СИСТЕМА СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, А ТАКЖЕ СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ЦЕПОЧКИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
SOLAR CELL SYSTEM, AND ALSO METHOD OF CONNECTING SOLAR CELL CHAIN

Настоящее изобретение относится к системе солнечных элементов, содержащей, по меньшей мере, первый солнечный элемент с фотоактивным полупроводниковым слоем, проходящим между передним и задним контактами, а также, по меньшей мере, соединенный с солнечным элементом дискретный защитный диод с подложкой, состоящей из полупроводникового материала с первой проводимостью, слой со второй проводимостью, сформированный в поверхностной зоне или нанесенный на поверхностную зону подложки, первый металлический контакт на слое со второй проводимостью и второй металлический контакт, расположенный на подложке, причем из первого и второго металлических контактов выходят соединители для соединения защитного диода. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу соединения цепочки солнечных элементов.
Основная задача при производстве полупроводниковых солнечных элементов заключается в существенном увеличении эффективности преобразования солнечного света в электрический ток, особенно для используемых в космосе солнечных элементов, включая элементы, изготовленные из недорогого кремния, и III-IV полупроводниковые солнечные элементы (III = элемент III группы периодической системы, например Ga или In; V = элемент V группы периодической системы, например As или P), материал и изготовление которых являются существенно более дорогостоящими.
У соответствующих солнечных элементов фотоактивные слои изготавливают дорогостоящим процессом наращивания кристаллических структур (эпитаксией) на очень дорогом по сравнению с кремнием монокристаллическом германиевом диске путем осаждения множества различных слоев, обычно монокристаллических. После осаждения слоев диск, изготовленный посредством эпитаксии, содержит все элементы, необходимые для преобразования солнечного света. После изготовления их обрабатывают обычными в полупроводниковой технологии для солнечных элементов фотолитографическими способами, вытравливанием, нанесением антиотражательных металлических покрытий и т.д. и в завершение вырезают из диска.
Выбирая подходящие слои и их состав из разных материалов III-V групп, можно последовательно осаждать слои с различной чувствительностью к различным длинам волн света и получать так называемые “многопереходные” солнечные элементы, которые относятся к солнечным элементам высокой эффективности. В настоящее время используются тройные элементы, т.е. с тремя наслоенными друг на друга подъэлементами, причем два, выращенные посредством эпитаксии, состоят из материалов III-IV групп, а третий выполнен на Ge-подложке. В настоящее время III-V солнечные элементы обычно изготавливают на круглых дисках (подложках), имеющих диаметр 100 мм (4”-диск).
Тройной элемент представляет собой трехслойный элемент с тремя наслоенными друг на друга последовательно соединенными солнечными элементами (3 элемента (подъэлемента) с различной спектральной чувствительностью для увеличения общей эффективности тройного элемента; “многопереходного” элемента: элемента с несколькими подъэлементами).
Подходящие многопереходные солнечные элементы в виде тройных элементов могут состоять, например, из нижнего Ge-элемента, сформированного из Ge-подложки, среднего GaInAs-элемента и верхнего GaInP-элемента.
Цена диска, предназначенного для эпитаксии, фактически более чем в 20 раз превышает цену равного по величине кремниевого диска, используемого для производства кремниевых солнечных элементов. Из-за высокой цены исходных материалов в виде диска для эпитаксии для производства III-V солнечных элементов с целью уменьшения количества сбоев в процессе производства солнечных элементов необходимо использовать как можно меньшее количество технологических операций, благодаря чему можно избежать дополнительного увеличения конечной стоимости элемента.
Из-за большого веса III-V-соединений и германия по сравнению с кремнием (больше примерно в 4 раза) и высокой стоимости транспортировки спутника в космос III-V-диски обычно бывают более тонкими, чем используемые в стандартной технологии производства полупроводников (например, производство ИС), из-за чего увеличивается вероятность брака, главным образом, из-за большей хрупкости Ge-подложки по сравнению с Si-диском, что увеличивает затраты на производство.
С целью сохранения по возможности незначительных расходов на соединение элементов в цепочку (блок последовательно соединенных солнечных элементов для получения желаемого рабочего напряжения на панели; область (лопасть), укомплектованная солнечными элементами, как у обычного спутника), для получения не очень длинных цепочек, так как рабочее напряжение современных III-V-элементов в несколько раз превышает рабочее напряжение Si-элементов, желательными являются относительно большие размеры элементов. В то же время, из-за высокой цены диска для эпитаксии желательным является использование под элементы как можно большей площади диска. Таким образом, исходя из стоимости, обычными являются элементы с размером примерно 8 см × 4 см и с двумя скошенными углами (так называемые элементы со срезанными углами), причем из 4”-диска получается два элемента. Тем самым за счет срезанных углов у элемента может быть использована большая часть площади диска по сравнению с чисто прямоугольными пластинами.
2
2
2
В случае неиспользуемой области вдоль края диска шириной 2 мм диск диаметром 100 мм имеет площадь, равную 72,4 см. Площадь двух прямоугольных элементов максимально может достигать 6,79×6,79 см = 46,1 см (64%), в то время как площадь двух элементов, со сторонами 8×4 см и скошенными углами, например, 1,35 см, может составлять 60,34 см, таким образом, может быть использовано 83% площади диска. Вследствие такой геометрии площадь этих элементов не заполняется полностью: в углах между элементами остается область треугольной формы, которая не используется для преобразования света.
