DE69632939T2 - Solarzelle mit integrierter Umleitungsdiode und Herstellungsverfahren - Google Patents

Solarzelle mit integrierter Umleitungsdiode und Herstellungsverfahren Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzellenanordnung, mit:
    einer Solarzelle, die eine vordere Oberfläche, eine hintere Oberfläche, einen ersten Kontakt an der vorderen Oberfläche und einen zweiten Kontakt an der hinteren Oberfläche aufweist, wobei die Solarzelle in Antwort auf Beleuchtung ihrer vorderen Oberfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt ein Spannungssignal erzeugt; und
    einer Bypass-Diode, die mit der Solarzelle verbunden bzw. daran befestigt („bonded to") ist, wobei die Bypass-Diode einen dritten und einen vierten Kontakt aufweist, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Kontakt in einer anti-parallelen Konfiguration verbunden sind, derart, dass die Bypass-Diode in Sperrrichtung betrieben wird („is reverse biased"), wenn die Solarzelle beleuchtet ist, und ansonsten in Durchlassrichtung betrieben wird („forward biased"), um die Sperrspannung über der Solarzelle zu begrenzen und zu verhindern, dass diese durchbricht („breaking down").
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bilden einer Solarzellenanordnung, mit den Schritten:
    Bereitstellen einer Solarzelle, die eine vordere Oberfläche, eine hintere Oberfläche, einen ersten Kontakt an der vorderen Oberfläche und einen zweiten Kontakt an der hinteren Oberfläche aufweist, wobei die Solarzelle in Antwort auf eine Beleuchtung ihrer vorderen Oberfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt ein Spannungssignal erzeugt; und
    Bereitstellen einer Bypass-Diode, die einen dritten und einen vierten Kontakt aufweist, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Kontakt verbunden sind.
  • Eine derartige Solarzellenanordnung und ein derartiges Verfahren zum Bilden einer Solarzellenanordnung sind beispielsweise aus den Dokumenten Patent Abstracts of Japan, Band 007, No. 144 (E-183), 23. Juni 1983 sowie EP-A-0 535 614 bekannt.
  • Arrays, die Hunderte oder Tausende von Solarzellen aufweisen können, die mit einem Solarpaneel verbunden sind, werden dazu verwendet, um für eine Vielzahl von Anwendungen wie Raumflugkörper elektrische Leistung bereitzustellen. In den meisten Anwendungen, bei denen Solarzellen verwendet werden, sind Überlegungen hinsichtlich Größe und Gewicht sehr wichtig. Eine Solarzelle weist einen flachen photovoltaischen Wafer auf, der aus einem kristallinen Halbleitermaterial vom n-Typ oder p-Typ, wie Silicium, Gallium-Arsenid oder Germanium, hergestellt ist, in dem oder an dem eine dünne Oberflächenschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet ist. Die Schnittstelle zwischen der Oberflächenschicht und dem Haupt- oder Massenbereich des Wafers definiert einen Halbleiterübergang. An der Oberflächenschicht wird eine Gittermetallisierung als Stromkollektor gebildet, und an der hinteren Oberfläche des Wafers wird eine Metallschicht gebildet. Eine Beleuchtung der Oberflächenschicht ruft eine Freisetzung von Ladungsträgern, einschließlich Elektronen und Löchern, in dem Bereich des Halbleiterüberganges hervor, die in Richtung hin zu entgegengesetzten Oberflächen wandern, um über der Solarzelle ein Potential einzurichten.
