DE2919114A1

DE2919114A1 - Photovoltaische zellen in feldanordnung und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE2919114A1
Application number: DE19792919114
Authority: DE
Inventors: William J Biter; Fred A Shirland
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-05-11
Filing date: 1979-05-11
Publication date: 1979-11-15
Also published as: JPS54158891A; GB2020901A; FR2425726B1; US4191794A; FR2425726A1

Description

Photovoltaische Zellen in Feldanordnung und Verfahren zur Herstellung derselben

Die Erfindung betrifft photovoltaische Zellen in Feldanordnung auf einem isolierenden Substrat,, bestehend aus übereinander angeordneten Halbleiterschichten entgegengesetzter Leitfähigkeit mit auf gegenüberliegenden Hauptflächen angebrachten Elektrodengittern sowie ein Verfahren zur Herstellung von photovoltaischen Zellen in Feldanordnung auf einem isolierenden Substrat, wobei zunächst auf dem Substrat parallel verlaufend und voneinander getrennt die Teilelemente eines ersten Elektrodengitters angebracht werden, welche in elektrischer Kontaktverbindung mit einer Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps stehen, welche sowohl über dem Substrat und den Teilelementen angebracht ist, und wobei ferner auf dieser Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp zweite parallel verlaufende und voneinander getrennte Teilelemente eines zweiten Elektrodengitters ausgebildet werden, welche jeweils nur mit einer Kante des zugehörigen Teilelementes Fs/ai des

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des ersten Elektrodengitters überlappen und von diesem durch die Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp getrennt sind.

Derartige Felder aus photovoltaischen Zellen finden zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Solarenergie Verwendung und sind bereits aus dem US-PS 4 042 418 bekannt. Dabei werden zwei Feldanordnungen beschrieben, wovon bei der ersten die negative Elektrode einer jeden Zelle auf einem isolierenden Substrat in Form eines elektrisch leitenden Teilelementes angeordnet ist. Dieses Substrat und die Teilelemente werden dann mit einer nleitenden Halbleiterschicht wie z.B. Cadmiumsulfid überzogen. Über der Cadmiumsulfidschicht wird eine p-leitende Kupfersulfidschicht ausgebildet, indem die Cadmiumsulfidschicht in eine Lösung getaucht wird, welche Kupfer ionen enthält. Die Kupfersulfidschicht kann auch durch Aufdampfen angebracht werden. Über dieser Kupfer sulfidschicht wird ein zweites negatives Elektrodengitter angebracht, das aus einzelnen Teilelementen besteht. Ferner wird auf der p-leitenden Kupfer sulfidschicht zwischen den Teilelementen des positiven Elektrodengitters ein Kathodengitter ausgebildet. Die einzelnen Kontaktelemente des Kollektorgitters überlappen dabei nur mit dem benachbarten Teilelement des positiven Elektrodengitters und sind mit diesem elektrisch leitend verbunden. Die positive Elektrode einer jeden Zelle überlappt mit der Kante der negativen Elektrode der benachbarten Zelle. Der niedrige elektrische Widerstand zwischen der positiven und der negativen Elektrode benachbarter Zellen des Feldes wird durch eine Halbleiterschicht hergestellt, welche alle Zellen des Feldes in Serienschaltung miteinander verbindet.

Bei einer weiteren Ausführungsform der bekannten Feldanordnung photovoltaischer Zellen werden Teile der Kupfersulfidschicht entfernt, um die Cadmiumsulfidschicht freizulegen.

Auf

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Auf diesen freigelegten Bereichen der Cadmiumsulfidschicht wird das positive Elektrodengitter ausgebildet. Damit werden die positiven und negativen Elektroden benachbarter Zellen über die dünne Cadmiumsulfidschicht allein miteinander verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feldanordnung photovoltaischer Zellen sowie ein Verfahren zur Herstellung zu schaffen, mit der die Isolation zwischen den Zellen weiterverbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird für eine Feldanordnung von photovoitaischen Zellen der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Halbleiterschichten benachbarter photovoltaischer Zellen des Feldes auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite durch streifenförmige Bereiche getrennt sind.

Das Verfahren gemäß der Erfindung sieht ausgehend von den eingangs erwähnten Verfahrensschritten vor, daß in der Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp isolierte Halbleiterbereiche vom zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet werden, die eine den aktiven Halbleiterübergang der photovoitaischen Zelle bildende Grenzschicht haben, und daß ferner ein Kollektorgitter mit einer Vielzahl von Kontaktelementen auf den Halbleiterbereichen vom zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet werden, wobei die Kontaktelemente jeweils nur mit der Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp und einem angrenzenden Teilelement des zweiten Elektrodengitters in Kontaktverbindung stehen.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die negativen Elektroden für die Zellen durch Aufdampfen eines Musters sich nicht überschneidender metallischer Leiter- auf

dem

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dem isolierenden Substrat geschaffen. Dieses Muster hat die Form eines Elektrodengitters und wird daher auch als negatives Elektrodengitter bezeichnet. Ferner ist vorgesehen, daß eine kontinuierliche Schicht eines η-leitenden Halbleitermaterials mit dem negativen Elektrodengitter und den freiliegenden Bereichen des Substrats verbunden ist. Diese Halbleiterschicht wird durch Aufdampfen eines η-leitenden polykristallinen Halbleitermaterials wie z. B. Cadmiumsulfid geschaffen. Ein zweites Gitter sich nicht überschneidender elektrisch leitender Teilelemente wird auf der Oberfläche der Cadmiumsulfidschicht angebracht. Diese Teilelemente dienen als positive Elektrode für die einzelnen Zellen und werden in der Gesamtheit auch als positives Elektrodengitter bezeichnet.

