DE3782733T2 - Sonnenzellensystem. - Google Patents

Sonnenzellensystem.

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DE3782733T2 DE8787907641T DE3782733T DE3782733T2 DE 3782733 T2 DE3782733 T2 DE 3782733T2 DE 8787907641 T DE8787907641 T DE 8787907641T DE 3782733 T DE3782733 T DE 3782733T DE 3782733 T2 DE3782733 T2 DE 3782733T2
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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul mit einer ersten N-auf-P-Solarzelle, welche eine n-Typ-Halbleiterschicht und eine p-Typ-Halbleiterschicht umfaßt, wobei die erste N-auf-P- Solarzelle ein Querschnittsprofil mit einer Oberseite und einer ersten Seitenwand aufweist; einer zweiten P-auf-N-Solarzelle, welche eine p-Typ-Halbleiterschicht und eine n-Typ-Halbleiterschicht umfaßt, wobei die zweite P-auf-N-Solarzelle eine Querschnittskonfiguration mit einer Oberseite und einer ersten Seitenwand aufweist; und mit Verbindungsmitteln zum elektrischen Verbinden der n-Typ-Schicht der ersten N-auf-P-Solarzelle mit der p-Typ-Schicht der zweiten P-auf-N-Solarzelle, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Zusätzlich betrifft sie Solarzellenarrays, welche derartige Solarzellenmodule verwenden.
  • Halbleiter-Solarzellen werden verwendet, um elektrische Energie in nutzbare elektrische Spannungen und Ströme zu konvertieren. Kurz gesagt umfaßt eine typische Halbleiter-Solarzelle eine Grenzfläche zwischen transparenten n-Typ- sowie p-Typ-Halbleitermaterialien. Auf die Grenzfläche scheinendes Licht erzeugt Loch- Elektron-Paare zusätzlich zu den sowieso vorhandenen, und die Minoritätsladungsträger wandern in entgegengesetzte Richtungen durch die Grenzfläche. Es gibt keinen kompensierenden Fluß von Majoritätsträgern, so daß sich ein Nettofluß von elektrischer Ladung ergibt. In einem externen elektrischen Kreis wird dann ein nutzbarer elektrischer Strom erzielt, indem an die Materialien auf beiden Seiten der Grenzfläche ohmsche Kontakte angeformt werden.
  • Halbleiter-Solarzellen können aus einer großen Vielzahl von Halbleitermaterialien gefertigt werden. Silizium-Solarzellen werden am meisten verwendet, aber es hat sich herausgestellt, daß aus p-Typ- und n-Typ-Gallium-Arsenid gefertigte Zellen besonders vielversprechend sind. Verglichen mit Silizium- Solarzellen haben derartige Solarzellen vom Beginn der Lebensdauer an einen höheren Wirkungsgrad und zeigen bei einer Anwendung im Raum über der Zeit und der Temperatur einen geringeren Qualitätsverlust. Gallium-Arsenid-Solarzellen sind daher besonders attraktiv und haben bereits begrenzte Anwendung gefunden. Es wird erwartet, daß Gallium-Arsenid-Solarzellen sowohl im Raum als auch auf der Erde zukünftig steigende Verwendung finden werden, insbesondere wenn der Wirkungsgrad von Solarzellenarrays verbessert werden kann und wenn preiswerte Fertigungstechniken entwickelt werden.
  • Eine Gallium-Arsenid-Solarzelle wird gefertigt, indem die geeigneten Halbleiterschichten auf ein Substrat aufgebracht werden und indem dann zusätzliche Komponenten zugefügt werden, um die Zelle zu vervollständigen. Genauer gesagt wird bei der Dampfphasenformation eine konventionelle P-auf-N-Gallium-Arsenid- Solarzelle gefertigt, indem eine Schicht von n-Typ-Gallium- Arsenid auf ein Einkristall-Gallium-Arsenid-Substrat epitaxial aufgebracht wird, und indem eine Schicht von p-Typ-Gallium- Arsenid auf die Schicht von n-Typ-Gallium-Arsenid aufgebracht wird. Eine P+Schicht aus Gallium-Aluminium-Arsenid wird über der Schicht von p-Typ-Gallium-Arsenid aufgebracht, um die Oberflächenrekombination von Ladungsträgern zu begrenzen. Ein leicht unterschiedliches Wachstumsverfahren wird verwendet, wenn die Zellen durch das Verfahren der Flüssigphasen-Epitaxie gezüchtet werden. Eine Reihe von dünnen elektrisch leitenden Gittern werden auf die P+Schicht aufgebracht, um die Elektronen von der Zelle zu der Stromsammelschiene zu transportieren. Eine transparente Abdeckung aus Glas wird auf das Gallium-Aluminium-Arsenid aufgebracht, um die aktiven Halbleiterkomponenten vor Zerstörung durch physischen Kontakt und Strahlung zu schützen, wie sie in Weltraumumgebung auftritt. Wie durch die Terminologie "P-auf- N"-Solarzelle angedeutet, liegt das P-Typ-Gallium-Arsenid im Betrieb zur Sonne gewandt.