  • Solarzellen werden typischerweise als Dioden modelliert bzw. modellartig dargestellt, die auf Beleuchtung ansprechen, indem sie in Durchlassrichtung betrieben werden und eine Spannung über der Zelle einrichten. Eine Solarzelle auf Siliciumbasis erzeugt etwa 0,6 V, wohingegen eine Zelle auf Gallium-Arsenid-Basis etwa 1,0 V erzeugt. Eine relativ neue Klasse von Solarzellen mit mehrfachen Übergängen, die gebildet ist aus einer Kombination von Materialien der Gruppe III und der Gruppe V und die üblicherweise bezeichnet wird als fortgeschrittene III–V-Zellen („advanced III–V cells"), erzeugen eine etwas höhere Durchlassspannung. Wenn die Solarzelle sich in einer Schaltung befindet und nicht beleuchtet wird, wird der Stromfluss durch die Zelle hindurch begrenzt, was hervorruft, dass die Zelle in Sperrrichtung betrieben wird bzw. gesperrt ist. Wenn die Sperrspannung hoch genug ist, kann die Solarzelle durchbrechen und permanent beschädigt werden. Siliciumzellen haben eine typische Durchbruchspannung von etwa 60 V, bei einem Minimum von etwa 35 V. Gallium-Arsenid-Zellen haben eine sehr viel niedrigere Durchbruchspannung, nominal 5 V und bis herunter zu 1 V, und sind daher gegenüber Beschädigungen empfängli cher. Die fortgeschrittenen III–V-Zellen können bei noch niedrigeren Spannungen durchbrechen.
  • Die Solarzellen können in seriellen Ketten verbunden sein, um eine gewünschte Spannung bereitzustellen, können parallel verbunden sein, um einen Strom bereitzustellen, oder können in einer seriellen parallelen Kombination verbunden sein. Wenn alle Solarzellen beleuchtet werden, erzeugen sie jeweils ihre jeweiligen Spannungs- oder Stromsignale, die sich aufsummieren, um den gewünschten Ausgang aufrecht zu erhalten. Wenn jedoch eine oder mehrere der Solarzellen abgeschattet werden, werden diese Zellen in Sperrrichtung betrieben. Beispielsweise kann bei einem Raumflugkörper eine Antenne einen Schatten auf den Array werfen.
  • Der Effekt des Abschattens einer Solarzelle in einer seriellen Kette hängt von den bestimmten Charakteristika der Zelle ab. Wenn die Zelle einen sehr niedrigen Sperrstrom besitzt, führt das Sperren der Zelle effektiv dazu, dass der Ausgang der Kette zu Null wird. Wenn die Zelle hingegen bei einer relativ niedrigen Sperrspannung durchbricht, ist die Wirkung des Abschattens bzw. Beschattens einer Zelle auf den Ausgang der Kette verringert. Die Zelle kann jedoch permanent beschädigt werden.
  • Um Ausgangsverluste zu minimieren und Zellen zu schützen, wenn sie abgeschattet werden, werden Bypass-Dioden, typischerweise auf Siliciumbasis, verwendet. Bypass-Dioden können über einzelne Zellen angeschlossen werden, über Ketten von Zellen oder über Reihen von parallel verbundenen Zellen. Wie es in 1 gezeigt ist, sind die Bypass-Dioden 10 und Solarzellen 12 in einer anti-parallelen Konfiguration miteinander verbunden, derart, dass die Bypass-Diode in Sperrrichtung betrieben wird, wenn die Solarzellen beleuchtet werden. Bypass-Dioden, die sehr niedrige Sperrströme („reverse currents") besitzen, sind bevorzugt, um eine Verringerung des Stroms in der Solarzelle während deren normalen Betriebs zu vermeiden, was die Leistungseffizienz reduzieren würde. Wenn die Zelle abgeschattet wird, wird der Stromfluss durch die Zelle hindurch begrenzt, was dazu führt, dass die Zelle in Sperrrichtung betrieben wird. Dies ruft hervor, dass die Bypass-Diode in Durchlassrichtung betrieben wird und leitet, derart, dass der Strom in der Kette Weiterfließen kann. Die Bypass-Diode begrenzt auch die Sperrspannung über der Zelle, so dass diese nicht durchbricht und permanent beschädigt wird. Der Spannungsausgang Vout der Kette von Zellen wird durch die Spannung reduziert, die durch die nicht beleuchteten Zellen erzeugt würde, sowie den Spannungsabfall über der Bypass-Diode.
