausbildung der Photozellentafeln abgetrennt werden, um diejenigen Abschnitte zu entfernen, die aufgrund unvollständiger Abtragung der leitfähigen Überzugs-

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schichten möglicherweise noch elektrisch miteinander verbunden sind.

Ersichtlicherweise eignet sich also die beschriebene Photozellentafel sehr gut für die kostensparende Herstellung einer Photozellenanordnung bzw. -batterie für die Erzeugung großer Strommengen.' Jede Photozellentafel besitzt eine vergleichsweise große Oberfläche und vermag eine große Strommenge zu liefern, so daß große Mengen elektrischer_λ Energie bei vergleichsweise niedriger Gleichspannung von 18 bis 24 V abgenommen werden können. Der Innen- bzw. Eigenwiderstand der Photozelleneinheiten wird bei Ausbildung der SnO -Schicht gemäß der US-PS 3 880 633 weitgehend herabgesetzt, die ein Verfahren zur Herstellung einer SnO -Schicht mit sehr niedrigem Widerstand beschreibt. Die gemäß dieser US-PS hergestellte Zinnoxidschicht besitzt einen Schichtwiderstand von etwa 5 bis 10 Ohm pro Flächeneinheit. Dieser Schichtwiderstand erlaubt eine Zellenbreite von bis zu etwa 2 cm ohne die Entstehung unzulässiger innerer Leistungsverluste in jeder einzelnen Zelle.

Andere Vorteile der erfindungsgemäßen Sonnenzellenanordnung bzw. -batterie liegen in der Möglichkeit der Herstellung großflächiger Photozellen auf Massenfertigungsbasis unter Anwendung von Spritzverfahren zur Herstellung der verschiedenen, die Photozellen bildenden Schichten auf dem tragenden Substrat. Weiterhin wird die aktive Fläche der gesamten Photozellentafel auf einen größtmöglichen Wert gehalten, da nur schmale Streifen der Überzugsschichten bzw. -filme abgetragen werden, die im allgemeinen nicht mehr als etwa 10 % der gesamten Tafeloberfläche ausmachen, und die Leiterüberzugsschichten als praktisch durchgehende bzw. ununterbrochene Schichten ausgebildet werden, wodurch ein niedriger Widerstand gewährleistet wird. Schließlich bewirkt das Glassubstrat zwangsläufig eine Abdichtung der Strahlungs-

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einfällstlache ohne Behinderung des Lichteinfalls, während die im wesentlichen durchgehenden bzw. ununterbrochenen Leiterschichten die Heteroübergangsflachen abdichten, so daß eine Tafel erhalten wird, die gegenüber atmosphärischen Einflüssen praktisch vollständig geschützt ist. Ersichtlicherweise kann eine zweckmäßige abschließende Einkapselung zur Abdichtung bzw. "Versiegelung" der freiliegenden Ränder der Photozellen in Verbindung mit einer einen physikalischen Schutz bietenden Hinterlegung angewandt werden, doch sind anderweitig keine speziellen Einkapselungs- und Abdichtmaßnahmen erforderlich.

In den Fig. 9 und 9A sind speziell die Anschlußbereiche der fertigen Photozellentafel 50 veranschaulicht, wobei der positive Anschluß 60 in Fig. 9 und der negative Anschluß 62 in Fig. 9A dargestellt sind. Bei positivem Anschluß 60 gemäß Fig. 9 wird ein Leiter an der Leiterschicht 32 und über der Cu S-Schicht 22 angeordnet. In einfachster Ausführungsform wird als Leiter 61 ein Lötmittelwulst, z.B. in Form einer Zinn/Blei-Legierung, über den Leiterschichten 32 und 30 angeordnet. Das Volumen des den Leiterstreifen 61 bildenden Lötmetalls sollte dabei so gewählt werden, daß die Stromdichten in diesem Leiterstreifen zur weitgehenden Ausschaltung von Widerstandserwärmung und Energieverlusten auf einem zulässig niedrigen Pegel verbleiben. Das die Leiterschicht kontaktierende Material wird unter Berücksichtigung einer betrieblichen Funktion gewählt, die mit der Leiterschicht vereinbar ist und minimale Kontaktverluste gewährleistet. Sodann können am Anschluß- bzw. Leiterstreifen 61 durch Löten, Anklemmen oder dergleichen Außenanschlüsse zur Herstellung einer zweckmäßigen elektrischen Verbindung hergestellt werden.