  • Die einzelnen Solarzellen, die typischerweise in ihren seitlichen Abmaßen ungefähr 2 Zentimeter mal 4 Zentimeter messen, sind miteinander zu großen Arrays verbunden, um nutzbare elektrische Spannungen und Ströme zu erzeugen. Die Arrays können bis zu zehntausend einzelne Solarzellen umfassen. Da der elektrische Ausgang einer jeden einzelnen P-auf-N-Solarzelle nur ungefähr 0,9 Volt beträgt, werden in einem Array eine Anzahl von P-auf-N- Solarzellen in einer Reihenanordnung miteinander verbunden, um eine elektrische Spannung zu liefern, welche gleich der Summe der Spannungen der einzelnen in Reihe geschalteten Solarzellen ist.
  • Um die elektrische Reihenschaltung zu erreichen, wird die obere Schicht (d. h. p-Typ-Gallium-Arsenid) einer ersten Solarzelle mit der unteren Schicht (d. h. n-Typ-Gallium-Arsenid) einer seitlich benachbarten zweiten Solarzelle verbunden, und diese Verbindungsart wird von der zweiten zu der dritten Solarzelle usw. wiederholt. Diese Verbindungsart erfordert es, daß die seitlich benachbarten Solarzellen um einen hinreichenden Abstand zueinander beabstandet sind, typischerweise 2 Millimeter, so daß zwischen die seitlich benachbarten Zellen ein Verbinder eingefügt werden kann. Ein "z"-Verbinder wird verwendet, um die Verbindung herzustellen, wobei das obere Bein des "z" an die obere Stromsammelschiene der ersten Solarzelle gelötet wird und das untere Bein an die Unterseite der seitlich benachbarten zweiten Solarzelle gelötet wird. Der aktive Bereich der Zelle, der verfügbar ist, um Elektrizität zu erzeugen, wird durch den Bereich reduziert, der durch elektrisch leitende Gitter sowie die Stromsammelschiene und den Verbinderanschluß an die obere Fläche bedeckt oder beschattet wird. Der notwendige seitliche Abstand der Zellen, welcher das Einfügen der "z"-Verbinder ermöglicht, reduziert den elektrischen Wirkungsgrad des Arrays ebenfalls. (Der Term "Wirkungsgrad" wird hier in der Bedeutung der elektrischen Ausgangsleistung des Arrays pro Flächeneinheit des Arrays verwendet). Die dadurch auf den Wirkungsgrad des Solarzellenarrays ausgeübten geometrischen Beschränkungen wegen des Abstandes, der zwischen benachbarten Zellen benötigt wird, um die Verbinder einzufügen ohne Kurzschlüsse zwischen den Zellen zu erzeugen, sowie der durch die Endverbinder beschattete Bereich können den gesamten Wirkungsgrad des Arrays mit Bezug auf die elektrische Ausgangsleistung pro Flächeneinheit des Arrays signifikant reduzieren.
  • Ein Ansatz, den Wirkungsgrad von Solarzellen der oben beschriebenen Art zu erhöhen, ist in den Patent Abstracts of Japan, Ausgabe 8, Nr. 36 (E-227) (1473), 16. Februar 1984 und in der JP-A- 58194378 (KOMATSU DENSHI KINZOKU K.K.), 12. November 1983, beschrieben. In diesem Dokument sind Solarzellen vom N-auf-P-Typ und Solarzellen vom P-auf-N-Typ alternierend angeordnet und ihre aneinanderliegenden rückwärtigen Elektroden sind über entsprechende Metallverbinder miteinander verbunden. Auch dieser Aufbau eines Solarzellenarrays läßt jedoch noch ungenutzten Raum zwischen den Solarzellen.