  • Das „Solar Cell Array Design Handbook" von H. S. Rauschenbach, Litton Education Publishing, Inc., Seiten 300–302, 1980, offenbart drei Typen von Bypass-Dioden: herkömmliche Gleichrichterdioden, Gleichrichterwafer und integrale Dioden. Die herkömmlichen Gleichrichterdioden werden benachbart zu den Solarzellen mit dem Solarpaneel durch Draht verbunden. Bei Ketten von Siliciumzellen ist eine Bypass-Diode alle siebzig Zellen hinreichend, um die maximale Sperrspannung auf weniger als 35 V zu begrenzen, so dass die Zellen nicht durchbrechen. Der zusätzliche Raum bzw. Platz an dem Solarpaneel, das Gewicht, sowie die Zeit und die Kosten des Installierens von einer Diode alle siebzig Zellen ist nicht signifikant. Bei Ketten von Gallium-Arsenid-Zellen wäre jedoch eine Bypass-Diode pro Zelle erforderlich, um den Schutz zu gewährleisten. Stattdessen wird typischerweise eine Diode alle fünf Zellen verwendet und die Zellen werden selektiert, um solche Zellen zu entfernen, die bei weniger als 5 V durchbrechen. Dies führt typischerweise zu einem Verlust von 10% bis 30% der Zellen. Ferner führt das Verbinden der Dioden mit der Oberfläche des Solarpaneels mittels Draht generell zu einer Zunahme der Gesamtgröße und somit des Gewichtes des Paneels, und zwar um etwa 15%.
  • In Rauschenbach werden Gleichrichterwafer verwendet, um Solarzellen in dicht gepackten Arrays zu schützen, und zwar um Platz einzusparen. Die Gleichrichterwafer werden unterhalb der Solarzellen angeordnet, jedoch nicht direkt an den Zellen angebracht. Solarzellen werden mit dem Solarpaneel verbunden bzw. daran befestigt („bonded") entlang einer Befestigungs- bzw. Klebstoffverbindungslinie, die typischerweise 0,004 Zoll. dick ist. Das Anordnen der Wafer zwischen den Solarzellen und dem Paneel bedingt die Verwendung einer dickeren Befestigungslinie („bond line"). Dies führt zu einem Anstieg der Herstellungskosten, erhöht das Gewicht des Solarpaneels beträchtlich und kann die mechanische Verbindung zwischen den Solarzellen und dem Paneel schwächen.
  • Rauschenbach offenbart, dass eine signifikante Verbesserung gegenüber flachen Wafern potentiell erreicht werden kann, indem Solarzellen mit integralen bzw. integrierten Dioden verwendet werden. Eine integrierte Diode wird gebildet, indem die Diode in die Solarzelle selbst hineingebaut wird. Dies lässt sich für Solarzellen auf Siliciumbasis erzielen, ist jedoch für Zellen auf Gallium-Arsenid-Basis sehr schwierig. Ferner sind integrierte Dioden durch einen signifikanten Sperrstrom charakterisiert, der das Leistungsvermögen bzw. die Performance der Solarzellen tendenziell verschlechtert.
  • Aus dem oben genannten Dokument EP-A-0 535 614 ist es auch bekannt, eine Bypass-Diode parallel zu ihrem zugeordneten Solarbatteriemodul vorzusehen, so dass das Modul und die Diode Seite an Seite angeordnet sind.
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine kompakte, leichtgewichtige Anordnung aus Solarzelle und Bypass-Diode bereitzustellen, die eine hohe mechanische Festigkeit und einen niedrigen Sperrstrom besitzt.
  • Diese Aufgabe wird durch die eingangs genannte Solarzellenanordnung gelöst, wobei in der hinteren Oberfläche der Solarzelle eine Ausnehmung gebildet ist und wobei die Bypass-Diode in der Ausnehmung angeordnet ist.
  • Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Bilden einer Solarzellenanordnung, wie eingangs erwähnt, wobei eine Ausnehmung in der rückseitigen bzw. hinteren Oberfläche der Solarzelle gebildet wird und wobei die Bypass-Diode in der Ausnehmung angeordnet und mit der Solarzelle verbunden wird.