Die einzelnen Teilelemente des positiven Elektrodengitters verlaufen parallel zueinander und zu den Teilelementen des negativen Elektrodengitters. Sie sind derart positioniert,, daß das positive und das negative Teilelement benachbarter Zellen miteinander überlappen, jedoch durch die Cadmiumsulfidschicht voneinander getrennt sind.

Längs eines jeden Teilelementes des positiven Elektrodengitters ist an dieses jewel Is angrenzend ein dünner Streifen eines elektrischen isolierenden Materials ausgebildet, welcher durch Aufdampfen von Siliciumoxid auf die Cadmiumsulfidschicht hergestellt werden kann. Die Teile der Cadmiumsulfidschicht, welche nicht von den Teilelementen des positiven Elektrodengitters und dem an diesen angrenzenden isolierenden Streifen bedeckt werden, werden durch Eintauchen der Ge samt struktur in eine Ätzlösung aus Salzsäure (HCl ) und anschließend durch Behandeln in einer konzentrierten Kupferchloridlösung (CuCl)

behandelt

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behandelt, um eine Kupfersulfidschicht auszubilden. Dadurch entsteht jeweils der pn-übergang der photovoltaischen Zellen, wobei dieser Grenzbereich der Cadmiumsulfidschicht und der Kupfersulfidschicht die aktive Grenzschicht der Zelle darstellt.

Während dieses Verfahrens dienen das positive Elektrodengitt er und die isolierenden Streifen als Maske für die darunterliegende Cadmiumsulfidschicht, so daß diese bei der Umwandlung der freiliegenden Bereiche in eine Kupfersulf id schicht nicht beeinflußt werden. Wenn die Elektroden aus Aluminium bestehen oder aus einem in der EMK-Reihe höherliegenden Metall als Kupfer, müssen sie von der Cadmiumsulfidschicht bedeckt sein oder es muß eine Maskierung vorgesehen werden, welche diese Kontakte bei der Ausbildung der Kupfersulfidbereiche schützt.

Auf der positiven Seite der photovoltaischen Zelle werden ferner die Kontaktelemente des .Kollektorgitters ausgebildet, welche aus auf der Kupfersulfidschicht angeordneten Metallelementen bestehen, die mit den Teilelementen des positiven Elektrodengitters elektrisch leitend verbunden sind.

Die Kontaktelemente des Kollektorgitters verlaufen etwa unter einem Winkel von 90 zu den Teilelementen des positiven Elektrodengitters. Jedes Teilelement des positiven Elektrodengitters steht mit dem negativen Elektrodengitter über die Cadmiumsulfidschicht in elektrischer Kontaktverbindung, wobei diese einen niederen elektrischen Widerstand darstellt. Dadurch wira die Serienschaltung der einzelnen photovoltaischen Zellen erreicht. Die Isolierstreifen, welche anliegend an die Teilelemente der positiven Elektrodengitter ausgebildet sind, verringern die Möglichkeit elektrischer Kurzschlüsse zwischen den Teil-

e lementen

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elementen des positiven Elektrodengitters und den benachbarten Kontaktelementen des Kollektorgitters. Dadurch wird der Leckwiderstand zwischen den einzelnen Teilelenaenten benachbarter Zellen des positiven Elektrodengitters erhöht.

Die Oberfläche der Gesamtanordnung wird gegen Verunreinigung durch die Atmosphäre mit Hilfe einer Siliciumoxidschicht, geschützt, welche vorzugsweise aufgedampft wird.

Mit Hilfe von Modifikationen in der Feldanordnung ist es möglich, diese in einem kontinuierlichen Streifen herzustellen, so daß eine Feldanordnung gewünschter Größe entsprechend einer vorgesehenen Ausgangs spannung abgeschnitten werden kann. Die für die Anschlußklemmen benötigten Anschlußbereiche liegen an gegenüberliegenden Kanten der Feldanordnung.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Feld photovoltaischer

Zellen gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II der Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungs

form eines Feldes photovoltaischer Zellen;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3;

Fig. 5 eine weitere Draufsicht auf ein Feld photo

voltaischer Zellen gemäß der Erfindung;

FIg. 6

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Fig. 6 ein Ersatzschaltbild des Feldes photovoltaischer

Zellen.

Die in Fig. 1 in Draufsicht dargestellten fünf photovoltaischen Zellen sind Teil eines Feldes unbegrenzter Länge, in welchem die photovoltaischen Zellen in Serienschaltung angeordnet sind. Die Anzahl der Zellen in einem Feld ist unbegrenzt und hängt von der gewünschten Klemmenspannung ab. Von der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist in Fig. 2 ein Schnitt gezeigt, aus welchem der Aufbau der individuellen Zellen im Feld entnommen werden kann.

