DE19802325A1 - Elektrostatische Ableitung für Solarzellen - Google Patents
Elektrostatische Ableitung für SolarzellenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Electro static discharge (ESD) Schutz für Solar
Cell Assembly (SCA), insbesondere für die Verwendung als Bauteil von
Solargeneratoren, die sich im Orbit befinden, wobei die SCA aus einem mit
einer leitfähigen Bedampfung versehenen Deckglas, einer Klebeschicht und
einer Solarzelle aufgebaut ist.
ESD Schutz ist notwendig, um zu vermeiden, daß sich die Deckgläser der
Solarzellen (Silizium oder Gallium Arsenid) im Orbit auf ein unzulässig hohes
Potential aufladen. Unzulässig hohen Ladungspotentiale führen zur Zerstö
rung von empfindlichen elektronischen Komponenten auf dem Satelliten oder
sogar zum Ausfall des gesamten Solargenerators.
Für diesen ESD Schutz sind zur Zeit zwei verschiedene Methoden entwickelt
und für Raumfahrtanwendungen qualifiziert worden. Beiden Methoden ge
meinsam ist der hohe Kostenaufwand und die eingeschränkte Umsetzung zu
einer reproduzierbaren, einfachen und vor allem billigen Serienfertigung.
Beim CLUSTER Satellitenprojekt verwendete technische Lösung:
Beim CLUSTER Solargenerator werden aufgrund der zylindrischen Form die leitfähigen Deckgläser mittels Spiralwires gemeinsam kontaktiert und geerdet.
Beim CLUSTER Solargenerator werden aufgrund der zylindrischen Form die leitfähigen Deckgläser mittels Spiralwires gemeinsam kontaktiert und geerdet.
Dieses Prinzip hat sich bewährt, weist aber mehrere Nachteile auf:
- - kann nur bei zylindrischen Generatorflächen bis zu einem bestimmten Krümmungsradius angewendet werden.
- - Funktioniert nur bei einer niedriger Satelliten Spinrate.
- - Erschwert und verteuert nach der Montage eventuell notwendige Zell reparaturen, da die aufgebrachten Spiralwires entfernt werden müssen und nicht wieder verwendet werden können.
Beim XMM-Satellitenprojekt verwendete technische Lösung:
Bei diesem Prinzip werden die Zellzwischenräume mit sogenannten Kleber kreuzen versehen und anschließend mittels Leitkleber kleine Silberplättchen aufgebracht. Dadurch entsteht eine Verbindung aller leitfähigen Deckgläser, die gemeinsam geerdet werden, ohne jedoch Kontakt zu den einzelnen Solar zellen zu haben. Folgende Nachteile haben sich ergeben:
Bei diesem Prinzip werden die Zellzwischenräume mit sogenannten Kleber kreuzen versehen und anschließend mittels Leitkleber kleine Silberplättchen aufgebracht. Dadurch entsteht eine Verbindung aller leitfähigen Deckgläser, die gemeinsam geerdet werden, ohne jedoch Kontakt zu den einzelnen Solar zellen zu haben. Folgende Nachteile haben sich ergeben:
- - hoher Arbeitsaufwand. Mehrere tausend Kleberkreuze müssen von Hand mittels Injektor aufgebracht werden.
- - Nach der Fertigung ist ein aufwendiger Reinigungsprozeß notwendig, um störende Kleberreste zu entfernen.
- - Nicht auszuschließende Fertigungstoleranzen können zu Kurzschlüs sen führen, die erhebliche Nacharbeiten notwendig machen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine sichere Ableitung für die elektrostatische
Aufladung von Solarzellen bei Raumfahrtanwendungen zu schaffen, damit
Störungen an den Solarzellen und Trägern (Panels) vermieden werden und
eine entladungsfreie Umgebung für die hochempfindlichen Instrumente auf
einem Satelliten geschaffen wird.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Die
Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Konzept der Erfindung ist, daß das entstehende Ladungspotential auf den
Deckgläsern nicht wie beim Stand der Technik mittels einer gesamten leitfähi
gen Oberflächenschicht abgeleitet wird, sondern das Deckglas einer jeden
Zelle einzeln auf die Solarzelle selbst geerdet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Solar Cell Assembly (SCA) in axonometri
scher Darstellung und
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild einer Solarzelle mit einer leitfähigen ESD-
Schicht.
