DE69214985T2 - Borosilicatglaszusammensetzung - Google Patents

Borosilicatglaszusammensetzung

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Borsilikatglaszusammensetzungen und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Borsilikatglaszusammensetzungen, die Ceroxid enthalten und für die Verwendung als Schutzabdeckung für Solarzellen, insbesondere aus Galliumarsenid für die Verwendung in Sateliten aufgebaute Solarzellen, geeignet sind.
  • US-Patent 4 746 634 beschreibt einen Bereich von Borsilikatglaszusammensetzungen für die Verwendung zum Schutz von Silizium-Solarzellen. Sie haben lineare Ausdehungskoeffizienten im Bereich von 73,5 - 76,7 x 10&supmin;&sup7;/Grad C. In unserem früheren Europäischen Patent 0261885 beschreiben wir einen verbesserten Bereich von Borsilikatglaszusammensetzungen mit linearen Ausdehnungskoeffizienten, die dem linearen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium entsprechen.
  • Die Notwendigkeit der Anpassung des linearen Ausdehnungskoeffizienten der Glaszusammensetzung an diejenigen eines Substrats, z.B. eines Siliziumsubtrats, beruht auf der Notwendigkeit, eine Schutzabdeckung aus der Glaszuammensetzung direkt auf der Solarzelle zu binden.
  • Ferner müssen die Glaszuammensetzungen, damit sie für die Verwendung zur Herstellung von solchen Schutzabdeckungen für Solarzellen geeignet sind, in der Lage sein, in Form von dünnen Glasschichten mit einer Dicke von etwa 50 bis 500 µm hergestellt zu werden.
  • Eine Schutzabdeckung aus solchen Glaszusammensetzungen muß also die folgenden Eigenschaften zeigen:
  • (i) gute spektrale Durchlässigkeit mit wenigstens 80% des bei 400 nm übertragenen einfallenden Lichtes und 85% des bei 450 nm übertragenen einfallendes Lichts (z.B. bei einer Dicke im Bereich von 50 bis 500 µm);
  • (ii) geringe Ultraviolett-Lichtdurchlässigkeit, d.h. hohe UV-Absorption bei wellenlängen unterhalb 320 nm mit weniger als 5% Durchlässigkeit für die einfallende Strahlung, vorzugsweise weniger als 2% Durchlässigkeit für die einfallende Strahlung (z.B. bei einer Dicke im Bereich von 50 bis 500 µm); und
  • (iii) Abwesenheit einer merklichen Entfärbung (auch bekannt als Strahlungstabilität), wenn sie einer Solarstrahlung im Raum ausgesetzt sind, die unter anderem Violettlicht, Elektronen niedriger Energie, Protonen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen enthält.
  • Aus Galliumarsenid aufgebaute Solarenergiezellen werden häufig für die Verwendung von Raumsateliten entwickelt. Solche Zellen können mit Schutzabdeckungen glasiert werden, wenn diese aus bekannten Glaszusammensetzungen bestehen, vorausgesetzt, daß eine Klebschicht zum Binden der Schutzabdeckung auf der Solarzelle verwendet wird. Wenn es jedoch erwünscht ist, die Schutzschicht direkt auf der Solarzelle zu binden, dann muß das Glas einen linearen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, der gleich demjenigen des Materials ist oder nahe an diesem liegt, aus dem die Solarzelle hergestellt ist.
  • Versuche haben gezeigt, daß für direkte Bindung an Galliumarsenid ein linearer Ausdehnungskoeffizient zwischen 64,0 und 70,0 x 10&supmin;&sup7;/Grad 0 erforderlich ist. Eine Anpassung des linearen Ausdehnungskoeffizienten ist für Galliumarsenid wegen dessen Brüchigkeit und Sprödigkeit besonders wichtig.
  • Es ist bekannt, daß hohe Stabilität gegen Raumstrahlung durch den Einschluß von Ceroxid in die zur Bildung der Schutzabdeckung verwendete Glaszusammensetzung erreicht werden kann. Etwa 2 bis 5 Gew.-% Ceroxid, vorzugsweise mehr als 3 Gew.-% Ceroxid, haben bekanntlich die gewünschte Wirkung für Schutzabdeckungen von Siliziumzellen. Um Glasschichten herstellen zu können, die ausreichend dünn sind, um als Schutzschichten für Solarzellen geeignet zu sein, ist es erforderlich, die Liquidustemperatur der Glaszusammensetzung (im Verhältnis zur Viskosität der Schmelze) auf einem niedrigem Wert zu halten. Die Anwesenheit von Ceroxid im bevorzugten Konzentrationsbereich von 2 bis 5 Gew.-% verursacht im allgemeinen eine Erhöhung der Liquidustemperatur des Glases über die Liquidustemperatur der cerfreien Ausgangsglaszusammensetzung hinaus. Dies gilt insbesondere, wenn die Glaszusammensetzung einen hohen Anteil der mehr sauren, netzbildenden Oxide, wie SiO&sub2; oder B&sub2;O&sub3; oder Al&sub2;O&sub3;, enthält. Unglückerlicherweise ist es, um ein Ansteigen des linearen Ausdehnungskoeffizienten über die gewünschte obere Grenze von 70,0 x 10&supmin;&sup7;/Grad C zu verhindern, notwendig, mit Glaszusammensetzungen zu arbeiten, die verhältnismäßig hohe Konzentrationen dieser sauren Oxide enthalten, und dies kann zu Glaszuammensetzungen führen, die verhältnismäßig hohe, unerwünschte Liquidustemperaturen besitzen.