Das Feld der photovoltaischen Zellen ist auf einem isolierenden Substrat 20 aufgebaut, welches vorzugsweise aus einem Polyimidefilna besteht, welcher unter dem Warenzeichen Kapton bekannt ist. Weitere geeignete Materialien für das Substrat 20 sind anodisiertes Aluminium, Polyesterfilme, Fluorkohlenstofffilme, Glas und Keramik. Es kann jedes Substrat verwendet werden, vorausgesetzt daß es:

1. zumindest auf der Oberfläche elektrisch isoliert;

2. die elektrisch isolierende Oberfläche mit dem " Material verträglich ist, das für die negative Elektrode der photovoltaischen Zelle und die η-leitende polykristalline Halbleiterschicht verwendet wird;

3. den zu erwartenden Betriebstemperaturen in einem Bereich von etwa 250 C standhält und

4. bei den Betriebstemperaturen keine Gase entwickelt.

Das Substrat kann sowohl starr als auch flexibel sein. Dabei wird unter dem Begriff flexibel ein Substrat verstanden, welches

um

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um einen Dorn mit einem Durchmesser von etwa 0, 049 cm gewickelt werden kann, alle anderen Substrate werden als starr betrachtet. Unmittelbar über dem isolierenden Substrat 20 und mit diesem verbunden sind eine Vielzahl elektrisch leitender und sich nicht überschneidender Teilelemente 13 bis 18 vorgesehen, von denen die Elemente 15 und 16 im Schnitt gemäß Fig. erkennbar sind. Diese elektrisch leitenden Teilelemente 13 bis werden der Einfachheit halber auch als negatives Elektrodengitter bezeichnet.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dieses negative Elektrodengitter aus den Teilelementen 13 bis 18 aus Aluminium hergestellt. Die bevorzugte Breite der benachbarten Teilelemente des negativen Elektrodengitters liegt in der Größen Ordnung von etwa 1 cm bei einem Abstand voneinander von etwa O₃ 01 cm. Dieses negative Elektrodengitter kann auch schichtweise aus einer Aluminium schicht und einer Kupferschicht aufgebaut sein. Über dem Substrat 20 und dem negativen Elektrodengitter ist ein Halbleiter auf bau angeordnet, der aus einer n-leitenden ersten Bereichsschicht 19, aus einem polykristallinen Cadmiumsulfid sowie darin isoliert ausgebildeten ρ-leitenden Bereichen 21 bis 25 aus einem polykristallinen Kupfersulfid aufgebaut ist. Unter isoliert versteht man, daß die p-leitenden polykristallinen Kupfersulfidbereiche 21 bis 25 voneinander durch einen n-leitenden Teil der ersten Bereichsschicht 19 aus dem polykristallinen Cadmiumsulfid getrennt sind. Die η-leitende Bereichsschicht ist etwa 20 ,u dick, wogegen die p-leitenden Bereiche 21 bis etwa 0,1 ,u dick sind.

Teilbereiche 119 der ersten Bereichsschicht 19 erstrecken sich bis zur Oberfläche 120 des Halbleiteraufbaus Auf diesen Teil -

bereichen

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bereichen sind einander nicht überschneidende elektrisch leitende Teilelemente 26 bis 30 ausgebildet, wovon zwei in Fig. 2 mit den Bezugszeichen 27 und 28 gekennzeichnet sind. Diese elektrisch leitenden Teilelemente werden in ihrer Gesamtheit auch als positives Elektrodengitter bezeichnet. Dieses positive Elektrodengitter ist aus Kupfer aufgebaut, wobei die einzelnen Teilelemente 26 bis 30 eine Breite in der Größenordnung von 40 ,u und eine Dicke in der Größenordnung von etwa 1 ,u haben. Dieses positive Elektrodengitter kann auch aus einer Aluminiumschicht hergestellt sein, welche mit einer Kupferschicht überzogen ist.

Die einzelnen Teilelemente des positiven Elektrodengitters liegen auf den Teilbereichen 119 der η-leitenden Bereichs schicht 19, wobei diese Teilbereiche 119 benachbart zu den isolierten ρ-leitenden Bereichen sich erstrecken. z.B. ist das mit dem Bezugszeichen 28 gekennzeichnete Teilelement auf dem Teilbereich 119 der η-leitenden Schicht 19 angeordnet und liegt zwischen benachbarten isolierten p-leitenden Bereichen 22 und 23. Entsprechendes gilt auch für die Teilbereiche 26, 27, 29 und 30 des positiven Elektrodengitters, welche auf den Teilbereichen 119 der η-leitenden Schicht 19 zwischen den anderen p-leitenden Bereichen 21, 24 und 25 angeordnet sind.

Die elektrisch leitenden Teilelemente 26 bis 30 des positiven Elektrodengitters verlaufen parallel zu den elektrisch leitenden Teilelementen 15 bis 17 des negativen Elektrodengitters. Dabei ist das Teilelement 28 des positiven Elektrodengitters überlappend mit der Kante des Teilelementes 16 vom negativen Elektrodengitter angeordnet und von diesem durch die η-leitende Bereichsschicht 19 getrennt. Entlang dem Teilelement und an

dieses

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dieses angrenzend ist jeweils ein schmaler elektrisch leitender Streifen ausgebildet. Diese Isolierstreifen 31, 33, 35, 37 und 39 bestehen bei der bevorzugten Ausführungsform aus Siliciumoxid und haben eine Breite in der Größenordnung von 40 ,u. In Fig. 2 sind zwei derartige Isolierstreifen 33 und 35 dargestellt.

