DE3016771A1

DE3016771A1 - Solarzellen-befestigung

Info

Publication number: DE3016771A1
Application number: DE19803016771
Authority: DE
Inventors: Norman Sam Klein
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1979-05-04
Filing date: 1980-04-30
Publication date: 1980-11-06
Also published as: US4209347A; JPS55148474A; FR2455800A1

Description

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-A-

RCA 73 551 Hk/kl

U. S. Serial No. 036,190

Filed: May 4, 1979

RCA Corporation New York, N. Y., V. St. ν. Α.

Solarzellen-Befestigung

Die Erfindung betrifft Modul-Aufbauten von Solarzellen.

Eine bekannte Ausgestaltung einer Solarzelle umfaßt eine Platte aus Halbleitermaterial mit einem Basisbereich der einen Leitfähigkeit und einem Emitterbereich der anderen Leitfähigkeit. Ein metallisiertes Elektrodengitter auf der Oberfläche des Emitterbereichs wird benützt, um Majoritäts fladungs) träger aufzunehmen, die" im Halbleitermaterial in Reaktion auf die einfallende Solars-trahlung erzeugt werden. Das Gitter kann in Form eines Feldes metallisierter Leiter ausgestaltet sein, die zumindest an einem Rand der Zellenstirnseite endigen. Ein Sammelschienenleiter auf dem Gitter an dem Rand bzw. an den Rändern der Zellenstirnseite wird verwendet, um Majoritätsträger von den verschiedenen Gittergliedern zu einem einzigen Leiter zu leiten. Die Platte aus Halbleitermaterial weist einenthermischen Ausdehnungskoeffizienten in der" Größenordnüng eines ersten Werts auf.

Der Solarzellen-Aufbau enthält ferner einen elektrischen Leiter für eine ohmische und thermische Verbindung mit der Sammelschiene, der einen thermischenAusdehnungskoeffi-

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zienten aufweist, welcher sich vom ersten Wert im wesentlichen unterscheidet. Ferner umfaßt der Aufbau einen Block aus elektrisch leitendem Wärmesumpfmaterial, wobei der Block für eine ohmische und thermische Verbindung mit der Fläche des Basisbereichs der Platte vorgesehen ist. Der Block besitzt eine thermische Ausdehnung, die sich ebenfalls vom ersten Wert im wesentlichen unterscheidet.

Nach der Erfindung umfaßt der Solarzellen-Aufbau ferner eine erste elektrisch leitende Elektrode, die in einer ohmischen und thermischen Berührung sowohl mit dem Wärmesumpfmaterial als auch mit dem Basisbereich der Platte steht, sowie eine zweite elektrisch leitende Elektrode, die in einer ohmischen und thermisch leitenden Berührung sowohl mit dem elektrischen Leiter als auch mit der Gittersammeischiene steht, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode einen Wert aufweisen, der in der Nähe des ersten Werts liegt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Solarzellen-Aufbaus mit der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Zelle nach Fig. 1 in auseinandergezogener Anordnung,

Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils einer Zellenanordnung, und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Solarzellen-Anordnung nach Fig. 3 mit einem Solarzellen-Aufbau, der die Erfindung enthält.

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In den Fig. 1 und 2 ist ein Solarzellen-Aufbau veranschaulicht, bei dem eine Platte 10 aus Halbleitermaterial wie Silizium entweder η-dotiert oder p-dotiert ist, um einen Emitterbereich oder eine Schicht 12 auszubilden, während der Rest der Platte so dotiert ist, daß diese die entgegengesetzte Leitfähigkeit besitzt, um den Basisbereich 14 auszubilden. Solarenergie wird durch Linsen oder andere (nicht dargestellte) Einrichtungen auf der Emitterschicht 12 konzentriert. Diese erzeugt Maj oritäts(ladungs)träger, die Elektronen oder Löcher sein können , und zwar in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des Emitter- und Basisbereichs, wobei die Majoritätsträger zur Oberfläche der Emitterschicht 12 wandern.