Fig. 1 zeigt eine Solar Cell Assembly (SCA) 2, die aus einem Deckglas 4 mit
leitfähiger Bedampfung 6, einer Kleberschicht 8, einer Solarzelle 10 und seit
lich angeordneten Zellenverbindern 12 besteht. Die SCA weist vier Seiten
flächen 14, 16, 18, 20 auf. Erfindungsgemäß befindet sich an den Seiten
flächen (oder Teilen der Seitenflächen) eine leitfähige Schicht 22, die die
leitende Bedampfung 6 und die Solarzelle 10 leitend miteinander verbindet.
Diese Schicht 22 ist an der Seitenfläche 14 dunkel dargestellt. Damit entsteht
der ESD-Widerstand. Die Solarzelle besteht in bekannter Weise aus einer
n-Schicht und einer p-Schicht.
Wie in dem Ersatzschaltbild (Fig. 2) zu sehen ist, wird durch die Anbringung
einer leitfähigen Schicht über die N-P Kante der Solarzelle ein zusätzlicher
Parallelwiderstand geschaffen, der den Wirkungsgrad der Solarzelle gering
fügig verändert. Betrachtet man eine Solarzelle als eine Parallelschaltung be
liebig vieler infinitesimal kleiner einzelner Stromquellen, so wird durch den
ESD Widerstand nur eine Quelle an der Kante belastet. Dies wurde auch
durch Messungen des Durchlaßwiderstandes nach dem Sputtern bestätigt.
Ziel bei der Aufbringung dieser leitfähigen Schicht ist es, einen Widerstand
RESD von zirka 1 kohm bis 10 kohm zu erreichen. Dieser Widerstand ist voll
kommen ausreichend, um ein Ableiten der Ladungspotentiale zu erreichen
und dennoch groß genug, um den Wirkungsgrad der Solarzelle nicht negativ
zu beeinflussen.
Das Aufbringen des ESD Widerstandes und die Auswahl der Materialien ist
abhängig von der Anwendung. Beispiele für Raumfahrtanwendungen sind
nachfolgend erläutert:
Damit kann eine niederohmige Schicht auf den Zellrand aufgebracht
werden. Erste Vorversuche durch Sputtern haben gezeigt, daß sich be
reits in weniger als 1 Minute ein Ableitwiderstand von 3 kohm erzeugen
ließ. Der Durchlaßwiderstand der Solarzelle veränderte sich dabei von
496 Ohm vorher auf 485 Ohm nach dem Sputtern. Eine Veränderung
des Sperrwiderstands hat sich nicht messen lassen.
Neben dem Sputtern ist das Aufdampfen von leitfähigen Schichten
möglich. Die Vorteile entsprechend dem des Sputtern. Es werden dün
ne Schichten erzielt.
Es ist eine weitere Verbilligung des Prozesses, wenn die leitfähige
Schicht durch eine flüssig aufgebrachte Leitschicht erzeugt wird.
Die Haftfestigkeit kann durch Primern der Zellkante erreicht werden.
Zudem verbessert dies die Isolation des N-P Übergangs. Nachteilig
könnte sich die geringe Strahlungsfestigkeit von Polymerverbindungen
im Orbit auswirken.
Da der thermische Ausdehnungskoeffizient des Deckglases als auch der So
larzelle selbst bereits genau aufeinander abgestimmt sind, besteht nur ein
sehr geringes Risiko, daß eine aufgebrachte leitfähige Schicht durch thermi
sche Spannungen reißt. Ein besonderer Schutz (Stress Relief) ist daher nicht
notwendig.
Da beim erfindungsgemäßen Verfahren jede Zelle für sich ESD geschützt
ist, sind nur sehr hochohmige Ableitwiderstände notwendig, um einen aus
reichenden ESD Schutz zu gewährleisten. Geht man von einem Aufladungs
strom von 1.10-9 A/cm2 aus, so würde ein ESD Widerstand von 5 Mohm pro
Zelle ausreichen, um eine maximale Deckglasaufladung von 0,1 V zu gewähr
leisten. Dies entspricht selbst höchsten ESD Anforderungen.