Über den p-leitenden Bereichen 21 bis 25 und mit diesen verbunden ist ein Kollektorgitter ausgebildet, das aus einer Vielzahl elektrisch leitender Kontaktelemente 32a bis 32g, 34a bis 34g, 36a bis 36g, 38a bis 38g und 40a bis 40g besteht. Auf dem p-leitenden Bereich 23 sind z.B. sieben Kontaktelemente 36a bis 36g ausgebildet. Diese Kontaktelemente greifen über das angrenzende Teilelement 28 des positiven Elektrodengitters über und sind mit diesem leitend verbunden. Entsprechend sind auch mit dem p-leitenden Bereich die Kontaktelemente 34a bis 34g des Kollektorgitters verbunden. Auch diese Kontaktelemente erstrecken sich über das leitende Teilelement 27 des positiven Elektrodengitters und sind mit diesem elektrisch verbunden. Ein entsprechender Aufbau ist auch für die übrigen elektrisch leitenden Bereiche 21, 22 und 25 vorgesehen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das Kollektorgitter durch Aufdampfen einer dünnen Goldschicht durch ein Gitter geschaffen, um niederohmige Kontaktverbindungen zu den p-leitenden Bereichen 21 bis 25 herzustellen. Anschließend wird eine dünne Kupferschicht auf die Goldauflage aufgedampft. Durch diesen Aufbau wird der elektrische Widerstand des Kollektorgitters verringert. Die einzelnen Kontaktelemente des Kollektorgitters haben eine Breite von etwa 25 ,u und eine Dicke von etwa 1 ,u.

Die pn-Übergänge 122, 123 und 124 zwischen den p-leitenden Bereichen 22 bis 24 und der η-leitenden ersten Bereichs schicht

stellen

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stellen die aktiven Halble ite rübergänge von drei in Serie geschalteten photovoltaischen Zellen d es Felde s dar. Das Teilelement 16 des negativen Elektrodengitters ist z.B. die negative Elektrode der photovoltaischen Zelle, welche von dem pn-Übergang 122 zwischen der η-leitenden Bereichsschicht 19 und dem p-leitenden Bereich 22 gebildet wird. Die Kollektorelemente 38a bis 38g des Kollektorgitters sind mit dem p-leitenden Bereich

22 verbunden, wobei die Enden 138a bis 138g dieser Kontaktelemente das elektrisch leitende Teilelement 29 übergreifen und eine elektrische Verbindung mit dem positiven Elektrodengitter herstellen. Der elektrische Widerstand des Teilbereiches 119 der Halbleiterschicht 19 zwischen dem negativen Elektrodengitter 16 und dem positiven Elektrodengitter 28 ist niedrig und liegt

2
in der Größenordnung von 1 Ohm/cm . Damit erhält man einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand zwischen dem Teilelement des positiven Elektrodengitters und dem Teilelement 16 des negativen Elektrodengitters und entsprechend eine gute elektrische Ankopplung der negativen Elektrode der photovoltaischen Zelle aufgrund des pn-Übergangs 122 an das Teilelement des positiven Elektrodengitters.

Eine weitere photovoltaische Zelle wird von dem pn-übergang zwischen dem η-leitenden Bereich 19 und dem p-leitenden Bereich

23 gebildet. Das Kollektorgitter umfaßt die Kontaktelemente 36a bis 36g, welche auf dem p-leitenden Bereich 23 angeordnet sind. Die Enden 136a bis 136g dieser Kontaktelemente überlappen das elektrisch leitende Teilelement 28 des positiven Elektrodengitters und stellen einen niederohmischen elektrischen Anschluß dar. Der elektrische Anschluß an den pn-Übergang 12 3 erfolgt über das Teilelement 15 des negativen Elektrodengitters. Auf diese Weise werden die beiden pn-Übergänge 122 und 123 elektrisch

in

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in Serie geschalten. Diese Anordnung bzw. dieser Aufbau erholt sich für jedes Element des Feldes, wobei eine beliebige Anzahl von photovoltaischen Zellen vorgesehen sein kann. Der Flächenbereich der einzelnen photovoltaischen Zelle bestimmt den maximalen Ausgangsstrom des Feldes. Zellen, die eine Breite in der Größenordnung von 30 cm und eine Länge von etwa 1 bis 3 cm haben, können in verhältnismäßig einfacher Weise hergestellt werden. Derartige Zellen lliefern eine Spannung von etwa 0, 4 bis etwa 0, 8 Volt am offenen Stromkreis und einen Kurzschlußstrom

. 2
von etwa 15 bis 30 mA/cm .

In Fig. 1 sind fünf photovoltaische Zellen in Serie geschaltet, wobei der negative Anschluß des Feldes am Teilelement 13 des negativen Elektrodengitters angeordnet ist und das Teilelement 30 des positiven Elektrodengitters als positiver Anschluß an das Feld dient.

Die gesamte Oberfläche des Feldes ist mit einer dünnen transparenten sowie isolierenden Schicht 12 aus Siliciumoxid überzogen, die aufgedampft ist. Diese dünne isolierende Schutzschicht 12 schützt die photovoltaischen Zellen vor Feuchtigkeit von oben, wogegen das Substrat einen Schutz von unten bewirkt.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Feldes photovoltaischer Zellen gemäß der Erfindung dargestellt, wobei ein Schnitt durch dieses Feld in Fig. 4 gezeigt ist.

Das Feld der photovoltaischen Zellen ist auf einem flexiblen Substrat 40 aufgebaut, das z.B. aus einem Polyimidefilm bestehen kann. Über dem Substrat ist eine Vielzahl sich nicht überschneidender, elektrisch leitender Teilelemente 41 bis 45 angebracht,

welche

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welche das negative Elektrodengitter bilden. Diese Teilelemente können aus aufgedampftem Aluminium bestehen.