  • Es existiert daher ein fortdauernder Bedarf an der Verbesserung des Wirkungsgrades eines Solarzellenarrays.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem oben beschriebenen und im Oberbegriff des Anspruches 1 zu findenden Solarzellenmodul dadurch gelöst, daß die erste Seitenwand der ersten H-auf-P- Solarzelle einen spitzen Winkel an einer ersten Oberflächenkante bildet, die erste Seitenwand der zweiten P-auf-N-Solarzelle einen spitzen Winkel an einer ersten Oberflächenkante bildet, und die erste N-auf-P-Solarzelle und die zweite P-auf-N-Solarzelle seitlich nebeneinander angeordnet sind, so daß die ersten Oberflächenkanten der Zellen miteinander in Kontakt sind.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Solarzellenmodule in der Form eines Solarzellenarrays miteinander verbunden. Dadurch erhält man ein wirksameres Array, welches die Vorteile nutzt, die durch die Verwendung bekannter Konstruktionsmaterialien für Solarzellen erreichbar sind. Das Solarzellenarray weist ebenfalls keinen geringeren Widerstand bezüglich Strahlungszerstörung in einer Umgebung des solaren Weltraumes auf als bestehende Arten von Arrays, die aus den selben Konstruktionsmaterialien gefertigt sind. Die vorliegende Erfindung liefert diese und begleitende Vorteile.
  • Arrays, welche das verbesserte Solarzellenmodul verwenden, erfordern eine weniger komplexe Verbindungshardware und weniger komplexe Verbindungsverfahren, erlauben ein dichteres Packen der individuellen Solarzellen, um eine erhöhte elektrische Ausgangsleistung pro Flächeneinheit des Arrays zu erzielen, und führen zu geringeren Problemen, wie sie aus der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der individuellen Zellen in dem Array resultieren. Die erfindungsgemäßen Solarzellenarrays können andererseits auf eine Art und Weise verwendet werden, welche identisch zu der Verwendung von vorhandenen Solarzellenarrays ist, und weisen den selben Widerstand gegen Strahlungsbeschädigung auf.
  • In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt ein Solarzellenmodul eine seitlich an eine P-auf-N-Solarzelle angefügte N-auf-P-Solarzelle sowie ein konventionelles Array von Verbindungsgittern, das sich nun über die Oberflächen beider Zellen erstreckt. Ein Solarzellenarray wird gebildet, indem derartige Module seitlich nebeneinander angeordnet werden und indem elektrisch die aneinanderliegenden Unterseiten der p-Schicht der N-auf-P-Solarzelle und der n- Schicht der anliegenden P-auf-N-Solarzelle des benachbarten Modules miteinander verbunden werden. Wenn die aneinanderliegenden Module auf diese Weise verbunden werden, sind auf der Oberseite keine Stromschienenverbindungen erforderlich, so daß es keine Beschattung eines großen Teiles eines jeden Solarzellenmodules gibt, was ansonsten wegen der auf der Oberseite befindlichen Stromschienenverbindungen den Wirkungsgrad reduzieren würde. Da die Stromschienenverbindungen typischerweise einen viel größeren Bereich der Solarzelle beschatten als die feinen Gitter, wird eine spürbare Zunahme in der aktiven, stromerzeugenden Fläche realisiert.
  • In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist jede Zelle des Solarzellenmodules ein eigenes Verbindergitter auf seiner Oberseite auf. Ein entsprechendes Verbindergitter ist auf die Unterseite der transparenten Abdeckung aufgebracht, welche sich über das Paar von Zellen in einem Modul erstreckt, so daß die oberen Schichten von aneinanderliegenden Zellen miteinander verbunden werden. Ein Solarzellenarray wird gebildet, indem derartige Module seitlich aneinanderliegend angeordnet werden und indem elektrisch die benachbarten Unterseiten der p-Schicht der N-auf-P-Solarzelle und der n-Schicht der benachbarten P-auf-N-Solarzelle von dem benachbarten Modul miteinander verbunden werden.
  • Die Verwendung von seitlich aneinanderliegenden, geometrisch abwechselnden N-auf-P- und P-auf-N-Solarzellen in einem Solarzellenarray ermöglicht eine leichtere Fertigung des Solarzellenarrays, da seitlich aneinanderliegende n-Typ- und p-Typ-Schichten direkt miteinander verbunden werden können, ohne daß von der Oberseite zur Unterseite gehende Verbinder sowie "z"-Typ- Verbinder benötigt werden. Dementsprechend können die Solarzellen in dem Solarzellenarray dichter gepackt werden, was zu einem höheren Wirkungsgrad des Arrays führt. Darüberhinaus können Module so konstruiert werden, daß sie in einem Array zusammengefügt werden, welches keine Stromschienenverbindungen auf der Oberseite aufweist, welche einen großen Teil der aktiven Fläche des Arrays beschatten würden. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung, welche auf beispielhafte Weise die Prinzipien der Erfindung darstellt.