  • Wir haben einen schmalen Bereich von Borsilikat-Glaszusammensetzungen gefunden, welche die gewünschte Strahlungsstabilität und Lichtdurchlässigkeit, einen linearen Ausdehnungskoeffizienten innerhalb des gewünschten Bereiches sowie auch Liquidustemperaturen besitzen, die im Verhältnis zur Viskosität der Schmelze ausreichend niedrig liegen, um die Glaszusammensetzungen für die Herstellung von Glasschichten geeignet zu machen, die für die Verwendung als Schutzabdeckungen für Solarzellen aus Galliumarsenid ausreiched dünn sind.
  • Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Borsilikatglaszusammensetzung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Glaszusammensetzung im wesentlichen aus den folgenden Komponenten besteht:
  • SiO&sub2; 57 - 77 Mol-%,
  • Al&sub2;O&sub3; 0 - 8,5 Mol-%,
  • B&sub2;O&sub3; 4,6 - 23,0 Mol-%,
  • wobei die Gesamtmenge an
  • SiO&sub2; + Al&sub2;O&sub3; + B&sub2;O&sub3; zwischen 81 und 91 Mol-% liegt,
  • Li&sub2;O 0 - 1,5 Mol-%,
  • Na&sub2;O 2 - 7,5 Mol-%,
  • K&sub2;O 2 - 7,5 Mol-%,
  • wobei die Gesamtmenge an
  • Li&sub2;O + Na&sub2;O + K&sub2;O zwischen 7,6 und 10,6 Mol-% liegt,
  • CeO&sub2; 0,7 - 2,0 Mol-%,
  • Sb&sub2;O&sub3; 0 - 0,3 Mol-%,
  • As&sub2;O&sub3; 0 - 0,3 Mol-%,
  • TiO&sub2; 0 - 2,0 Mol-%,
  • F&sub2; 0 - 2,0 Mol-%,
  • sowie eine oder mehrere der Verbindungen MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO und PbO in einer Gesamtmenge zwischen 0 und 7 Mol-%;
  • und daß die Glaszusammensetzung einen linearen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 64,0 - 70,0 x 10&supmin;&sup7;/Grad C besitzt.
  • Bei einer besonders bevozugten Gruppe von Glaszusammensetzungen gemäß der Erfindung fallen die Mengen an SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; und B&sub2;O&sub3; in die folgenden Bereiche:
  • SiO&sub2; 65 - 70 Mol-%,
  • Al&sub2;C&sub3; 0 - 2 Mol-%,
  • B&sub2;O&sub3; 8 - 22 Mol -%.
  • Cer kann entweder in der oxidierten Cer(IV)-Form (CeO&sub2; - oftmals als Ceroxid bezeichnet) oder in der reduzierten Cer (III)-Form (Ce&sub2;O&sub3;) eingeführt werden. Im Glas sind beide Oxidformen oftmals vorhanden, unabhängig davon, wie das Cer zugegeben wird, aber die reduzierte Cer(III)-Form Ce&sub2;O&sub3; herrscht im allgemeinen vor.
  • Da jedoch Oeroxid (CeO&sub2;) die am meisten übliche Cerquelle ist, ist es allgemeine Praxis, den Cergehalt so auszudrücken, als wenn alles Cer als CeO&sub2; vorhanden wäre.
  • Vorteilhafterweise fallen die Mengen von MgC, CaO, SrO, BaO, ZnO, PbO in den Glaszusammensetzungen gemäß der Erfindung in die folgenden Bereiche:
  • MgO 0 - 5 Mol-%,
  • CaO 0 - 3,5 Mol-%,
  • SrO 0 - 2 Mol-%,
  • BaO 0 - 2 Mol-%,
  • ZnO 0 - 2,5 Mol-%,
  • PbO 0 - 7 Mol-%.
  • Der bevorzugte Bereich der Gesamtsumme von MgO+CaO+SrO+BaO+ ZnO+PbO liegt zwischen 0 und 3,5 Mol-%.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schutzabdeckung für eine Galliumarsenid-Solarzelle geschaffen, wobei die Abdeckung aus einer Borsilikatglaszusammensetzung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung besteht.
  • Normalerweise liegt die Dicke von solchen Schutzabdeckungen im Bereich von 50 bis 500 µm. Die Dicke der Glasschicht wird teilweise durch die Zusammensetzung des Glases bestimmt. Beispielsweise haben einige Zusammensetzungen eine Färbung, die für die Eignung zur Herstellung einer Glasschicht mit einer Dicke im oberen Teil des angegebenen Dickenbereichs zu dunkel ist.