Unmittelbar auf dem Substrat 40 und über dem negativen Elektrodengitter ist der Halbleiteraufbau ausgebildet, welcher aus einer η-leitenden Bereichsschicht 46 aus Cadmiumsulfid und isolierten p-leitenden Bereichen 58 bis 62 aus Kupfersulfid besteht. Von diesen p-leitenden Bereichen sind 3 in Fig. 4 mit den Bezugszeichen 59 , 60 und 61 bezeichnet. Diese p-leitenden Bereiche 58 bis 62 erstrecken sich bis zur Oberfläche 140 des Halbleiteraufbaus. Die η-leitende Bereichsschicht 46 erstreckt sich in Teilbereichen 146 ebenfalls bis zur Oberfläche des Halbleiteraufbaus, und zwar zwischen jeweils benachbarten p-leitenden Bereichen. Auf der Oberfläche sind die Teilbereiche 146 jeweils mit elektrisch leitenden Teilelementen 48 bis 52 überzogen. Von diesen Teilelementen sind die mit den Bezugszeichen 49 und 50 gekennzeichneten Teilelemente in Fig. 4 dargestellt. Diese elektrisch leitenden Teilelemente 48 bis 52 stellen das positive Elektrodengitter dar und können aus aufgedampftem Kupfer bestehen.

Jedes dieser elektrisch leitenden Teilelemente, welche mit den Teilbereichen 146 verbunden sind., stellt die positive Elektrode für die zugeordnete photovoltaische Zelle des Feldes dar.

Weitere Kontaktelemente sind auf den p-leitenden Bereichen 58 bis 62 aus Kupfersulfid angeordnet, wobei diese Kontaktelemente rechtwinklig zu den elektrisch leitenden Teilelementen 48 bis 52 des positiven Elektrodengitters verlaufen. Diese Kontaktelemente stellen das Kollektorgitter dar und sind mit 53a bis 53g, 54a bis 54g, 55a bis 55g, 56a bis 56g sowie 57a bis 57g bezeichnet.

Bei

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Bei der dargestellten Ausführungsform sind für das Kollektorgitter jeweils sieben Kontaktelemente verwendet, wobei die Enden 155a bis 155g der Kontaktelemente 55a bis 55g über das Teilelement 50 greifen und mit diesem elektrisch verbunden sind. Das Teilelement 50 des positiven Elektrodengitters ist mit dem Teilelement 44 des negativen Elektrodengitters durch den Teilbereich 146 der η-leitenden Schicht 46 aus Cadmiumsulfid verbunden. Auf diese Weise werden die von den pn-Übergängen 160 und 161 gebildeten photovoltaischen Zellen in Serie hintereinandergesehaltet. Die übrigen Zellen des Feldes sind identisch aufgebaut, wobei sich die Anzahl der Zellen aus der gewünschten Klemmenspannung ergibt.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform ist im wesentlichen wie die Aasführungsform gemäß Fig. 1 aufgebaut, wobei jedoch die Isolierstreifen, welche neben den leitenden Teilelementen des positiven Elektrodengitters angeordnet sind, keine Verwendung finden. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Oberfläche mit einer dünnen transparenten Isolierschicht 63 z. B. aus Siliciumoxid abgedeckt sein.

In Fig. 5 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die im wesentlichen gleich der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist, sich jedoch von dieser bezüglich der elektrisch leitenden Teilelemente 41 bis 45 unterscheidet. Die korrespondierenden Teilelemente 41a bis 45a, welche das negative Elektrodengitter darstellen, und die korrespondierenden Teilelemente 48a bis 52a, welche das positive Elektrodengitter darstellen, erstrecken sich jeweils längs einer Seite über die Begrenzung des Halbleiteraufbaus hinaus. Im übrigen sind die gleichen Teile der Ausführungsform gemäß Fig. 5 mit den gleichen Bezugszeichen wie die korrespondierenden Teile der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4 bezeichnet, um damit zum Ausdruck

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zu bringen, daß diese Teile identisch gleich aufgebaut sind. Die in Fig. 5 dargestellte Feldanordnung bietet in einfacher Weise elektrische Anschlußmöglichkeiten für die photovoltaischen Zellen des Feldes. Dabei können beliebige Teilelemente des positiven oder negativen Elektrodengitters für Anschlußklemmen Verwendung finden, so daß es möglich ist, aus einem, großen Feld in einfacher Weise durch Unterteilen bzw. Zerschneiden kleinere Felder aufzubauen.

Im Schnitt ist der Aufbau gemäß Fig. 5 identisch mit dem Aufbau gemäß Fig. 3, wie er in Fig. 4 dargestellt ist.

Für die Herstellung des Feldes photovoltaischer Zellen wird vorzugsweise von einem Substrat 20 in Form eines Polyimidefilmes ausgegangen. Die Leitungen, welche die negativen Elektroden der einzelnen Zellen darstellen, bestehen aus Aluminium und können auf den Polyimidefilm aufgedampft sein. Nach der Ausbildung des negativen Elektrodengitters wird eine dünne Schicht aus dem η-leitenden polykristallinen Cadmiumsulfid auf das Elektrodengitter und das Substrat aufgedampft. Selbstverständlich kann auch ein kristallines Halbleitermaterial sowie Silicium und Galliumarsenid Verwendung finden. Jedoch bereitet zum gegenwärtigen Zeitpunkt die Aufbringung eines einkristallinen Halbleitermaterials bei der vorgesehenen Größe noch gewisse Schwierigkeiten.