  • In der Zeichnung:
  • Fig. 1 ist eine Vorderansicht einer konventionellen P-auf-N- Solarzelle;
  • Fig. 2 ist eine Vorderansicht einer konventionellen N-auf-P- Solarzelle;
  • Fig. 3 ist eine Vorderansicht eines konventionellen Solarzellenarrays, das P-auf-N-Solarzellen enthält;
  • Fig. 4 ist eine Draufsicht auf das Solarzellenarray aus Fig. 3;
  • Fig. 5 ist eine Vorderansicht eines Solarzellenmodules gemäß der vorliegenden Erfindung, das alternierende P-auf-N- und N-auf-P-Solarzellen verwendet;
  • Fig. 6 ist eine Draufsicht auf das Solarzellenarray aus Fig. 5 und
  • Fig. 7 ist eine Vorderansicht eines Solarzellenmodules, das ein Verbindergitter auf einer Glasabdeckung verwendet, um die Oberseiten benachbarter Solarzellen elektrisch miteinander zu verbinden.
  • Eine konventionelle P-auf-N-Gallium-Arsenid-Solarzelle 10, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, wird auf die folgende Weise gefertigt. Die Solarzelle 10 wird auf einem einkristalligen Gallium-Arsenid- Substrat 12 hergestellt, welches nach einer von vielen gut etablierten Techniken gefertigt sein kann. Üblicherweise wird ein Gallium-Arsenid-Einkristall mit der horizontalen Bridgeman- Technik gefertigt. Für die Verwendung bei der Herstellung von Solarzellen geeignete Substrate werden gefertigt, indem ungefähr 200 Mikrometer dicke Wafer in Scheiben von dem verfestigten Einkristall abgetragen werden. Die Flächenausrichtung der Wafer wird typischerweise so gewählt, daß sie ungefähr (100) (kubische Millersche Indices-Bezeichnung) beträgt. Die während des Schneidvorganges hervorgerufene Gesamtbeschädigung wird beseitigt, indem der Wafer mit metallographischem Schleifpapier aufeinanderfolgend feinerer Körnung poliert wird, wobei mit einer 4/0 Diamantpaste geendet wird. Der polierte Wafer wird dann in einer Lösung aus Wasserstoffperoxid und Ammoniumhydroxid geätzt, um alle verbliebenen Politurbeschädigungen zu beseitigen.
  • Eine Einkristallschicht 14 von n-Typ-Gallium-Arsenid wird epitaxial aufgebracht und liegt über dem Gallium-Arsenid- Einkristall-Substrat 12. Das n-Typ-Gallium-Arsenid der Schicht 14 hat vorzugsweise eine Netto-Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 10¹&sup8; pro Kubikzentimeter und eine Dicke von ungefähr 10 Mikrometer.
  • Als nächstes wird eine Einkristallschicht 16 von p-Typ-Gallium- Arsenid epitaxial aufgebracht, welche die Schicht 14 von n-Typ- Gallium-Arsenid überlagert. Vorzugsweise hat das p-Typ-Gallium- Arsenid in der Schicht 16 eine Netto-Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 10¹&sup8; pro Kubikzentimeter bei einer Dicke von ungefähr 0,3 Mikrometer oder weniger. Der Übergang zwischen der Schicht 14 aus n-Typ-Gallium-Arsenid und der Schicht 16 aus p-Typ- Gallium-Arsenid liefert eine Basis-Solarzelle, aber der Betrieb dieser Solarzelle wird durch Rekombination der Oberflächenladung an der Oberseite der Schicht 16 nachteilig beeinflußt, solange die Ladungsrekombination nicht inhibiert wird. Um die Rekombination von Oberflächenladung zu inhibieren, wird üblicherweise eine Inhibitorschicht 18 aus einkristallinem p+ -Gallium-Aluminium-Arsenid epitaxial auf die Oberseite der Schicht 16 aus p-Typ- Gallium-Arsenid abgelagert. Diep+-Gallium-Aluminium-Arsenid- Schicht 18 hat vorzugsweise eine Netto-Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 2·10¹&sup8; pro Kubikzentimeter, bei einer Dicke von ungefähr 0,1 Mikrometer. Eine typische Zusammensetzung von Gallium-Aluminium-Arsenid mit diesen Charakteristiken ist ungefähr Ga0,7Al0,3As.