  • Wenigstens eine diskrete flache („low-profile") Bypass-Diode wird in jeweiligen Ausnehmungen angeordnet, wobei jede Bypass-Diode vorzugsweise etwa bündig mit der hinteren Oberfläche der Solarzelle ausgerichtet ist.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Rückseite bzw. hintere Oberfläche der Solarzelle mit einem Honigwabenmuster von Ausnehmungen gebildet, um das Gewicht der Solarzelle zu reduzieren, wohingegen deren mechanische Festigkeit aufrecht erhalten wird. Die Ausnehmungen, die Bypass-Dioden aufnehmen, sind vorzugsweise so modifiziert, dass sie eine Rechteckform besitzen, die die Bypass-Dioden besser aufnimmt.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung und um darzustellen, wie diese ausgeführt werden kann, wird nunmehr beispielhaft auf die beiden Zeichnungen Bezug genommen.
  • 1, die oben beschrieben wurde, ist eine schematische Darstellung einer bekannten seriellen Kette von Solarzellen, die in einer anti-parallelen Konfiguration mit einer Bypass-Diode verbunden ist;
  • 2 ist eine vereinfachte Schnittansicht einer Vielzahl von Solarzellen und jeweiligen Planaren isolierten Bypass-Dioden, die in Ausnehmungen an den hinteren Oberflächen der Solarzellen gebildet sind, und zwar gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist eine Draufsicht auf die Solarzellen und Bypass-Dioden und stellt deren Verbindungen untereinander dar;
  • 4 ist eine schematische Darstellung einer seriellen Kette von Solarzellen, wobei zumindest eine Bypass-Diode über jeder Solarzelle angeschlossen ist;
  • 5 ist eine Draufsicht auf die rückseitige bzw. hintere Oberfläche einer bevorzugten Anordnung von Solarzelle und Bypass-Diode;
  • 6 ist eine Schnittansicht einer Vielzahl von Solarzellen/Bypass-Dioden, die in einer seriellen Kette verbunden sind und an einem Solarpaneel befestigt („bonded") sind; und
  • 7 ist eine vereinfachte Schnittansicht der Solarzellen in 2 mit jeweiligen isolierten Mesa-Bypass-Dioden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Anordnung von Solarzelle/Bypass-Diode dar, wobei eine diskrete Bypass-Diode in einer Ausnehmung angeordnet ist, die in der hinteren Oberfläche der Solarzelle gebildet ist, und wobei die Bypass-Diode mit der Solarzelle verbunden bzw. daran befestigt („bonded") ist. Die Anordnung von Solarzelle und Bypass-Diode erfordert weniger Raum als herkömmliche Gleichrichterdioden, stellt eine bessere mechanische Verbindung mit dem Solarpaneel als die Gleichrichterwafer bereit und besitzt einen niedrigeren Sperrstrom als die integrierte Diode. Ein redundanter Bypass-Schutz kann bereitgestellt werden, indem mehr als eine Ausnehmung an der Rückseite von jeder Solarzelle gebildet wird, indem eine Bypass-Diode in jeder Ausnehmung angeordnet wird, und indem diese jeweils anti-parallel mit der Solarzelle verbunden werden. Ferner können die elektrischen Verbindungen zwischen seriell miteinander verbundenen Solarzellen und die elektrischen Verbindungen der Bypass-Diode gleichzeitig vorgenommen werden, wodurch die elektrische und mechanische Qualität der Verbindung verbessert wird.