Die Teilelemente des positiven Elektrodengitters werden auf der Oberfläche des η-leitenden polykristallinen Cadmiumsulfid niedergeschlagen. Dabei werden die Teilelemente vorzugsweise durch Aufdampfen von Kupfer unter Verwendung einer entsprechenden Maske hergestellt. Um die Isolierstreifen 30, 31, 33, 35,

und 39

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und 39 auszubilden, wird Siliciumoxid durch eine Maske aufgedampft, wobei diese Isolierstreifen an die Teilelemente des positiven Elektrodengitters angrenzen. Der gesamte Aufbau wird in eine Lösung aus etwa 50 % konzentrierter Salzsäure (HCl) und 50 % Wasser getaucht. Daran anschließend wird der Aufbau in eine konzentrierte Lösung aus Wasser und Kupferchlorid getaucht und danach in entionisiertem Wasser gespült. Dadurch werden die freiliegenden Bereiche der η-leitenden Cadmiumsulfidschichtin ρ -leitendes Kupfersulfid umgewandelt, um daraus die ρ -leitenden Bereiche 21 bis 25 zu schaffen. Während dieses Verfahrensschrittes dienen die Teilelenaente 26 bis 30 des positiven Elektrodengitters in Verbindung mit den Isolierstreifen 31, 33, 35, 37 und 39 als Maske und schützen die darunterliegenden Bereiche der η-leitenden Schicht 19.

Da bei der bevorzugten Ausführungsform die Teilelenaente des negativen Elektrodengitters aus Aluminium und die Teilelenaente des positiven Elektrodengitters aus Kupfer hergestellt sind, muß eine Schutzschicht über dem negativen Elektrodengitter angebracht werden. Zu diesem Zweck kann das negative Elektrodengitter mit einer Cadmiumsulfid schicht völlig bedeckt werden oder aber es wird eine Schutzschicht aus Siliciumoxid auf die freiliegenden Teile des negativen Elektrodengitters aufgedampft.

Nach der Herstellung der Kupfersulfidbereiche wird durch Aufdampfen zunächst einer dünnen Goldschicht und dann einer dünnen Kupferschicht durch eine Maske das Kollektorgitter hergestellt. Abschließend wird die gesamte Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht 12 aus Siliciumoxid als Schutzschicht bedeckt.

Alle diese Verfahrensschritte können in einem kontinuier Ii chen

Vorgang ausgeführt werden, so daß ein integriertes Feld beliebiger

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liebiger Größe in einfacher Weise automatisch hergestellt werden kann.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird im wesentlichen mit denselben Verfahrensschritten hergestellt, jedoch entfällt die Herstellung der an die Teilelemente des positiven Elektrodengitters angrenzenden Isolier streif en. Entsprechendes gilt für die Herstellung des Aufbaus gemäß Fig. 5, wobei lediglich entsprechende Änderungen vorgenommen werden müssen, um die andere Formgebung der positiven und negativen Elektrodengitter zu erhalten.

Die vorausstehend beschriebenen Felder photovoltaischer Zellen haben viele Vorteile. So können die Felder z. B. auf eine fortlaufende Bahn aus Polyimide für das Substrat hergestellt werden, wobei die Bahn anschließend in Felder beliebiger Größe entsprechend der gewünschten Ausgangsspannung zerschnitten werden kann. Die Zuverlässigkeit derartiger Felder ist wesentlich besser, da alle Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen während des Herstellungsverfahrens automatisch entstehen. Auch wird der Wirkungsgrad wesentlich verbessert, da das Kollektorgitter einerseits und das positive Elektrodengitter andererseits nur verhältnismäßig kleine Oberflächenbereiche des Feldes bedecken. Eine weitere Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades ergibt sich auch wegen der geringeren Leckverluste zwischen den Elektroden benachbarter Zellen. Die Konstruktion ist äußerst einfach, da die Felder mit den photovoltaischen Zellen unter Verwendung bekannter wirtschaftlicher Verfahren automatisch hergestellt werden können.

In Fig. 6 ist ein Ersatzschaltbild eines Feldes aus drei photovoltaischen Zellen dargestellt, wobei jede einzelne Zelle aus einem pn-übergang besteht. Die drei Zellen sind mit a, b und c

gekennzeichnet.

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gekennzeichnet. Die Klemmenspannung des Feldes bestimmt sich aus der Anzahl der Zellen., wogegen sich der Strom aus den Flächenbereichen der einzelnen Zellen ableitet.

In dem Ersatzschaltbild sind die einzelnen elektrischen Verluste im Feld durch Widerstandswerte gekennzeichnet, die folgende Bedeutung haben:

R = Widerstand, welcher dem negativen Elektrodengitter

zuzuordnen ist;
R = Widerstand, welcher dem Kollektorgitter zuzu-

ordnen ist;
R. = Widerstand zwischen dem positiven Elektrodengitter einer Zelle und dem negativen Elektrodengitter der benachbarten Zelle;

R = Widerstand der Leckverluststrecke durch die Cadmiumn

. sulfidschicht zwischen den negativen Elektroden benachbarter Zellen;

R = Widerstand der Leckverluststrecke durch die Cadmium-P

sulfidschicht zwischen den benachbarten p-leitenden Bereichen der Zellen;
R = innerer Serienwiderstand der einzelnen Zellen;

R= innerer Querwiderstand der einzelnen Zellen.