Die Zellenplatte 10 weist eine Dicke t auf, die wesentlich kleiner ist als die Länge 1 ihrer Seiten. Beispielsweise können die Dicke t 0,0127 cm (0,005 inch) und die Länge 1 1,68 cm (0,660 inch) betragen. Das Halbleitermaterial der Platte 10, das beispielsweise Silizium sein kann, ist im Vergleich zu anderen Materialien spröde, beispielsweise zu Kupfer, die als Leiter oder Wärmesumpf in anderen Teilen des Aufbaus Verwendung finden. *^?

Um die Elektronen oder Löcher aufzufangen, ist ein Gittermuster 16 auf der Emitterschicht 1.2 aufgelegt. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, umfaßt der Gitteraufbau eine Anordnung oder ein Feld L-förmiger Gitterglieder, die auf der Oberfläche der Emitterschicht 12 aufgenommen bzw. in— einander gelegt und voneinander beabstandet sind. Der Gitteraufbau 16 ist in vier symmetrische Quadranten aufgeteilt, die im wesentlichen gleich aufgebaut sind. Die Schenkel der Gitterglieder in jedem Halbquadranten sind identisch zu den Schenkeln ausgebildet, die im anderen Halbquadranten liegen. Bei einem derartigen Aufbau endigen ^:

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die Gitterglieder bei einer viereckigen bzw. quadratischen Sammelschiene 17 angrenzend an die Seiten ^;ö, ..U,,?,-und 24 der Emitterschicht 12. Die Sammelschiene 17 ist ein metallisiertes Muster, das mit dem Gittermuster 16 auf den Emitter aufgelegt wird, und erstreckt sich um den Umfang der Emitterschicht 12 auf der Zellenseite.

Ein Sammeischienendraht 26 fängt die erzeugte Elektrizität vom Gitteraufbau 16 über die Sammelschiene 17 auf. Der Draht 26 ist aus hitzebeständigem Material wie Molybdän gefertigt, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der in der Nähe des thermischen Ausdehungskoeffizienten der Platte 10 liegt. Der Draht 26 ist viereckig bzw. quadratisch geformt und steht in einer Berührung mit der Sammelschiene 17.

Eine Kupferelektrode 30 ist mit einer viereckigen bzw. quadratischen Öffnung 32 ausgebildet. Die Öffnung 32 weist in etwa die gleiche Größe auf wie der aktive Zellenstirnflächenbereich der Emitterschicht 12, und es ist die Öffnung 32 über der Emitterschicht 12 mittig positioniert. Die Elektrode 30 wird zuerst mit einem Blei-Zinn-Lot am Draht 26 bei den Begrenzungen 34, 34', 34" und 38 der Öffnung 32 zwecks Ausbildung eines Unteraufbaus hartverlötet. Eine Nase 36 erstreckt sich von der Elektrode, um eine Anschlußklemme auszubilden. Die Elektrode 3O kann beispielsweise 5,O8 cm (2 inch) lang sein, wobei hiervon die Nase 36 näherungsweise 2,5 cm (1 inch) lang ausgebildet ist. Der Draht 26 des Elektrode 3O und Draht 26 umfassenden Unteraufbaus wird dann an der Samme!schiene 17 haftverlötet.

Eine metallisierte Elektrode 19 wird über die gesamte Fläche des Basisbereichs auf der Unterseite der Platte 10 aufgelegt und mit einem viereckigen bzw. quadratischen Molybdän-Blatt

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40 hartverlötet. Das Blatt 40 kann eine Dicke von 0,0889 cm (0,035 inch) aufweisen und besitzt die gleiche Länge 1 wie die Platte 10- Die Größe der Fläche auf der zur Platte 10 hinweisenden Seite des Blatts 40 ist näherungsweise gleich der Stirnfläche der Elektrode 19 und des Basisbereichs 14.