  • 2 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer seriellen Kette von Solarzellenanordnungen 14, die jeweils eine Solarzelle 16 und wenigstens eine diskrete Bypass-Diode 18 aufweisen. Wie gezeigt, ist die Solarzelle 16 ein Germanium-Wafer 20 vom n-Typ und hat geeigneterweise eine Dicke von 0,0007 Zoll (178 μm) und eine Querschnittsfläche von 2,54 cm × 5,08 cm. Alternativ hierzu kann der Wafer aus Ge vom p-Typ sein, aus Silicium vom p- oder n-Typ oder ein Mehrfachübergangsmaterial der Klassen III–V. Auf der vorderen Oberfläche 24 der Solarzelle ist eine dünne, geeigneterweise 10 μm oder weniger, Schicht 22 vom p-Typ gebildet, und zwar mittels einer metallo-organischen chemischen Dampfabscheidungsprozedur (MOCVD-Prozedur) oder einer Diffusionsprozedur. Leitende Gitterlinien 26, die an der vorderen Oberfläche 24 der Solarzelle 16 gebildet sind, sammeln Strom und geben diesen an eine Sammelschiene 28 ab, die mit einer flexiblen Verbindungszunge 30 verbunden ist. Die Zunge 30 ist vorzugsweise in einer U-Form aus Kovar gebildet und stellt den p-Kontakt (Anode) der Solarzelle dar.
  • Die Solarzelle 16 weist wenigstens eine Ausnehmung 32 auf, die in ihrer hinteren Oberfläche 34 gebildet ist. Die Ausnehmung 32 ist vorzugsweise gebildet durch Ätzen der hinteren Oberfläche 34 der Solarzelle mittels einer Maske, und zwar entweder durch Mikrobeschuss („microblasting") oder herkömmliche Photolithografie. Die Ausdehnung 32 weist eine Tiefe von etwa 0,004 Zoll (100 μm) und eine rechteckige Querschnittsfläche von etwa 0,44 cm × 0,44 cm auf. Eine Metallisierungsschicht 36 ist vorzugsweise über der rückseitigen Oberfläche 34 und der Ausnehmung 32 gebildet, nachdem die Ausnehmung geätzt worden ist, und bildet den n-Kontakt (Kathode) der Solarzelle.
  • Die Bypass-Diode 18 ist vorzugsweise eine flache diskrete Diode, geeigneterweise mit einer Dicke von 0,003–0,005 Zoll (76,2 μm–127 μm) und einer Querschnittsfläche von 14,4 mm2 (3,8 mm an einer Seite), die hergestellt wird unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterverarbeitungstechniken. Die ebene isolierte Bypass-Diode 18 ist innerhalb der Ausnehmung 32 mit der Solarzelle 16 verbunden mittels einer Silikon-Klebstoffschicht 38, die etwa 0,001 Zoll (25 μm) dick ist. Die vordere Oberfläche 40 der flachen Diode ist vorzugsweise bündig mit der hinteren Oberfläche der Solarzelle ausgerichtet, kann sich jedoch über die hintere Oberfläche um 0,001–0,002 Zoll (25–50 μm) hinaus erstrecken. Die Standardbefestigungs- bzw. Klebstofflinie zwischen der Solarzelle und einem Solarpaneel beträgt 0,004 Zoll (100 μm). Somit kann die Anordnung aus Solarzelle/Bypass-Diode mit dem Solarpaneel unter Verwendung der Standardklebstofflinie verbunden werden. Dies vereinfacht die darauffolgenden Herstellungsschritte und verbessert die mechanische Verbindung zwischen der Solarzelle und dem Paneel.
  • Die in 2 gezeigte Bypass-Diode 18 ist eine planare isolierte Siliciumdiode vom p-Typ, die gebildet ist durch Diffundieren einer Region 42 vom n-Typ in einen Wafer vom p-Typ, um an deren Schnittstelle einen pn-Übergang zu definieren. Die Bypass-Diode ist aus einem Halbleitermaterial wie Silicium gebildet, das eine Einschaltspannung („turn on voltage") besitzt, die geringer ist als die Sperrdurchbruchsspannung der Solarzelle. Die Diode weist vorzugsweise einen sehr niedrigen Sperrstrom, Idealerweise von Null auf. Die Anode und die Kathode der Bypass-Diode sind gebildet durch einen p-Kontakt 46, der über dem Wafer 44 vom p-Typ gebildet ist, bzw. einen n-Kontakt 48, der über der Region 42 vom n-Typ gebildet ist.