Die verschiedenen Widerstandsgrößen ergeben die gesamten Widerstandsverluste in der jeweiligen Zelle. Diese Widerstandsverluste sind von der Struktur des Feldes abhängig, wie nachfolgend beschrieben wird.

Der Widerstand R des negativen Elektrodengitters bestimmt sich primär aus dem Widerstand des für das negative Elektrodengitter verwendeten Metalls und den Abmessungen der Teilelemente.

Die

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Die Teilelemente desnegativen Elektrodengitters können aus Aluminium hergestellt sein und eine Dicke von etwa 1 /U bei einer Breite von 1 bis 2 cm haben. Benachbarte Elektroden können voneinander etwa lmm entfernt sein.

Der Widerstand R des Kollektorgitters bestimmt sich aus dem Längswiderstand der einzelnen Elemente des Kollektorgitters und der Anzahl dieser Elemente. Die einzelnen Elemente des Kollektorgitters werden typischerweise aus einem Material mit sehr geringem elektrischem Widerstand, z.B. Gold oder Kupfer hergestellt. Jedes Element des Kollektorgitters ist typischerweise etwa 0, 0025 cm breit, O₁ 0001 cm dick und etwa 2, 5 bis etwa 5 cm lang. Von diesen Elementen sind etwa 40 pro cm vorgesehen. Der Widerstand des Kollektorgitters kann durch die Auswahl des verwendeten Materials und durch den Querschnitt wesentlich beeinflußt werden. Es ist wünschenswert, diesen Widerstand so klein wie möglich zu halten, da der gesamte vom Feld gelieferte Strom über diesen Widerstand fließen muß. Andererseits soll natürlich auch die Breite der einzelnen Elemente des Kollektorgitters so klein wie möglich sein, da jeder von dem Gitter abgedeckte Oberflächenbereich für die Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie unwirksam ist.

Der Widerstand R. ist der Widerstand zwischen der positiven Elektrode der einen Zelle und der negativen Elektrode einer benachbarten Zelle. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die positive Elektrode 27 z.B. mit der negativen Elektrode 15 der benachbarten Zelle über die Halbleiterschicht 19 gekoppelt. Wie bereits erwähnt, stellt dies auch die Wegstrecke dar, über welche der Strom durch das Feld fließt. Die positive Elektrode 27 und die negative Elektrode 15 sind typischerweise aus Metall hergestellt. Diese Elemente haben einen verhältnismäßig kleinen

Widerstand

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Widerstand,, verglichen mit der Halbleiterschicht 19. Daher bestimmt sich der Wert des Widerstandes R. im wesentlichen

aus der Dicke und dem Widerstand der Halbleiterschicht 19 und ist verhältnismäßig klein/ und zwar in der Größenordnung

von 1 Ohm/cm , da die Halbleiterschicht sehr dünn ist, d. h.

eine Dicke in der Größenordnung von 30 ,u hat.

Der elektrische Widerstand R der Leckverluststrecke benach-

barter negativer Elektroden des Feldes wird z.B. von dem Widerstand gebildet, wie er sich zwischen den Elementen 15 und 16 gemäß Fig. 1 ergibt. Dieser Widerstand wird primär von dem Widerstand der Halbleiter schicht 19, der Schichtdicke und der Entfernung der beiden Elektroden voneinander bestimmt. Dieser Widerstand ist verhältnismäßig hoch und liegt

2 in der Größenordnung von etwa 100 bis 1000 Ohm/cm , wodurch sich verhältnismäßig geringe elektrische Leckverluste zwischen benachbarten Zellen auf der negativen Seite des Halbleiterübergangs ergeben. Dies ist hauptsächlich deshalb der Fall, da die Dicke der Halbleiterschicht viel geringer als der Abstand zwischen benachbarten negativen Elektroden ist.

Die p-leitenden Bereiche 21 bis 25 gemäß Fig. 1 bilden zusammen mit der η-leitenden Halbleiterschicht 19 gemäß Fig. 2 den aktiven pn-Übergang. Damit umfaßt jede aktive Zelle einen Teil der nleitenden Schicht 19 in Verbindung mit einem zugehörigen p-leitenden Bereich 21 bis 25. In Fig. 2 sind zwei dieser p-leitenden Bereiche 22 und 23 dargestellt. Diese p-leitenden Bereiche sind voneinander durch einen Teilbereich 119 der η-leitenden Halbleiterschicht 19 getrennt. Da die einzelnen Zellen in Serie geschaltet sind, entsteht ein elektrisches Potential zwischen benachbarten p-leitenden Bereichen. Dieses Potential ver-

ursacht

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ursacht einen Leckstrom, der zwischen diesen Bereichenfließt. Dieser Verlust wird durch den Widerstand R gekennzeichnet, wobei dieser Widerstand in der Größenordnung von etwa 100

, 2
bis etwa 1000 Ohm /cm liegt.

Jede photovoltaische Zelle hat einen Innenwiderstand, der sich aus den charakteristischen Größen des Halbleitermaterials bestimmt. Dieser Innenwiderstand kann in einen Serienwiderstand und in einen Querwiderstand zerlegt werden. Die Verluste ergeben sich entsprechend durch die Größe R und R Diese Verluste bestimmen sich aus der Art und der Qualität des verwendeten Halbleitermaterials.