Gemäß Fig. 9A wird ein Anschlußstreifen 63 zur Bildung einer negativen Elektrode in Kontakt mit einem freige-

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legten Abschnitt 36 der SnO -Schicht geformt. Der Anschlußstreifen 63 kann wiederum, wie erwähnt, mit Hilfe eines geeigneten leitfähigen Materials, wie Indiumlot, hergestellt werden. Zur Verhinderung eines Kurzschlußes muß der Leiterstreifen 63 außer Kontakt mit den Halbleiterfilmen 14 und erhalten werden. Diese Isolierung bzw. Trennung kann einfach dadurch erreicht werden, daß -die freiliegende Fläche 36 des SnO -Films breit genug ausgebildet wird, um den Anschlußstreifen 63 mit einem entsprechenden Abstand von den Halbleiterschichten aufzunehmen. Wahlweise kann längs der freiliegenden Flächen der Halbleiter- und Leiterüberzugsschichten ein Isolierstreifen vorgesehen werden, wie er vorher in Verbindung mit den Arbeitsgängen zur Herstellung der Reihenverbindung erläutert worden ist.

Obgleich die endgültigen Mittel zur Halterung und Einschaltung der Photozellentafel 52 in ein Gesamtnetz zur Erzeugung kommerziell bzw. industriell verwertbarer Mengen elektrischer Energie keinen Teil der Erfindung darstellen, ist darauf hinzuweisen, daß verschiedene geeignete Werkstoffe zur Ausbildung der Anschlußstreifen 61 und 63 zur Verfügung stehen und daß diese Anschlußstreifen nicht nur durch einen Lötvorgang, sondern auch in der Weise hergestellt werden können, daß geeignete Anschlußstreifen 61 und 63 physikalisch auf die betreffenden Bereiche der fertiggestellten Photozellentafel 52 aufgepreßt werden. Wesentlich ist dabei nur, daß der positive Anschluß 60 mit einer Cu S-Schicht und der

negative Anschluß 62 mit einer SnO -Schicht in Kontakt steht und von den über der SnO -Schicht befindlichen Filmen bzw.

Schichten isoliert ist.

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In Fig. 8 ist ein Teil einer fertiges teilten Photozellentafel 50 dargestellt, wobei mit 52 die Substrattafel aus einem durchsichtigem, plasartipen Werkstoff, z. B. Glas, bezeichnet ist. Auf dem filassubstrat 52 sind in Hinterwandkonfiguration Photozellen 54 angeordnet. Der positive Anschluß ist mit der Bezugsziffer 60, der negative Anschluß mit der Bezugsziffer 62 versehen.

sind Die Ausbildung der Anschlußbereiche 60 und 62/anhand der Fig. 1 und 9 A näher erläutert. Die einzelnen Photozellen 54 sind durch schmale Spalte bzw. Streifen 58 voneinander getrennt, wobei die Streifen 58 den durch die oben beschriebene Filmabtragung erhaltenen, freigelegten Räumen 36 über den jeweils freigelegten SnOx-Abschnitten entsprechen.

Die schmalen Trennstreifen 58 machen im allgeneinen nicht mehr als etwa 10 % der gesamten Tafeloberfläche aus, so daß der Anteil an aktiver Fläche bei der erfindungsgemäßen Photozellentafel erheblich ist.

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Obgleich vorstehend einige spezielle Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird.