Legt man nun zugrunde, daß ein bei der Herstellung aufgebrachter ESD
Widerstand von 1 kohm den Solarzellenwirkungsgrad nicht negativ beeinflußt,
und 5 Mohm vollkommen ausreichend sind, dann entspricht dies einem Si
cherheitsfaktor von 5000. Damit sind alle eventuellen Fertigungstoleranzen
und weiteren Degradationseffekte hinreichend abgedeckt. Das Verfahren ist
damit fehlertolerant.
- - Deutliche Verbilligung des Fertigungsverfahrens.
- - Da bei diesem Verfahren jede einzelne Zelle selbst ESD geschützt ist, entfällt jegliche Generator-, und Kundenspezifische ESD Konstruktion und Qualifikation.
- - Der ESD Schutz kann bereits während der SCA Fertigung innerhalb der Automationsline aufgebracht werden, ohne daß sich dadurch die Fertigungszeiten verlängern.
- - Es können die bisher üblichen ITO beschichteten Deckgläser verwen det werden. Es entstehen damit keine zusätzliche Kosten.
- - Dieses neue ESD Erdungskonzept erfordert keine zusätzliche Masse. (10 nm Goldschicht pro Zelle ist vernachlässigbar)
- - Die aufgebrachte Schicht erfüllt alle raumfahrtspezifischen Anforde rungen wie Temperatur-, Strahlungs-, und Vibrationsbeständigkeit.
- - Bei der Generatorfertigung selbst entstehen keine Kosten. Der bishe rige Fertigungsprozeß muß nicht verändert werden. Es bietet sich damit die Möglichkeit, alle zukünftigen Solargeneratoren mit einem ESD Schutz auszurüsten.
- - Die Flächenbelegung der Panelstrukturen kann erhöht werden, da gegenüber den bisherigen ESD Lösungen ein aufwendiges System von Erdungsleitern nicht mehr erforderlich ist.
- - Zuverlässigkeit: Der ESD Erdungsprozeß kann durch Kontrolle von wenigen Parametern in sehr engen Grenzen kontrolliert werden. Eventuelle Probleme beschränken sich damit auf einzelne SCA's und nicht wie bisher auf fertig montierte Solargeneratoren.
- - Die Wirkungsgradverluste dieses neuen ESD Konzeptes liegen deut lich unter den bisher üblichen 1-2%.
Claims (7)
1. Electro static discharge (ESD) Schutz für Solar Cell Assembly (SCA),
insbesondere für die Verwendung als Bauteil von Solargeneratoren,
die sich im Orbit befinden, wobei die SCA aus einem mit einer leiten
den Schicht versehenen Deckglas, einer Klebeschicht und einer Solar
zelle aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein
Teil einer Seitenfläche (14, 16, 18, 20) der SCA (2) mit einer leitfähi
gen Schicht (22) versehen ist, die die leitende Schicht (6) auf dem
Deckglas (4) und die Solarzelle (10) verbindet.
2. ESD Schutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Seitenfläche (14, 16, 18, 20) der SCA (2) mit der leitfähigen Schicht
(22) versehen ist.
3. ESD Schutz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß meh
rere Seitenflächen (14, 16, 18, 20) der SCA (2) mit der leitfähigen
Schicht (22) versehen sind.
4. ESD Schutz nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeich
net, daß die leitende Schicht (6) auf dem Deckglas (4) eine leit
fähige Bedampfung ist, die aus Indium Titanoxid (ITO) besteht.
5. ESD Schutz nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die an der Seitenfläche (14, 16, 18, 20) der SCA (2) befind
liche leitfähige Schicht (22) eine Goldschicht mit einer Schichtdicke
von 5 nm bis 30 nm ist, die mittels Sputtern aufgebracht wird.
6. ESD Schutz nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die an der Seitenfläche der SCA befindliche leitfähige Schicht
(22) aus ITO oder Gold oder Silizium besteht und durch Aufdampfen
aufgebracht ist.
7. ESD Schutz nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die an der Seitenfläche (14, 16, 18, 20) der SCA (2) befindliche
leitfähige Schicht (22) ein leitfähiger Materialstreifen oder ein leitfähi
ger Polymer ist.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ASTRIUM GMBH, 81667 MUENCHEN, DE |
|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |