DE2522217A1 - Sonnenzelle - Google Patents

Sonnenzelle

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DE2522217A1 DE19752522217 DE2522217A DE2522217A1 DE 2522217 A1 DE2522217 A1 DE 2522217A1 DE 19752522217 DE19752522217 DE 19752522217 DE 2522217 A DE2522217 A DE 2522217A DE 2522217 A1 DE2522217 A1 DE 2522217A1
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Description

  • Sonnenzelle Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonnenzelle, welche auf photoelektrischem bzw. lichtelektrischem Weg Sonnenenergie in elektrische Energie verwandelt. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur raschen Massenerzeugung eines derartigen Elements, welches den physikalischen und wirtschaftlichen Erfordernissen gerecht wird. Der ständig steigende Bedarf an Elektrizität sowie die sozialen und umweltbedingten Kosten der gegenwärtigen elektrischen Stromerzeugungsmethoden geben Anlaß zu ernstlicher Besorgnis. Eine kostenlose und faktisch unbegrenzte Möglichkeit auf Millionen Jahre hin ist die Gewinnung von Elektrizität aus Sonnenenergie. Letztere könnte auch dazu dienen, andere Arten von Energie, wie z. B Sonnenbeheizung, zu liefern. Die Erfindung bezieht sich jedoch auf ein spezifisches Gebiet: in unserer technologischen Zivilisation übt elektrischer Strom gewisse Funktionen aus, welche durch andere Formen von Energie nicht ersetzt werden können.
  • Gegenwärtig sind eine Vielfalt von Versuchen im Gange, Elektrizität zu erzeugen, z. B. durch Kernreaktionen und beschränktes Plasma, welche jedoch von Gefahren hinsichtlich der Möglichkeit und des Ausmaßes von Ausstrahlung und thermischen Auswirkungen begleitet sind. Auf dem Gebiet der Auswertung der Sonnenenergie zur Erzeugung von Elektrizität sind jedoch auch andere Bemühungen in Arbeit, wie z. Bv die Absorption der Sonnenenergie durch einen schwarzen Körper, wobei die dadurch erzeugte thermische Energie herkömmliche Brennstoffe ersetzt. Dieses Verfahren bedarf jedoch des herkömmlichen Generators, was wiederum eine Zentralisierung von Kraftwerken erfordert.
  • Unmittelbarer Einsatz der gegenwärtigen Sonnenzellenform für umfangreiche Stromerfordernisse, vor allem für terrestrischen Energieeinsatz, würde jedoch enorme Kosten und astronomischen Arbeitsstundenaufwand erfordern.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile bestehender Systeme zu beseitigen.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einem Verfahren zur Erzeugung eines Sonnenzellenelements, bestehend aus Silizium Sonnenzellen, welche von einem elektrisch leitenden, dünnen Aluminiumsubstrat getragen werden, wobei Verfahrensschritte hinsichtlich der Ablagerung und Entwicklung einer dünnen Schicht kristallinen Siliziums spezifischer Verunreinigungsart und -konzentration auf dem Aluminiumsubstrat vorgesehen sind, wobei das Aluminium als Nukleationsfläche für das Wachstum der Siliziumkristalle und zum automatischen Dotieren des Siliziums dient, wodurch p-n Übergänge entstehen, welche ~s dem Element ermöglichen, photoelektrische Energieumwandlung vorzunehmen, während die vorderen Elektroden und Anschlußleitungen am Element befestigt sind.
  • Die Erfindung beruht darauf, daß Energiesammier und Stromerzeuger im selben Körper vereint sind und daher eine Zentralisierung nicht erforderlich ist, was wiederum zur Folge hat, daß kostspielige und unerwünschte Stromkabelprobleme auf ein Minimum beschränkt werden können. In dieser Erfindung kommen Sonnenzellen aus Silizium oder Germanium zur Anwendung, welche rasch entwickelt und in örtlichen Satelliten aufgetragen werden.
  • Der Sonnenenergiestrom im Weltraum ist 0.14 w/cm2 Am Boden variiert dieser jedoch erheblich, und zwar als Folge der Erdrotation, der atmosphärischen Absorption und der Wetterrerhßltnisse. An einem klaren Tag ist der Mittagswert ungefähr 0.14 w/cm2. Der Wirkungsgrad gegenwärtiger Sonnenzellen bei der Verwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie liegt zwischen 8 % und 13 %. Bei einem Wirkungsgrad von 10 % am Boden können daher Sonnenzellen 1.0 x 10 w/cm2, d. h. sinngemäß 260 Megawatt/Meile2 erzeugen. Die gegenwärtigen Kosten für Sonnenzellen belaufen sich auf ungefähr $ 1/cm2 (DM 2,40/cm ). Das bedeutet also 20 Billionen Dollar (#8 Billionen DM) pro Quadratmeile.