Ein Wärmesumpf 42 ist aus einem Kupferblock gebildet, der in Draufsicht viereckig bzw. quadratisch und relativ dick bezüglich der Dicke der Platte 10 ist. Beispielsweise kann der Block eine Dicke t¹ von ca. 0,476 cm (3/16 inch) aufweisen. Die Seitenabmessung des Blocks kann geringfügig größer sein als die Länge 1 der Platte 10. Beispielsweise kann eine-Seitenlänge von 1,90 cm (0,75 inch) vorgesehen sein. Der Block 42 hat eine mittige kreisförmige Öffnung 44, in der ein Stift 46 hartverlötet ist, der ebenfalls aus Kupfer sein kann. Der Stift 46 weist an seinem herabhängenden Ende 48 ein Gewinde auf. Die Anordnung bildet eine Sandwich-Konstruktion aus Teilen, die am besten der Fig. 1 zu entnehmen sind. Vorteilhafterweise wird zuerst der Sumpf 42 mit dem Blatt 40 in einem untergeordneten Aufbau hartverlötet. Anschließend wird das Blatt 40 mit der Elektrode 19 (weich)verlötet. -

Die relativ dünne Platte 10 weist eine Dicke auf, die deutlich kleiner ist als ihre Länge, z. B. mehr als 50 mal . kleiner. Wäre die Platte 10 direkt am Wärmesumpfblock, ζ. B. Block 42, oder an der Elektrode 30 befestigt, wäre diese einer mechanischen Beanspruchung bei einer Anordnung in einer Umgebung eines thermischen Kreises ausgesetzt. Beispielsweise sollte bei einem gewöhnlichen Gebrauch die Konstruktion in der Lage sein, Temperaturen von -40 C bis +90 C zu widerstehen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer unterscheidet sich jedoch deutlich vom thermi-

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sehen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium. Demzufolge führt der Unterschied zwischen der thermischen Ausdehnung von Kupfer und der thermischen Ausdehnung der Siliziumplatte IO zu einer mechanischen Beanspruchung, die in diesen Materialien hervorgerufen wird. Die Platte, die relativ dünn und spröder ist als die Kupferelektroden und der Wärmesumpf bricht leicht.

Um dies zu verhindern.bilden der Molybdän-Draht 26 auf dem Gitteraufbau und das Molybdän-Blatt 40 eine mechanische Zwischenfläche für thermische Beanspruchungen, die durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten entstehen. D. h., der Molybdän-Draht 26 und das Blatt 40 besitzen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der in der Nähe desjenigen der Siliziumplatte 10 liegt. Demzufolge tritt während eines thermischen Kreises, d. h. einem Wärmedurchgang, eine vergleichsweise geringe mechanische Beanspruchung in der Platte 10 infolge eines Zusammentreffens der linearen Ausdehnungen von Platte 10, Draht 26 und Blatt 40 auf.

Da die Kupf erelektrode 30 am Draht 26 und der Wärmesumpf am Blatt 40 hartverlötet sind, führen die Unterschiede in der linearen Ausdehnung infolge eines Wärmedurchgangs zu einer Beanspruchung zwischen diesen beiden Materialien. Da jedoch Kupfer dehnbar und Molybdän ein Material hoher Festigkeit ist, bewirkt der Unterschied in der linearen Ausdehnung zwischen diesen in keinem Falle eine Spannungsstörung zwischen den Einzelteilen. Demzufolge kann die Anordnung in einem weiten Bereich eines thermischen Kreises ohne Eintritt mechanischer Spannungsstörung aufgrund einer Veränderung der linearen Ausdehnung dieser unterschiedlichen Materialien angewendet werden.

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Der Aufbau nach den Fig. 1 und 2 schafft auch eine zweckmäßige Vorrichtung zur Ausbildung einer Anordnung von Solarzellen. Gemäß Fig. 3 sind die Anordnungen 5O identische Solarzellen-Aufbauten, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind. Der Stift 46 ist in einer Öffnung eines Aluminiumstreifens 52 eingesetzt, der ein L-förmiges langgestrecktes Aluminiumglied ist. Der Stift 46 verläuft anschließend durch eine Öffnung eines Aluminiumblatts 54 sowie eine Öffnung in einem Schenkel 56 eines Kanals 58, der ebenfalls aus Aluminium ist. Eine Mutter 60 und ein Sicherungsring 62 sichern den Stift 46 am Streifen 52, Blatt 54 und Schenkel 56, die elektrische Verbindungen zwischen den Stiften 46 benachbarter Zellen 50 herstellen und auch als Wärmesumpfeinrichtungen für thermische Energie dienen, welche von den Blöcken 42 und Stiften 46 geleitet wird. Ein flexibles längliches dünnes Kupferleiterband 60 ist an der Unterseite des Blocks 42 am Ende 62 befestigt. Das andere Ende 64 des Bandes ist an der Nase 36 einer entsprechenden Solarzellen-Anordnung 50 (weich)verlötet. Knickstellen 64 für eine thermische Expansion sind im Band 60 für Unterschiede in der Wärmeausdehnung des Bandes während eines Temperaturdurchgangs vorgesehen. Der Aufbau nach Fig. 3 ist in einer Anordnung wi-e in Fig. 4 gezeigt ausgebildet.