Zusammenfassend wird also eine Anordnung bzw. Batterie aus Sperrschicht-Photozellen, die auf einfallende Strahlung ansprechen, in der Weise hergestellt, daß Schichten aus einem einen HeteroÜbergang bildenden Material auf einer transparenten bzw. durchsichtigen Substrattafel mit einem durchsichtigen, elektrisch leitenden Überzug hergestellt und anschließend ausgewählte Abschnitte dieser Materialschichten zur Ausbildung einer Vielzahl von Zellen auf einem gemeinsamen Substrat abgetragen werden. Die Zellen werden sodann elektrisch miteinander verbunden, indem elektrisch leitfähige Werkstoffe praktisch auf die gesamte Tafel aufgebracht und diese Überzugswerkstoffe nur an den Stellen abgetragen bzw. entfernt werden, wo dies für die Herstellung der elektrischen Reihenverbindung nötig ist.

Die erfindungsgemäße Photozellenanordnung in

Hinterwandkonfiguration wird von einem starren, durchsichtigen, glasartigen Substrat, beispielsweise aus normalen Glas, getragen, welches die einfallende Strahlung zu den Photozellen durchläßt. Dieses Substrat erlaubt die Anwendung höherer Temperaturen für die Film- bzw. Schichtformung sowie die Anwendung einer Vielfalt von Verfahren für die anschließende Abtragung oder Entferung bestimmter Abschnitte der Filme zur Ausbildung der Anordnung bzw. Batterie. Außerdem bildet das Substrat eine tragende Unterstützung für die Anordnung während der Handhabung und beim Einbau in eine größere Stromerzeugungsanlage.

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Mit der Erfindung wird also auch eine Anordnung von Photozellen geschaffen, bei welcher zahlreiche Photozellen in gewünschter elektrischer Schaltungsanordnung durch eine oder mehrere Schichten elektrisch leitfähiger Werkstoffe zusammengeschaltet sind, welche praktisch den gesamten HeteroÜbergang jeder Photozelle bedecken und dabei den Innenbzw. Eigenwiderstand der Photozelle weitgehend herabsetzen und den HeteroÜbergang vor schädlichen Umgebungsbedingungen schützen. Die leitfähige Schicht verbindet einen freigelegten Elektrodenbereich einer Zelle mit dem den HeteroÜbergang bildenden Material der benachbarten Zelle, während sie gegenüber allen dazwischenliegenden Zellenstrukturen isoliert ist. In spezieller Ausführungsform der Erfindung besteht die oberste Leiterschicht aus Blei, welche die darunterliegenden Werkstoffe vor atmosphärischen Bestandteilen, wie Sauerstoff und Wasserdampf, schützt, weil sie diesen Stoffen gegenüber vergleichsweise inert ist.

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Leerseite

Claims

Henkel, Kern, Feiler £r Hänzel Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Möhlstraße 37 Photon Power, Inc. D-8000München 80

El Paso, Texas, V.St.A. _Te|. ₀ 89/98 20 85-87

Telex: 0529802 hnk) d Telegramme: ellipsoid

7. Sep. 1978

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung einer Reihenschaltungsanordnung von auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Sperrschicht-Photozellen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine bestimmte Fläche des Substrats praktisch vollständig mit einem ersten Film aus einem durchsichtigen und elektrisch leitfähigen Material sowie einem darüber liegenden zweiten Film aus mindestens einem Halbleitermaterial überzogen wird, daß sodann bestimmte Abschnitte der Filme selektiv abgetragen oder entfernt werden, um auf dem Substrat zahlreiche auf Abstand angeordnete Sperrschicht-Photozellen auszubilden, und daß hierauf eine Deckschicht aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material auf die Photozellen und praktisch über die gesamte betreffende Fläche des Substrats aufgebracht wird, um zumindest einen Teil der Photozellen in einer Reihenschaltungsanordnung zusammenzuschalten.