  • Wie es in den 2 und 3 gezeigt ist, sind die Solarzellen seriell miteinander verbunden, indem die flexiblen Verbindungsnasen 30 (p-Kontakte) an den vorderen Oberflächen 24 der Solarzellen gebogen und in Kontakt gebracht werden mit den Metallschichten 36 (n-Kontakten) an den hinteren Oberflächen 34 der benachbarten Solarzellen. Bypass-Dioden sind mit ihren zugeordneten Solarzellen anti-parallel verbunden, indem leitende Verbindungsabschnitte 50 über dem n-Kontakt 48 einer Anordnung und der Metallschicht 36 und dem p-Kontakt 46 der nächsten Anordnung angeordnet werden. Die Verbindungsabschnitte 50 sind geeigneterweise eine Silberfolie mit einer Dicke von 0,005 Zoll (12,7 μm). Die Klebstoffschicht 38 bildet auch einen Isolator zwischen dem Verbindungsabschnitt 50 und der Metallschicht 36 an dem n-Kontakt 48 der Bypass-Diode. Die Nasen 30 und die Verbindungsabschnitte 50 werden gleichzeitig auf die Metallschicht 36 und die Diodenkontakte 46, 48 geschweißt. Dies verbessert die Qualität der Schweißverbindung und verringert Herstellungskosten, indem die zwei Verbindungen gleichzeitig gebildet werden.
  • Wie es in 4 gezeigt ist, führen die Anordnung von Solarzelle/Bypass-Diode und das Verbindungsschema, die in 2 und 3 dargestellt sind, dazu, dass zumindest eine Bypass-Diode 18 anti-parallel mit jeder Solarzelle 16 verbunden ist. Die Solarzellen können mit mehrfachen Ausnehmungen gebildet sein, so dass mehr als eine Bypass-Diode anti-parallel über der Solarzelle angeschlossen werden kann. Wenn somit eine Bypass-Diode defekt wird oder beschädigt wird, liefern die anderen Dioden Redundanz. Die redundanten Dioden sind mit gestrichelten Linien dargestellt, da sie enthalten sein können oder auch nicht. Dies ist die bevorzugte Konfiguration, da 1) sie einen hohen Durchbruchsschutz für Solarzellen bereitstellt, indem die Sperrspannung begrenzt wird, die über jeder Zelle auftreten kann, und indem redundante Bypass-Dioden bereitgestellt werden, und da 2) es einfach ist, die Bypass-Diode über zugeordneten Solarzellen anzuschließen. Alternativ hierzu könnten Gruppen von n Solarzellen in einer Kette mit einer einzelnen Bypass-Diode versehen sein, wie es in 1 dargestellt ist. Dies würde geringeren Schutz bieten und wäre schwieriger zu verbinden bzw. anzuschließen.
  • Wie es in 5 gezeigt ist, ist die hintere Oberfläche 35 der Solarzelle 16 vorzugsweise mit einem generell regelmäßigen Muster von Ausnehmungen ausgebildet. Die US-Patentanmeldung „Thin Semiconductor Device and Method of Fabrication", Anmeldenummer 08/415,221, eingereicht am 28. März 1995 als eine Continuation-Anmeldung der Anmeldung mit der Nr. 08/168,112, die am 14. Dezember 1994 eingereicht wurde, und der EP-A-0 658 944 entspricht, offenbart eine Solarzelle, bei der ein Ausnehmungsmuster an ihrer hinteren Oberfläche gebildet ist. Das Ausnehmungsmuster ist gebildet, um das Gewicht der Solarzelle zu reduzieren, während ihre physikalische Festigkeit beibehalten wird. Die Ausnehmungen 32 sind vorzugsweise gebildet durch Mikrobeschuss („microblasting") der hinteren Oberfläche 34 durch eine Maske hindurch, um die Schicht vom n-Typ zu ätzen. Ein Honigwabenmuster stellt für die Solarzelle ein hohes Maß an mechanischer Festigkeit bereit. Der Mikrobeschuss beinhaltet, feines Aluminiumoxidpulver mit einem Strom von komprimiertem Gas zu mischen, um die hintere Oberfläche 34 zu ätzen. Mikrobeschuss wird typischerweise verwendet, um Siliciumwafer dünner zu machen oder aufzurauen, kann jedoch auch dazu verwendet werden, um die Ausnehmungen gemäß der Erfindung zu ätzen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Ausnehmungen 32, die Bypass-Dioden 18 aufnehmen, eine Rechteckform anstelle einer Sechseckform, um eine bessere Anpassung an die Bypass-Dioden 18 zu bilden. Wie gezeigt weist die Solarzelle zwei Bypass-Dioden auf, was einen Redundanzschutz für die Zelle bereitstellt.