  • Die Schichten 14, 16 und 18 werden durch in der Technik gut bekannte Verfahren abgelagert, vorzugsweise durch epitaxiales Wachstum in der flüssigen Phase oder durch metallorganische Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren. Das Beschichtungsverfahren aus der Dampfphase ist oben beschrieben. Metallorganisches CVD aus der Dampfphase findet statt, wenn sich Trigalliummetall in gasförmiger Form mit Arsengas mischt. Die Mischung zersetzt sich in Galliumarsenid und wird bei 750ºC in einer Niederdruckkammer auf einem Gallium-Arsenid-Substrat abgelagert. Das epitaxiale Wachstum von Gallium-Arsenid-Solarzellen aus der Flüssigphase wird bewirkt, indem Substrate aus Gallium-Arsenid in eine mit Gallium-Arsenid gesättigte Galliumschmelze eingetaucht werden. Dieser Prozeß ist geringfügig anders als die Dampfphasenmethode. Er wird in einem geschlossenen, stickstoffgereinigten System durchgeführt, wobei die Schmelze auf 750ºC ist. Die Netto-Ladungsträger werden daraufhin in die Schichten diffundiert.
  • Um den elektrischen Widerstand zu erniedrigen und um den elektrischen Anschluß an die oberen Flächen der Solarzelle 10 zu erleichtern, wird ein metallisches Verbindergitter 20 auf eine obere Seite 22 der Solarzelle 10 abgelagert. Das Metall wird in einer Vakuumumgebung unter Verwendung konventioneller Zerstäubungs- oder Dampfablagerungstechniken abgelagert. Die einzelnen, sehr dünnen Leitungen des Verbindergitters 20 sind zueinander um ungefähr 2 Millimeter beabstandet, so daß Ladungsträgerelektronen leicht durch die Halbleiterschichten 14, 16 und 18 diffundieren können, um von den einzelnen Elementen des Verbindergitters 20 aufgefangen zu werden. Wenn die einzelnen Elemente zu weit beabstandet sind, können sie die Elektronen nicht leicht auffangen und es wird sich ein Spannungsverlust ergeben.
  • Eine transparente Abdeckung 24 ist auf der oberen Seite 22 angebracht. Die Zusammensetzung und Dicke der transparenten Abdeckung 24 sind ausgewählt, um die elektrische Arbeitsweise der Solarzelle 10 zu optimieren. Vorzugsweise ist die transparente Abdeckung 24 ein Quarzglas so wie Corning Glas Type 7940 mit einer Dicke von ungefähr 200 Mikrometern. Die transparente Abdeckung 24 erfüllt drei wichtige Funktionen. Als erstes erlaubt es die Abdeckung 24 dem Licht durch die Schichten 14 und 16 hindurchzugelangen. Zweitens unterstützt die Abdeckung 24 die verbleibenden Elemente der Solarzelle 10. Drittens schützt die Abdeckung 24 die verbleibenden Elemente der Solarzelle 10 vor physikalischer Beschädigung und vor bestimmten Strahlungsarten in einer Weltraumumgebung, so wie vor niederenergetischen Protonen und ultraviolettem Licht.
  • Die transparente Abdeckung 24 kann mittels jeder geeigneten Technik, so wie durch einen transparenten Kleber oder durch elektrostatische Bindung mit der Schicht 18 verbunden werden. Es ist bevorzugt, wenn die Verbindungstechnik das Aufrechterhalten der Verbindung bei Temperaturen bis zu einer Höhe von ungefähr 200ºC erlaubt, um während der Verwendung einem Abblättern zu widerstehen, falls thermisches Anlassen verwendet wird, um Strahlungsbeschädigungen zu reduzieren. Hochtemperaturkleber aus Komponenten mit hohem Molekulargewicht, so wie Carboran-Siloxan-Polymere haben sich als einsetzbar erwiesen.