.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des zweiten Films bestimmte Abschnitte des ersten Films zur Bildung einer Vielzahl elektrisch isolierter Bereiche des durchsichtigen, leitfähigen Films auf dem

§09812/0873

- 2 Substrat selektiv abgetragen werden. i. O ν 9 O 3

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Abschnitte des zweiten Films selektiv abgetragen werden, um das Substrat an den Stellen, an denen der erste Film entfernt worden ist, sowie den ersten Film, der an diese Stellen anschließt, freizulegen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufbringung einer Deckschicht aus einem anderen leitfähigen Material die freiliegenden Ränder der die verschiedenen Sperrschicht-Photozellen bildenden Filme mit Masken abgedeckt werden, mindestens eine Schicht des anderen leitfähigen Materials auf die verschiedenen Photozellen aufgetragen wird und dieses andere leitfähige Deckmaterial in eine Vielzahl von Leitern unterteilt wird, welche jeweils eine der verschiedenen Photozellen in elektrischer Reihenschaltung mit einer benachbarten Photozelle verbinden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufbringen des anderen leitfähigen Materials eine bestimmte Menge eines vorbestimmten Materials auf den freigelegten Abschnitt des ersten Films aufgetragen wird, um die Haftung zwischen letzterem und dieser leitfähigen Materialschicht unabhängig von der Leitfähigkeit des ersten Films zu verbessern, und zumindest ein Teil des anderen leitfähigen Deckmaterials auf das vorbestimmte Material aufgebracht und in elektrisch leitende Verbindung mit dem ersten Film gebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der selektiven Abtragung bestimmter Abschnitte der Filme zur Bildung der verschiedenen, elektrisch voneinander

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isolierten Sperrschicht-Photozellen weiterhin selektiv ein Teil des zweiten Films zur Freilegung mindestens eines Teils des ersten Films abgetragen wird und danach selektiv ein Teil des freigelegten Abschnitts des ersten Films zur Bildung einer Vielzahl von elektrisch isolierten Photozellen abgetragen wird, die jeweils einen freigelegten Bereich des ersten Films aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anordnung einer Deckschicht aus einem anderen leitfähigen Material die freigelegten Ränder der die verschiedenen Sperrschicht-Photozellen bildenden Filme maskiert werden, sodann mindestens eine Schicht des anderen leitfähigen Materials unter Abdeckung der Photozellen aufgebracht ivird und hierauf diese leitfähige Deckschicht in eine Anzahl von Leitern unterteilt wird, die jeweils eine der verschiedenen Photozellen in elektrischer Reihenschaltung mit einer benachbarten Photozelle verbinden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufbringen des anderen leitfähigen Materials eine bestimmte Menge eines vorbestimmten Materials auf den freigelegten Abschnitt des ersten Films aufgetragen wird, um die Haftung zwischen letzterem und dieser leitfähigen Materialschicht unabhängig von der Leitfähigkeit des ersten Films zu verbessern, und zumindest ein Teil des anderen leitfähigen Deckmaterials auf das vorbestimmte Material aufgebracht und in elektrisch leitende Verbindung mit dem ersten Film gebracht wird.

9. Verfahren zur Herstellung einer Reihenschaltungsanordnung von Sperrschicht-Photozellen mit mehreren elektrisch isolierten, leitfähigen Filmen auf einer Substrattafel, zwei über den leitfähigen Filmen angeordneten, einen HeteroÜbergang bildenden Halbleiterschichten und einer die Reihenschaltungsverbindung herstellenden, leitfähigen Schicht, unter Ausbildung einer Vielzahl von Sperrschicht-Photozellen auf der Substrattafel, insbesondere nach einem der vorangehenden An-

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-A-

Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der gesamten Substrattafel mindestens ein die verschiedenen leitfähigen Filme bedeckender Halbleiterfilm ausgebildet wird und daß sodann dieser Halbleiterfilm in vorbestimmten Abschnitten zur Bildung der zahlreichen Photozellen rillenförmig durchstochen wird.

10. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie, gekennzeichnet durch ein starres, durchsichtiges, glasartiges Substrat und durch eine Vielzahl von zusammengeschalteten Sperrschicht-Photozellen, die auf dem Substrat miteinander verbunden sind und die funktionell nur auf die durch das Substrat hindurchtretende Sonnenstrahlung ansprechen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Substrat und die Photozellen ein durchsichtiger, elektrisch leitfähiger Materialfilm eingefügt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozellen auf dem Substrat elektrisch in Reihe geschaltet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennaß die Sperrsd
HeteroÜbergang aufweisen.

zeichnet, daß die Sperrschicht-Photozellen einen CdS-Cu S-

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich das CdS an den durchsichtigen, elektrisch leitfähigen Film anschließt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das glasartige Substrat aus Glas besteht.