  • 6 ist eine Schnittansicht der Anordnungen 14 von Solarzelle/Bypass-Dioden, die an einem Solarpaneel 52 montiert sind. Die hintere Oberfläche 34 der Solarzelle 16 und die vordere Oberfläche 40 der Bypass-Diode 18 sind mittels eines Silikon-Klebstoffs mit dem Solarpaneel 52 verbunden. Da die Bypass-Diode flach ausgebildet ist, so dass sie sich höchstens etwa 0,002 Zoll (50,8 μm) über die hintere Oberfläche der Solarzelle hinaus erstreckt, können herkömmliche Herstellungsprozesse verwendet werden, um eine Verbindungs- bzw. Klebstofflinie 54 bereitzustellen, die eine Standarddicke von 0,004 Zoll (101,6 μm) besitzt. Dies verbessert die Qualität der Verbindung bzw. Klebung und reduziert die Herstellungskosten.
  • 7 stellt eine alternative Ausführungsform der Erfindung dar, bei der eine isolierte Mesa-Bypass-Diode 56 anstelle der ebenen Isolationsdiode 18 verwendet wird. Die Mesa-Bypass-Diode 56 beinhaltet bei diesem Beispiel einen Siliciumwafer 58 vom p-Typ, auf dessen vorderer Oberfläche eine dünne Schicht vom n-Typ aufgewachsen oder aufdiffundiert ist. Ein n-Kontakt 60 ist über der Schicht vom n-Typ gebildet und ein p-Kontakt 62 ist an der anderen Seite des Wafers vom p-Typ gebildet. Anstelle der Bildung separater mechanischer und elektrischer Verbindungen zwischen der Bypass-Diode und der Solarzelle ist der p-Kontakt 62 direkt auf die Metallschicht 36 an der hinteren Oberfläche 34 der Solarzelle 16 gelötet. Dies stellt die mechanische Verbindung zwischen der Bypass-Diode und der Solarzelle und die elektrische Verbindung zwischen dem p-Kontakt der Bypass-Diode und den n-Kontakt der Solarzelle bereit. Ein Verbindungsabschnitt 64 wird dazu verwendet, um den n-Kontakt 60 der Bypass-Diode mit dem p-Kontakt 36 der Solarzelle zu verbinden.
  • Obgleich einige illustrative Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ergeben sich für Fachleute eine Vielzahl von Variationen und alternativen Ausführungsformen. Derartige Variationen und alternative Ausführungsformen lassen sich ersinnen und können vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims (10)

  1. Solarzellenanordnung (14), mit: einer Solarzelle (16), die eine vordere Oberfläche (24), eine hintere Oberfläche (34), einen ersten Kontakt (28) an der vorderen Oberfläche (24) und einen zweiten Kontakt (36) an der hinteren Oberfläche (34) aufweist, wobei die Solarzelle (16) in Antwort auf Beleuchtung ihrer vorderen Oberfläche (24) zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt (28, 36) ein Spannungssignal erzeugt; und einer Bypass-Diode (18; 56), die mit der Solarzelle (16) verbunden ist, wobei die Bypass-Dode (18; 56) einen dritten und einen vierten Kontakt (46, 48; 62, 60) aufweist, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Kontakt (28, 36) in einer antiparallelen Konfiguration verbunden sind, derart, dass die Bypass-Diode (18; 56) in Sperrrichtung betrieben wird, wenn die Solarzelle (16) beleuchtet ist, und ansonsten in Durchlassrichtung betrieben wird, um die Sperrspannung über der Solarzelle (16) zu begrenzen und zu verhindern, dass diese durchbricht, gekennzeichnet durch eine Ausnehmung (32), die in der hinteren Oberfläche (34) der Solarzelle (16) gebildet ist, und die Tatsache, dass die Bypass-Diode (18; 56) in der Ausnehmung (32) angeordnet ist.