  • Wir haben gefunden, daß zur Herstellung einer Glasschicht, die dünner ist als etwa 100 µm, die Gesamtmenge von CeO&sub2; +TiO&sub2; (Ceroxid + Titanoxid) groß sein muß, normalerweise größer als 1,5 Mol-%, um die erforderliche UV-Absorption zu erzielen. Viele solcher Zusammensetzungen mit mehr als 1,5% CeO&sub2;+TiO&sub2; sind jedoch zu dunkel gefärbt, um für die dickere Glasschicht (d.h. mit einer Dicke oberhalb etwa 150µm) geeignet zu sein.
  • Diese stark UV-absorbierenden Gläser können in einem gewissen Ausmaß durch Erhöhung der Konzentration von Antimonoxid auf einen Wert oberhalb 0,3% gebleicht werden, aber maximale Werte von CeO&sub2;+TiO&sub2; sind für die dickeren Abdeckungen (d.h. oberhalb etwa 150 µm Dicke) nicht notwendig und es wäre daher auch möglich, CeO&sub2;+TiO&sub2;-Werte unterhalb 1,5% in diesen Fällen anzuwenden.
  • Bindeverfahren, die für die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen angewendet werden können, sind elektrostatische Bindung, Teflonbindung und feste Klebebindung.
  • Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen in Mol-%, während Tabelle 2 die gleichen Zusammensetzungen wie Tabelle 1 zeigt, wobei jedoch die Bestandteile in Tabelle 2 in Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Glaszusammensetzung, wiedergegeben sind.
  • Die Glaszusammensetzungen in jedem der Beispiele zeigten einen linearen Ausdehnungskoeffizienten innerhalb des Bereiches 64 bis 70 x 10&supmin;&sup7;/Grad C.
  • In den folgenden Tabellen stellt:
  • CLE den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Glaszusammensetzung, gemessen bei 20 - 550 ºC (x10&supmin;&sup7; /Grad C) dar,
  • Tg die Glasübergangstemperatur (in ºC), und
  • Tw den Arbeitspunkt (in ºC). Tabelle 1 Tabelle 1 Tabelle 1 Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 2 Tabelle 2 Tabelle 2

Claims (10)

1. Borosilikatglaszusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaszusammensetzung im wesentlichen aus den folgenden Komponenten besteht:
SiO&sub2; 57 - 77 Mol-%,
Al&sub2;O&sub3; 0 - 8,5 Mol-%,
B&sub2;O&sub3; 4,6 - 23,0 Mol-%,
wobei die Gesamtmenge an SiO&sub2; + Al&sub2;O&sub3; + B&sub2;O&sub3; zwischen 81 und 91 Mol-% liegt,
Li&sub2;O 0 - 1,5 Mol-%,
Na&sub2;O 2 - 7,5 Mol-%,
K&sub2;O 2 - 7,5 Mol-%,
wobei die Gesamtmenge an
Li&sub2;O + Na&sub2;O + K&sub2;O zwischen 7,6 und 10,6 Mol-% liegt,
CeO&sub2; 0,7 - 2,0 Mol-%,
Sb&sub2;O&sub3; 0 - 0,3 Mol-%,
As&sub2;O&sub3; 0 - 0,3 Mol-%,
TiO&sub2; 0 - 2,0 Mol-%,
F&sub2; 0 - 2,0 Mol-%,
sowie eine oder mehrere der Verbindungen MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO und PbO in einer Gesamtmenge zwischen 0 und 7 Mol-%;
und daß die Glaszusammensetzung einen linearen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 64,0 - 70,0 x 10&supmin;&sup7; /ºC besitzt.
2. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, bei welcher die Mengen an SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; und B&sub2;O&sub3; in die folgenden Bereiche fallen:
SiO&sub2; 65 - 70 Mol-%,
Al&sub2;O&sub3; 0 - 2 Mol-%,
B&sub2;O&sub3; 8 - 22 Mol-%.
3. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Menge an MgO zwischen 0 und 5 Mol-% beträgt.
4. Glaszusammensetzung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher die Menge an CAO zwischen 0 und 3,5 Mol-% beträgt.
5. Glaszusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Menge an SrO zwischen 0 und 2 Mol-% beträgt.
6. Glaszusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Menge an BaC zwischen 0 und 2 Mol-% beträgt.
7. Glaszusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Menge an ZnO zwischen 0 und 2,5 Mol-% beträgt.
6. Glaszusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Menge an PbO zwischen 0 und 7 Mol-% beträgt.
9. Glaszusammensetzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Gesamtmenge an MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO + PbO zwischen 0 und 3,5 Mol-% beträgt.
10. Schutzabdeckung für eine Galliumarsenid-Solarzelle, wobei die Abdeckung aus einem Borosilikatglas gemäß einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.
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