Das beschriebene Feld aus photovoltaischen Zellen nach den verschiedenen Ausführungsformen ist sehr flexibel und ist derart aufgebaut, daß bestimmte Charakteristiken optimiert sind. Die positiven und negativen Elektrodengitter sind vorzugsweise aus Kupfer und Aluminium aufgebaut. Dadurch ergibt sich eine hohe Zuverlässigkeit für das Feld. Der elektrische Wirkungsgrad kann durch die Ausführung der Elektroden aus mehrschichtigen Metallauflagen verbessert werden. Dabei kann als erste Metallschicht Aluminium, Indium oder Zink verwendet werden, um einen niederen Kontaktwiderstand zum η-leitenden Halbleitermaterial zu erhalten. Der Widerstand der Elektroden wird weiter durch eine zweite Metallschicht mit nie derem Widerstand verringert, wobei Kupfer oder Gold bzw. Silber unter dem Aluminium, d. h. zwischen dem ersten Metall und dem Substrat verwendet werden kann.

In gleicher Weise kann für das Kollektorgitter als erstes Metall Gold in einer dünnen Schicht aufgebracht werden,

um

§09846/093?

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um einen niederen Übergangswiderstand zum p-leitenden Halbleitermaterial herzustellen. Der Widerstand der einzelnen Teilelemente der Gitter läßt sich weiter verringern, indem eine zweite Schicht aus einem Metall mit niederem Widerstand und geringeren Kosten wie z.B. Kupfer über dem Gold angebracht wird. Die einzelnen Kontaktelemente des Kollektorgitters können konisch ausgebildet sein, um den vom Strom durchflossenen Querschnittsbereich zu vergrößern, wobei sich der Querschnitt entsprechend dem zunehmenden Strom ändert und seine maximale Größe im Bereich der positiven Elektroden Anschlüsse findet. Die Verluste im Kollektorgitter können auch dadurch verringert werden, daß die individuellen photovoltaischen Zellen im Verhältnis zur Breite kurz aufgebaut werden. Damit ist auch die Verwendung verhältnismäßig dünnerund schmaler Kontaktelemente für das Kollektorgitter möglich, ohne daß dadurch die Strombelastbarkeit des Gitters überschritten wird. Derartige Kontaktelemente in dünner und schmaler Form werden vorzugsweise aufgedampft, da dieses Verfahren eineAutomatisation leicht zuläßt.

eerseite

Claims

Patentansprüche

f 1 .jPhotovoltaische Zellen in Feldanordnung auf einem isolierenden Substrat, bestehend aus übereinander angeordneten Halbleiterschichten entgegengesetzter Leitfähigkeit mit auf gegenüberliegenden Hauptflächen angebrachten Elektrodengittern, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Halbleiterschichten (21-22; 58-62) benachbarter photovoltaischer Zellen des Feldes auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite durch streifenförmige Bereiche getrennt sind.
2. Photovoltaische Zellen nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die eine Halbleiterschicht aus Cadmiumsulfid besteht, und daß die daran angebrachten Teüelemente des Elektrodengitters aus Aluminium hergestellt sind.
3. Photovoltaische Zellen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede photovoltaische Zelle einen nicht aktiven Halbleiterteilbereich (119; 146) umfaßt, der die einzelnen Zellen in Serienschaltung miteinander verbindet.

ORIGINAL INSPECTED

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4. Verfahren zur Herstellung photovoltaischer Zellen in Feldanordnung auf einem isolierenden Substrat, wobei zunächst auf dem Substrat parallel verlaufend und voneinander getrennt die Teilelemente eines ersten Elektrodengitters angebracht werden, welche in elektrischer Kontaktverbindung mit einer Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps stehen, welche sowohl über dem Substratund den Teilelementen angebracht ist, und wobei ferner auf dieser Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp zweite parallel verlaufende und voneinander getrennte Teilelemente eines zweiten Elektrodengitters ausgebildet werden, welche jeweils nur mit einer Kante des zugehörigen Teilelementes des ersten Elektrodengitters überlappen und von diesem durch die Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp getrennt sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß in der Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp isolierte Halbleiterbereiche vom zweiten Leitfähigkeitstyp ausg ebildet werden, die eine den aktiven Halbleiterübergang der photovoltaischen Zelle bildende Grenzschicht haben, und

- daß ferner ein Kollektorgitter mit einer Vielzahl von Kontaktelementen auf den Halbleiterbereichen vom zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet werden, wobei die Kontaktelemente jeweils nur mit der Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp und einem angrenzenden Teilelement des zweiten Elektrodengitters in Kontaktverbindung stehen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine Vielzahl von Isolierstreifen auf der Oberfläche der Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp parallel an die Teilelemente des zweiten Eiektrodengitters anschließend ausgebildet werden, wobei Teile der Oberfläche der- Halbleiterschicht freiliegend bleiben.

I0984S/0931

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6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp durch Aufdampfen von polykristallinem Cadmiumsulfid geschaffen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß polykristallines Kupfersulfid dadurch geschaffen wird,

- daß die Cadmiumsulfidschicht aufeinanderfolgend einer konzentrierten Lösung aus Salzsäure (HCL) und Wasser und anschließend einer gesättigten Lösung aus Kupferchlorid und Wasser ausgesetzt wird, und

- daß die Oberfläche anschließend mit Wasser gespült wird.

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