  • Der gegenwärtige Aufbau von Sonnenzellen schließt eine Adaption auf mechanisierte Erzeugung faktisch aus, da das 2 Verhältnis ungefähr 0.1 Arbeitsstunde pro cm , d. h.
  • 6 1.25 x 10 Arbeitsjahr pro Meile beträgt.
  • Auf der Basis des gegenwärtigen Standes der Technik ergeben sich daher für eine Stadt mit 1000 Megawatt Strombedarf folgende Größen: Sonnenzellenfläche 12 Quadratmeilen, Sonnenzellenkosten g 2,8 (DM 6,72) x 1010, Erzeugungszeit 1.5 x 10T Arbeiter-Arbeitsjahre. Die Sonnenzellenfläche ist gigantisch, kann jedoch auf ungenützten Geländen, auf durch Tagbau abgetragene Bergwerk shal den oder Haus dächer verlegt werden. Am unakzeptabelsten jedoch ist der Kosten-und Produktionszeitbedarf. Zweck dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Reduzierung der Kosten und Arbeitsjahre zu entwickeln, damit Sonnenzellen im Ausmaß von mehreren Quadratmeilen innerhalb eines angemessenen Zeitraumes und mit akzeptablem Arbeitsaufwand erzeugt werden können.
  • Das Prinzip dieser Erfindung wird im wesentlichen wie folgt erklärt. Zum Zwecke größerer Klarheit wird nur die Sonnenzelle aus Silizium beschrieben, jedoch ergibt sich daraus bei geringfügiger Abwandlung die Anwendbarkeit auf Sonnenzellen aus Germanium.
  • A) Gegenwärtige Sonnenzellen bestehen aus einzelnen Kristallen. Allein die Kristallkosten betragen ungefähr $ 10 (DM 24) pro Watt. Die maßgebende Konfiguration von Sonnenzellen aus Silizium ist eine eindimensionale Strömung von Elektronen und Löchern (Minoritätsträger) senkrecht zur Oberfläche. Man kann daher anstelle eines einzelnen Kristalls ebensogut Polykristalle verwenden, solange die Dimension des Kristalls dem Durchmesser der Sonnenzelle entspricht.
  • B) Bezeichnet man nun die gegenwärtige Sonnenzelle als die herkömmliche und die durch die Erfindung geschaffene als die neue Sonnenzelle, dann beträgt die Dicke der herkömmlichen Zelle ungefähr 300 Mikrometer und die der neuen Sonnenzelle ungefähr 10 ji. Ein grundsätzlicher Maßstab zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Energieumwandlung ist die optische Absorption der nützlichen Wellenlängen durch das Kristall, d. h. Wellen, die kürzer sind als jene der Bandabstand Wellenlänge. Zahlenmäßig werden 8o % der vorhanden Sonnenenergie in Silizium von 10 > Dicke absorbiert. Die neue Sonnenzelle hätte daher einen zirka 20 % geringeren Wirkungsgrad als die herkömmliche Sonnenzelle, jedoch würden die Kosten des Siliziummaterials dreißigfach reduziert. Darüber hinaus wird bei einer Kristalldicke von weniger als 100 p der Wirkungsgrad faktisch unabhängig von der Lebensdauer des Minoritätsträgers. Kristallmängel, mechanische Schäden und Verunreinigung durch Fremdkörper, die alle zur Verkürzung der Lebensdauer führen und daher in der herkömmlichen Sonnenzellentechnik große Vorsicht erfordern, stellen bei der neuen Sonnenzelle kein Problem dar.
  • C) Im Hinblick auf die obigen Darlegungen A) und B) ist es möglich, eine bewegliche Sonnenzellenkonfiguration zu schaffen, welche auf Förderbanderzeugung adaptiert werden kann. Wesentlicher Bestandteil des Systems ist eine Trägerplatte zur Festigung der zerbrechlichen Filmschicht aus Silizium. Für diese Trägerschicht gelten zwei unerläßliche Erfordernisse: i) der thermische Expansionskoeffizient muß mit jenem des Siliziums übereinstimmen und ii) die Kosten müssen wirtschaftlich tragbar sein.