  • Wie in Fig. 2 gezeigt, wird eine konventionelle N-auf-P-Gallium- Arsenid-Solarzelle 26 erzeugt, indem ein Gallium-Arsenid- Einkristall-Substrat 28 bereitgestellt wird, das zu dem vorstehend beschriebenen Substrat 12 im wesentlichen identisch ist. Eine Einkristallschicht 30 aus p+-Gallium-Aluminium-Arsenid wird epitaxial aufgebracht und liegt auf dem Substrat 28, um die Rekombination von Oberflächenladung zu inhibieren. Eine Einkristallschicht 32 von p-Typ-Gallium-Arsenid wird dann die Schicht 30 überdeckend epitaxial aufgebracht. Dann wird eine n-Typ-Gallium-Arsenid-Schicht 34 epitaxial auf die Schicht 32 aufgebracht. Ein Verbindergitter 36 ohne die Stromschiene wird auf die obere Seite der Schicht 34 aus n-Typ-Gallium-Arsenid aufgebracht. Schließlich wird eine transparente Abdeckung 40 über dem Verbindergitter 36 und der Schicht 34 befestigt.
  • Die Charakteristiken der Schichten 30, 32 und 34, die Methoden zur Ablagerung der Schichten 30, 32 und 34, die geometrische Anordnung, Struktur und das Verfahren zum Aufbringen des Verbindergitters 36, sowie die Struktur und das Verfahren zum Befestigen der transparenten Abdeckung 40 sind bezogen auf die N-auf-P-Gallium-Arsenid-Solarzelle 26 alle im wesentlichen identisch zu den korrespondierenden Aspekten der in den vorhergehenden Absätzen beschriebenen P-auf-N-Gallium-Arsenid-Solarzelle 10. Nur die Reihenfolge der Ablagerung der aktiven Schichten 30, 32 und 34 zur Bildung der H-auf-P-Solarzelle 26 unterscheidet sich von der Reihenfolge der Ablagerung der Schichten 14, 16 und 18 zur Bildung der P-auf-N-Solarzelle 10.
  • Es wurde gefunden, daß die N-auf-P-Solarzelle 26 nahezu eine identische elektrische Arbeitsweise und einen identischen Widerstand gegenüber Strahlungsbeschädigung aufweist, wie die P-auf-N-Solarzelle 10. Tatsächlich verschlechtert sich, verglichen mit einer P-auf-N-Gallium-Arsenid-Solarzelle, die elektrische Effizienz der N-auf-P-Gallium-Arsenid-Solarzelle über der Zeit etwas weniger. Die von der P-auf-N-Solarzelle verfügbare maximale Leistung nimmt um ungefähr 20% ab, wenn diese Elektronen von 1 MeV bei einer Flußrate von 10¹&sup5; ausgesetzt werden, was ungefähr 5 Jahren im synchronen Orbit entspricht.
  • Einzelne P-auf-N-Solarzellen 10 erzeugen jeweils eine Ausgangsspannung von ungefähr 0,9 Volt, was für jede praktische Anwendung in einer Weltraumumgebung eine zu niedrige Spannung ist. Die P-auf-N-Solarzellen 10 werden deshalb üblicherweise in einer Reihenanordnung zusammengebaut, um eine Ausgangsspannung zu erzielen, welche gleich der Summe der von den einzelnen Solarzellen 10 produzierten Spannungen ist. Identische Gruppen der in Reihe zusammengefügten Solarzellen werden dann in einer parallelen Anordnung zusammengefaßt, um je nach Anforderung erhöhte elektrische Ströme zu erzielen.
  • Die Fig. 3 und 4 illustrieren die Art und Weise, wie konventionelle P-auf-N-Solarzellen untereinander verbunden werden, um ein konventionelles Solarzellenarray 42 zu bilden. Um eine Serienverbindung zu erzielen, muß die obere oder p-Typ-Schicht 16 einer Solarzelle 10 durch die p+-Schicht 18 elektrisch mit der unteren oder n-Typ-Schicht 14 durch das Substrat 12 der benachbarten Zelle verbunden werden. Die Art von verwendeten Verbindern wird wegen ihrer Form in der Vorderansicht als "z-Verbinder" 44 bezeichnet. Die z-Verbinder 44 sind mit den Stromschienen verbunden, welche die Gitter 20 auf jeder Zelle miteinander verbinden, um diese Elemente an die benachbarte Solarzelle 10 anzuschließen. Die konventionellen z-Verbinder 44 umfassen an jedem Ende einen horizontalen Abschnitt und einen sich von der Oberseite zu der Unterseite der Solarzellen erstreckenden geneigten Abschnitt. Die horizontalen Abschnitte sind an die Stromschienen der Solarzelle 10 angelötet oder anderweitig mit diesen verbunden, um die Verbindungen zu bilden. Der Befestigungsbereich unter dem horizontalen Abschnitt der z-Verbinder 44 und der Stromschiene ist inaktiv und kann keinen elektrischen Strom erzeugen, da der Übergang zwischen den Schichten 14 und 16 durch den Verbinder und die Stromschiene vor den Strahlen der Sonne abgeschattet ist. Die elektrische Ausgangsleitung eines konventionellen Solarzellenarrays 42 wird daher wegen des Abstandes zwischen benachbarten Solarzellen, welcher beibehalten werden muß, um die z-Verbinder 44 aufzunehmen, und wegen des inaktiven Bereiches, der von dem Verbinder und der sich längs einer Seite einer jeden Solarzelle erstreckenden Stromschiene, auf weniger als die mögliche Stromabgabe verringert.