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16. Reihenschaltungsanordnung bzw. -batterie aus Sperrschicht-Photozellen, die eine Photozellentafel bilden, gekennzeichnet durch eine durchsichtige Substrattafel, durch eine Anzahl von durchsichtigen, elektrisch leitfähigen Filmen, die jeweils auf gesondert ausgewählten bzw. voneinander getrennten Abschnitten des Substrats ausgebildet und von den anderen, entsprechenden Filmen auf benachbarten Abschnitten des Substrats elektrisch isoliert sind, durch mehrere erste Halbleiterfilme, die jeweils über den durchsichtigen, leitfähigen Filmen angeordnet sind und mit Ausnahme eines Randabschnitts dieser jeweilige voneinander getrennten,durchsichtigen und leitfähigen Filme bedecken, durch eine Anzahl von zweiten Halbleiterfilmen, die sich jeweils unter Abdeckung über die Fläche der jeweils voneinander getrennten ersten Halbleiterfilme erstrecken und auf der Substrattafel eine entsprechende Anzahl von Sperrschicht-HeteroÜbergängen bilden, und durch mindestens eine auf jedem zweiten Halbleiterfilm angeordnete Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, die sich jeweils zum Randabschnitt eines benachbarten durchsichtigen, leitfähigen Films erstreckt, um die HeteroÜbergänge in Reihe zu schalten.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Halbleiterfilme gegenüber mindestens einer Schicht des elektrisch leitfähigen Materials elektrisch isoliert sind.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sperrschicht-Photozelle eine streifenförmige, sich quer über die Substrattafel erstreckende Photozelle ist.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrattafel aus Glas besteht.

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20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche zwischen dem durchsichtigen, leitfähigen Film und dem elektrisch leitfähigen Material ein die Haftung verbesserndes Material vorgesehen ist.

21. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der durchsichtige, elektrisch leitfähige Film aus SnO besteht.

22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterfilm ein solcher aus einer Verbindung von Elementen der Gruppen II und VI des Periodensystems ist.

23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verbindung CdS ist.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekenn-'nnet, c
ist.

zeichnet, daß der zweite Halbleiterfilm ein solcher aus Cu S

25. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material die zweite Halbleiterschicht unter Abdichtung bzw. Versiegelung bedeckt.

26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material eine auf dem zweiten Halbleitermaterial angeordnete erste Schicht aus Kupfer und eine auf der Kupferschicht angeordnete, mit dieser übereinstimmende zweite Schicht aus Blei umfaßt.

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27. Positive Elektrode für eine Sperrschicht-Photozelle mit einem starren, durchsichtigen, glasartigen Substrat, zwei einen HeteroÜbergang bildenden Halbleiterfilmen und einer mit dem ersten Halbleiterfilm in Kontakt stehenden, durchsichtigen negativen Elektrode, gekennzeichnet durch ein Elektrodenelement, das über dem zweiten Halbleiterfilm unter praktisch vollständiger Bedeckung desselben angeordnet ist und ihn vor ungünstigen Umgebungseinflüssen schützt.

28. Elektrode nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenelement mindestens eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material umfaßt, das sowohl ohne wesentliche Verschlechterung oder Zersetzung den Umgebungsbedingungen aussetzbar ist als auch ein Eindringen von Sauerstoff und Wasserdampf aus der Umgebungsatmosphäre zum zweiten Halbleiterfilm zu unterbinden vermag.

29. Elektrode nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht des elektrisch leitfähigen Materials aus Blei besteht.

30. Elektrode nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bleischicht und dem Halbleiterfilm eine Schicht metallischen Kupfers angeordnet ist.

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