  • Diese Erfindung adaptiert für diesen Zweck eine Nickel-Eisen-Legierung, die allgemein als Glasabdichtungslegierung bekannt ist und sich wie folgt zusammensetzt: k2 % Nickel und 58 % Eisen. Polyimid mit dem Handelsnamen Kapton (DuPont-Erzeugnis) ist ein alternatives Substrat. Dieses Material ist stabiler, jedoch ist die thermische Ausdehnungsanpassung schlecht, und die Kosten sind erheblich höher.
  • Die grundsätzlichen Vorgänge und Konfigurationen zur Erzeugung der neuen Sonnenzellen werden nun in Form von acht aneinanderliegenden Stellungen dargestellt: (1) Man beginnt mit einer Rolle beweglichen Substrats, welches mittels Förderbandvorrichtung aufgerollt und in Stellung (i) gebracht wird, wo dann auf dem Substrat eine Schicht Silber und darüber eine Schicht Titan verdampft oder eine einzige Aluminium-Schicht, welche zum aufzutragenden Silizium eine Elektrode mit atomischem Kontakt bilden soll.
  • (2) Auf Stellung (ii) befindet sich eine Silizium-Verdampferquelle mit entsprechender Verunreinigung (Type n oder p) und Konzentration. Diese Quelle hat eine der folgenden Formen: (i) chemische Lösung, wie sie in epitaxialer Verdampfung verwendet wird, (ii) fester Zustand zur Elektronenstrahlverdampfung oder (iii) eine Elektrodenplatte zur lonenzerstäubung.
  • In dieser Stellung entsteht eine Silizium-Schicht ungefähr 10 Mikrometer dick.
  • (3) Als nächstes wird der Siliziumfilm mit dem Substrat auf kontinuierliche Weise aus der Stellung (il) durch (iii) in (iv) geführt, wo entweder ein Hochspannungslonenbeschleuniger Ionen mit Verunreinigungsart, die der des Originalsiliziums entgegengesetzt ist, implantiert oder ein thermischer Vorgang diese Ionen zerstreut, so daß ein pBn Übergang gebildet wird.
  • (k) Am Ende der Vorgänge (3) und (k) sollen sodann Temperaturstellungen (iii) und (v) eingeführt werden, um Temperung zu ermöglichen. Die Temperatur dieser Stellungen soll auf zirka 500 PC beschränkt sein mit Glühdauer ungefähr 10 Minuten.
  • (5) Stellung (vi) dient zur Verdampfung der Gitterlinien wie in der herkömmlichen Sonnenzelle für die vorderen Elektroden.
  • (6) Stellung (vii) dient zur Herstellung einer thermischen Druckbindung oder als Elektrodenbildungsvorgang zwecks Anbringung elektrischer Zuführungsdrähte.
  • (T) Stellung (viii) dient zur Beschichtung mit 510 oder x anderer Art, die zweierlei Zwecke erfüllt: reflexmindernde und Schutz des Gitters gegen Umwelt bedingte Korrosion.
  • (ô) Zusätzlich kann man eine Schicht plastischen Belags wie z. B. reines Teflon auftragen. Dies stellt eine Ergänzung zu SiO dar und dient als Schutz der vordex ren und hinteren Seite der Zelle, falls dies notwendig ist.
  • (9) Die kontinuierliche Rolle Substrat, die in Stellung (i) eingeführt wurde, kommt in Stellung (viii) als Rolle fertiggestellter Sonnenzellenplatten heraus. Diese Bleche haben intermediäre Anschlußkabel, die entweder für Serien- oder Parallelanschlüsse konstruiert sein können, um die erwünschte Spannung und den Strom zu erzeugen.
  • Diese Stufen sind keineswegs exklusiv oder inklusiv.
  • Manche Stufen können kombiniert oder eliminiert werden.
  • Man kann zum Beispiel finden, daß die thermischen Glühstufen in eine einzige verbunden werden können. Andererseits ergeben sich vielleicht zusätzliche Stufen als erstrebenswert: i) Auftragung einer Siliziumoxydschicht auf das Substrat vor der metallischen Elektrodenverdämpfung. Diese Oxydschicht dient dreierlei Zwecken: (i) der elektrischen Isolierung vom Substrat, (ii) der Reduzierung der Diffusion zwischen dem Substratmaterial und der Halbleiterschicht und (iii) der besseren Substratadaptierung zur Entwicklung von Siliziumfilmen.