  • Die Fig. 5 und 6 zeigen eine erste Anordnung 48 eines Solarzellenmodules gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der eine P-auf- N-Solarzelle und eine N-auf-P-Solarzelle 26 als ein Modul 56 zusammengefaßt sind. In einem derartigen Modul 56 erstreckt sich ein Verbindergitter 58 fortlaufend über die obere Fläche des Modules 56 zwischen den Solarzellen 10 und 26, wobei es die p-Schicht der P-auf-N-Solarzelle 10 mit der n-Schicht der N-auf-P-Solarzelle 26 elektrisch verbindet. Ein nicht leitender Kleber 50 wird verwendet, um die Zellen 10 und 26 dicht miteinander zu verbinden und so ein einzelnes Modul 56 zu bilden.
  • Dies ermöglicht es, daß das Verbindergitter 58 aus der Gasphase abgelagert wird, so daß es sich quer über die Oberflächen der Zellen erstreckt. Wie in Fig. 5 vergrößert zu sehen ist, ist jede Zelle mit einem sehr geringen Winkel aus dem normalen Kristall gebildet, so daß die geformten Seiten eine leichte Neigung aufweisen. Die Zellen 10, 26 eines jeden Modules 56 sind an einer Oberflächenkante 52 in Kontakt miteinander. Der durch die Oberfläche und die Seite einer jeden Zelle 10, 26 an der Oberflächenkante 52 gebildete Winkel kann typischerweise um ungefähr 10 von 900 abweichen. Dies sorgt für eine hinreichende Trennung benachbarter Zellseiten, um ein Kurzschließen der Zellen zu verhindern, während für guten elektrischen Kontakt an den Oberseiten gesorgt und jede inaktive Oberseitenfläche minimiert wird. Um ein Solarzellenarray zu bilden, werden benachbarte Module 56 lediglich an ihren unteren Seiten durch einen metallischen Verbinder 60 miteinander verbunden. Der metallische Verbinder 60 sorgt für eine elektrische Verbindung zwischen der N-auf-P-Solarzelle 26 eines ersten aktiven Paares 56 und der P-auf-N-Solarzelle 10 eines zweiten aktiven Paares 56 usw..
  • Die Anordnung 48 wird verwendet, um die Ausgabeeffizienz eines Arrays zu optimieren, indem beide in konventionellen Solarzellenarrays 42 gefundenen geometrischen Komponenten hinsichtlich des Verlustes elektrischer Ausgangsleistung reduziert werden. Der Verlust wegen des Abstandes zwischen benachbarten Zellen wird drastisch reduziert, insofern als es keinen Abstand zwischen den beiden Solarzellen gibt, welche ein Modul 56 bilden. Darüberhinaus wird durch die Verwendung des durchgehenden Verbindergitters 58 der Bedarf an Stromschienen auf den oberen Seiten der Solarzellen beseitigt. Das bedeutet, daß es auf der Oberseite einer jeden der die Anordnung 48 ausmachenden Solarzellen keine Fläche gibt, die deshalb inaktiv ist, weil sie durch eine obere, benachbarte Solarzellen verbindende Stromschiene von der Sonne abgeschattet wird. Es wird geschätzt, daß die Reduzierung des Abstandes zwischen den Zellen zu einem erhöhten Wirkungsgrad von ungefähr 4% führen kann. Es wird weiter geschätzt, daß das Fortlassen der auf der Oberfläche verlaufenden Stromschienen in der Anordnung 48 zu einem erhöhten Wirkungsgrad von ungefähr 6% führen kann. Dementsprechend kann bei der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Konfiguration die gesamte Verbesserung des Wirkungsgrades in Watt pro Flächeneinheit des Arrays bis zu 10% betragen.