  2. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspann-Diode (18) eine planare isolierte Diode (18) ist, die eine hintere Oberfläche aufweist, die mit der Solarzelle (16) verbunden ist, und eine vordere Oberfläche (40) aufweist, an der der dritte und der vierte Kontakt (46, 48) angeordnet sind.
  3. Solarzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontakt (36) die hintere Oberfläche (34) der Solarzelle (16) bedeckt und dass die Bypass-Diode (18) klebend mit dem zweiten Kontakt (36) verbunden ist.
  4. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Diode (56) eine isolierte Mesa-Diode (56) ist, die eine vordere und eine hintere Oberfläche aufweist, an denen der dritte bzw. der vierte Kontakt (62, 60) angeordnet sind, wobei der dritte Kontakt (62) mit dem zweiten Kontakt (36) der Solarzelle verbunden ist, um eine physikalische und elektrische Verbindung bereitzustellen.
  5. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Diode (18; 56) eine vordere Oberfläche (40) aufweist, die mit der hinteren Oberfläche (34) der Solarzelle (16) annähernd bündig ist.
  6. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Oberfläche (34) der Solarzelle (16) eine Vielzahl von Ausnehmungen (32) aufweist, wobei die Bypass-Diode (18; 56) in einer der Ausnehmungen (32) angeordnet ist.
  7. Solarzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (32), die die Bypass-Diode (18; 56) aufnimmt, eine Form besitzt, und dass die übrigen Ausnehmungen eine unterschiedliche Form besitzen.
  8. Solarzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die übrigen Ausnehmungen hexagonal ausgebildet und in einem Honigwaben-Muster angeordnet sind.
  9. Verfahren zum Bilden einer Solarzellenanordnung (14), mit den Schritten: Bereitstellen einer Solarzelle (16), die eine vordere Oberfläche (24), eine hintere Oberfläche (34), einen ersten Kontakt (28) an der vorderen Oberfläche (24) und einen zweiten Kontakt (36) an der hinteren Oberfläche (34) aufweist, wobei die Solarzelle (16) in Antwort auf eine Beleuchtung ihrer vorderen Oberfläche (24) zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt (28, 36) ein Spannungssignal erzeugt; und Bereitstellen einer Bypass-Diode (18; 56), die einen dritten und einen vierten Kontakt (46, 48; 62, 60) aufweist, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Kontakt (28, 36) verbunden sind, gekennzeichnet durch Bilden einer Ausnehmung (32) in der hinteren Oberfläche (34) der Solarzelle (16) und Anordnen der Bypass-Diode (18; 56) in der Ausnehmung (32) und Verbinden der Bypass-Diode (18; 56) mit der Solarzelle (16).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens der Solarzelle (16) aufweist: Bereitstellen eines photovoltaischen Wafers (20) eines vorbestimmten Leitfähigkeitstyps, wobei der Wafer (20) eine vordere und eine hintere Oberfläche aufweist; Bilden einer dünnen Schicht (22) von entgegengesetzter Leitfähigkeit an der vorderen Oberfläche des photovoltaischen Wafers (20), um einen Halbleiterübergang zu bilden; Bilden des ersten Kontaktes (28) über der dünnen Schicht (22); Entfernen eines Abschnittes des photovoltaischen Wafers (20), um in dessen hinterer Oberfläche (34) die Ausnehmung (32) zu bilden; und Bilden des zweiten Kontaktes (36) über der hinteren Oberfläche (34) des Wafers.
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