  • ii) Wenn die Titan-Silber-Legierung als Grundelektrode verwendet wird, wenn ausreichend hohe Temperatur angewendet wird, kann Titan als Gettermittel zur Entfernung schädlicher Verunreinigungen aus der Halbleiterschicht dienen.
  • Zusammenfassend sei gesagt, daß das System aus einem großen Beschichtungs- und Temperungssystem mit Sperrvorrichtung zwischen den verschiedenen Stufen zur Verhütung von Verschmutzung baMeht . Die äußerliche Verschmutzung und mechanische Spannung und Dehnung werden auf ein Minimum beschränkt, weil das Produkt vor seiner Fertigstellung nicht der Umgebung außerhalb des geschlossenen Systems ausgesetzt wird.
  • PatentansPrüche:

Claims (10)

  1. Patent ansprüche: 1. Verfahren, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß zur Erzeugung eines Sonnenzellenelements, bestehend aus Silizium Sonnenzellen, welche von einem elektrisch leitenden, dünnen Aluminiumsubstrat getragen werden, wobei Verfahrensschritte hinsichtlich der Ablagerung und Entwicklung einer dünnen Schicht kristallinen Siliziums spezifischer Verunreinigungsart und -konzentration auf dem Aluminiumsubstrat vorgesehen sind, wobei das Aluminium als Nukleationsfläche für das Wachstum der Siliziumkristalle und zum automatischen Dotieren des Siliziums dient, wodurch p-n Übergänge entstehen, welche es dem Element ermöglichen, photoelektrische Energieumwandlung vorzunehmen, während die vorderen Elektroden und Anschlußleitungen am Element befestigt sind.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch t, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß zur Erhöhung der Leistung von Sonnenzellen aus Silizium zwischen erster und zweiter sowie zwischen dritter und vierter Stufe thermische Glühbehandlung stattfinden.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die bezeichnete dünne Schicht kristallinen Siliziums eine Dicke von ungefähr 10 Mikrometer hat.
  4. 14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine zusätzliche Stufe vorgesehen ist, in welcher das Material in einer fünften Position mit reflexminderndem und korrosionsverhütendem Belag beschichtet wird.
  5. 5. Verfahren zur Herstellung von Solarzellen, g e --k k e n n z e i c h n e t durch folgende Verfahrensschritte: 1. Befestigung eines Substrats auf einer Arbeitsstelle; 2. Bildung einer Oxydschicht auf dem Substrat; 3. Bildung einer Verfahrensschicht bzw. Metallschicht auf der Oxydschicht; 4. Ablagerung und Wachstum einer dünnen Schicht kristallinen Siliziums spezifischer Verunreinigungsart und -konzentration auf der Metallschicht; 5. Bildung von p-n Übergängen, wodurch mit der Zelle eine photoelektrische Energieumwandlung erfolgen kann, und 6. Befestigung der Elektroden an der Zelle.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die bezeichnete Oxydschicht aus Siliziumoxyd besteht.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die bezeichnete Oxydschicht aus Aluminiumoxyd besteht.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die bezeichnete Metallschicht aus Aluminium besteht.
  9. 9. Sonnenzelle, g e k e n n z e i c h n e t durch 1. ein Substrat; 2. eine Oxydschicht, welche auf bezeichnetem Substrat aufgetragen ist; 3. eine Metallschicht, die auf der Oxydschicht aufgetragen ist; 14. eine Schicht aus kristallinem Silizium spezifischer Verunreinigungsart und -konzentration, welche auf der Metallschicht aufgetragen ist, in welcher eine Vielzahl von p-n Übergängen zur Durchführung photoelektrischer Energieumwandlung vorhanden sind; und 5. eine Elektrode, welche mit den bezeichneten p-n Übergängen elektrisch verbunden ist.
  10. 10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements in Blechform, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Verfahrensschritte: 1. Befestigung eines blechförmigen Substrats auf einer Arbeitsstelle; 2. Bildung einer Oxydschicht auf dem Substrat; 3. Bildung einer Metallschicht auf der Oxydschicht; und 14. Ablagerung und Wachstum einer dünnen Schicht von kristallinem Silizium spezifischer Ver/unreinigungsart und -konzentration auf der Metallschicht, auf der das Halbleiterelement geb#3det werden kann.
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