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Claims

Γ «.TENT. ANWÄLTE

DR. DIETER V. BEZOLD

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ

DIPL. IxMG. WOLFGANG HJEUSLER

MARIA-THEHESIA-STRASSE 22 POSTKACH 8(11)H 68

D-8000 MUENCHEN 86

TELEFON 080/470006

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TELEX 1122(138

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Filed: May 4, 1979

RCA Corporation New York, N.Y., V. St. v. A.

Solarzellen-Befestigung Patentansprüche

M₁ Solarzellen-Aufbau mit folgenden Teilen: eine^Platte aus photoempfindlichem Halbleitermaterial mit einem Basisbereich der einen Leitfähigkeit und einem Emitterbereich der anderen Leitfähigkeit, wobei die Platte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der.Größenordnung eines ersten Werts aufweist; einem in elektrischer Berührung mit dem Emitterbereich stehenden Elektrodengitteraufbau zum Leiten von Ladungsträgern vom Emitterbereich zu einer Sammelschiene, die an einem Rand der Platte angeordnet ist; einem elektrischen Leiter für eine ohmische und thermische Verbindung mit der Sammelschiene, der einen thermischen Ausdehnungs-

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koeffizienten aufweist, der sich vom ersten Wert im wesentlichen unterscheidet; und einem Block aus elektrisch leitendem Wärmesumpfmaterial für eine ohmische und thermische Verbindung mit dem Basisbereich über die Basisbereichsfläche für ein Kühlen der Platte, wobei der Block einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich vom ersten Wert im wesentlichen unterscheidet, gekennzeichnet durch

eine erste elektrisch leitende Elektrode (40) in einer ohmischen und thermischen leitenden Berührung sowohl mit dem Block (42) aus Wärmesumpfmaterial als auch mit dem Basisbereich (14) über eine Fläche von in etwa der gleichen Größe wie der Basisbereich, wobei die erste Elektrode einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung eines Werts aufweist, der in der Nähe des ersten Werts liegt, um den Block mit dem Basisbereich zu verbinden, und

eine zweite elektrisch leitende Elektrode (26)in einer ohmischen und thermischen leitenden Berührung sowohl mit dem elektrischen Leiter (30) als auch mit der Gittersammelschiene (17), wobei die zweite Elektrode einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung eines Werts aufweist, der in der Nähe des ersten Werts liegt, um den elektrischen Leiter mit der Basis zu verbinden (Fig. 1).
2. Solarzellen-Anordnung mit einer Vielzahl von sich gleichenden Solarzellen-Aufbauten gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch .

erste und zweite voneinander beabstandete Wärmesumpfglieder (Anordnung mit 52, Anordnung mit 52'); eine Einrichtung (52) zum thermischen und elektrischen Verbinden einer ersten Gruppe' von Solarzellen-Aufbauten über ihre entsprechenden Wärmesumpfleiter mit dem ersten

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Wärmesumpfglied; und

eine Einrichtung (52 ') zum thermischen und elektrischen Verbinden einer zweiten, anderen Gruppe von Solarzellen-Aufbauten über ihre entsprechenden Wärmesumpfleiter mit dem zweiten Wärmesumpfglied, wobei die zweite Elektrode (26) eines jeden Zellenaufbaus der ersten Gruppe ihren Emitterbereich mit der ersten Elektrode (40) eines entsprechenden Zellenaufbaus der zweiten Gruppe verbindet (Fig. 3).

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