  • In einer in Fig. 7 gezeigten zweiten Anordnung wird für die elektrische Verbindung zwischen den Solarzellen 10, 26 des Modules 56 durch ein Verbindergitter 62 auf einer durchsichtigen Glasabdeckung 64 gesorgt. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt die Solarzelle 10 das Verbindergitter 20 und die Solarzelle 26 das Verbindergitter 36. Ein Gitter 62 ist auf der Glasabdeckung 64 so angeordnet, daß es zu den Gittern 20 und 36 paßt, und dann werden das Glasabdeckungsgitter 62 und die beiden Solarzellengitter 20 und 36 zusammengeschmolzen, um ein Zweizellenmodul 56 zu bilden. Auf diese Weise werden die beiden Zellen starr zusammengehalten und elektrisch miteinander verbunden. Einzelne Module können dann durch metallische Verbinder längs der Unterseiten miteinander verbunden werden.

Claims (8)

1. Solarzellenmodul (56), enthaltend
(1.1) eine erste N-auf-P-Solarzelle (26), welche eine n-Typ-Halbleiterschicht und eine p-Typ-Halbleiterschicht umfaßt, wobei die erste N-auf-P- Solarzelle (26) ein Querschnittsprofil mit einer Oberfläche und einer ersten Seitenwand aufweist;
(1.2) eine zweite P-auf-N-Solarzelle (10), welche eine p-Typ-Halbleiterschicht und eine n-Typ-Halbleiterschicht umfaßt, wobei die zweite P-auf-N-Solarzelle (10) eine Querschnittskonfiguration mit einer Oberfläche und einer ersten Seitenwand aufweist;
(1.3) Verbindungsmittel zum elektrischen Verbinden der n-Typ-Schicht der ersten N-auf-P-Solarzelle (26) mit der p-Typ-Schicht der zweiten P-auf-N- Solarzelle (10);
dadurch gekennzeichnet, daß
(1.4) die erste Seitenwand der ersten N-auf-P-Solarzelle (26) einen spitzen Winkel an einer ersten Oberflächenkante (52) bildet,
(1.5) die erste Seitenwand der zweiten P-auf-N-Solarzelle (10) einen spitzen Winkel an einer ersten Oberflächenkante (52) bildet,
(1.6) die erste N-auf-P-Solarzelle (26) und die zweite P-auf-N-Solarzelle (10) seitlich nebeneinander angeordnet sind, so daß die ersten Oberflächenkanten (52) der Zellen (26, 10) miteinander in Kontakt sind.
2. Solarzellenmodul (56) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die erste N-auf-P-Solarzelle (26) als auch die zweite P-auf-N-Solarzelle (10) Querschnittkonfigurationen nach der Art eines Parallelogramms aufweisen, wobei jeweils die Oberflächen und eine der Seitenwände einen spitzen Winkel an der Oberfläche bilden.
3. Solarzellenmodul (56) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel ein Gitter (58) aus elektrischen Leitern umfassen, welche sich zwischen der n-Typ-Schicht der ersten N-auf-P-Solarzelle (26) und der p-Typ-Schicht der zweiten P-auf-N-Solarzelle (10) erstrecken.
4. Solarzellenmodul (56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine transparente Abdeckung (64) auf den Oberflächen und den Verbindungsmitteln.
5. Solarzellenmodul (56) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel umfassen:
(5.1) Ein erstes Gitter (36) von elektrischen Leitern auf der n-Typ-Schicht der ersten N-auf-P-Solarzelle (26);
(5.2) ein zweites Gitter (20) von elektrischen Leitern auf der p-Typ-Schicht der zweiten P-auf-N-Solarzelle (10);
(5.3) ein korrespondierendes Gitter (62) von elektrischen Leitern an der Unterseite der transparenten Abdeckung (64), so daß das erste Gitter (36) elektrisch an das zweite Gitter (20) angeschlossen ist.
6. Solarzellenmodul (56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste N-auf-P- Solarzelle (26) und die zweite P-auf-N-Solarzelle (10) Gallium-Arsenid-Solarzellen sind.
7. Solarzellenarray (48), enthaltend eine Vielzahl von Solarzellenmodulen (56) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch Mittel (60) zum elektrischen Verbinden der Unterseiten von derart benachbarten zweiten P-auf-N-Solarzellen (10) und ersten N-auf-P-Solarzellen (26) der Solarzellenmodule (56), die an ihren Oberflächenkanten nicht miteinander in Kontakt sind.
8. Solarzellenarray (48) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (60) zum elektrischen Verbinden benachbarter Solarzellen eine Vielzahl von metallischen Leitern umfassen.
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