5
5
5
Для полупроводниковых диодов большой площади, подобных тем, из которых сформированы солнечные элементы, часто неизбежны высокоомные, локальные, электрические соединения небольшого размера через p-n-переход в полупроводниковом материале (короткие микрозамыкания), как, например, при поверхностных нарушениях во время изготовления или особенно в p-n переходах при эпитаксии, как у III-V солнечных элементов из-за накопления легирующих примесей (деградации полупроводниковых материалов), например, при нарушениях (например, дефектах, связанных с незначительными смещениями кристаллической решетки). Такие короткие микрозамыкания, не снижающие функцию диода в качестве солнечного элемента (p-n-перехода в прямом направлении) или снижающие ее крайне незначительно, могут проявиться в цепочке при подключении элемента в обратном направлении, разрушая элемент различными известными способами. Для закрытого p-n-перехода высокое напряжение цепочки U с мощностью N=U·I может привести к высокоомному короткому микрозамыканию. Это может привести к локальному сильному нагреву, легированию примесью противоположного типа до низкого электрического сопротивления (сильной дегенерации полупроводника) и, в конечном счете, разрушению элемента.
Защита против такого разрушения достигается так называемым обходом защитного диода, то есть одним диодом, соединенным антипараллельно с p-n-переходом защищаемого элемента, который в случае блокировки элемента с p-n-переходом становится поляризованным в прямом направлении и пропускает поток с напряжением Ud, которое соответствует характеристической кривой этого диода в прямом направлении при этом потоке. Напряжение Ur в конце этой цепочки уменьшается за счет недостаточного напряжения Um этого элемента и прямого напряжения диода -Ud: Ur=Us-Um-Ud. В незаблокированном состоянии элемента p-n-переход защитного диода блокирует ток при том же самом запирающем напряжении, которое соответствует прямому напряжению, соответствующему этому солнечному элементу.
Хорошо известно использование защитных диодов для элементов с целью предотвращения разрушения отдельных элементов в цепочке путем шунтирования диодами, антипараллельно соединенных с элементами.
Для III-V элементов в качестве решения существуют монолитно интегрируемые защитные диоды (монолитные диоды), то есть диоды, которые изготавливаются из материалов, аналогичных используемым при изготовлении элементов, посредством эпитаксии прямо из диска во время производства, чаще всего в дополнительных технологических процессах, и обрабатываются в дополнительных технологических операциях по производству элементов, и которые в этом случае также находятся на элементах (см., например, DE-A-3826721, US-A-2002/0179141).
Основной недостаток этого решения состоит в уменьшении активной площади элемента. Поэтому по возможности обычно выбирают небольшие по размеру защитные диоды. Таким образом, при прохождении тока повышается их напряжение и рассеиваемая мощность. Это может привести к их выходу из строя на длительный срок или локальному нежелательному сильному нагреву.
Поскольку монолитные диоды требуют дополнительных затрат, так же как и дополнительной площади на пластине диска, то есть требуются дополнительные слои, изготовленные эпитаксией, и дополнительные технологические процессы для производства элементов, нельзя пренебрегать этим дополнительным ценовым фактором. Так как монолитные диоды могут состоять только из материалов III-V групп с согласованной решеткой, также возможна только незначительная свобода при выборе типа диода (только III-V-диод с высоким прямым напряжением).
Следовательно, предпочтительным является дискретный диод, который изготавливается независимо от элемента, и, таким образом, предоставляет больше свободы. Это имеет дополнительную выгоду, заключающуюся в том, что выбор и испытание элемента становятся независимыми, так что диод, поврежденный еще во время производства, не влияет при этом на качество дорогого элемента.
Размещение дискретных диодов на солнечных элементах в качестве альтернативы монолитным интегрированным защитным диодам обычно требует дополнительных затрат на установку при производстве солнечных лопастей (панелей). В частности, это касается прямоугольных солнечных элементов, которые полностью заполняют площадь лопасти, так что при установке защитных диодов необходимо выполнять смещение в третьем измерении (питающий провод и диод располагают под элементом). Это означает высокие затраты на производство панели. Кроме того, увеличивается вес лопасти из-за дополнительных необходимых длинных подводящих кабелей.
В US-A-4481378 используется модуль с последовательно соединенными солнечными элементами и защитными диодами, причем каждый защитный диод антипараллельно соединен с одним элементом. Такие защитные диоды соединены с задней стороной смежных элементов и расположены в промежутках между солнечными элементами.
В US-A-2003/0029494 защитные диоды интегрируют в цепочку солнечных элементов, причем соединитель на передней стороне защитного диода идет к задней стороне смежного солнечного элемента, который соединен последовательно в цепочку с передней стороной солнечного элемента для его защиты.
В основе данного изобретения лежит задача разработки такого расположения солнечных элементов, описанных ранее в уровне техники, чтобы солнечный элемент или систему солнечных элементов в виде цепочки можно было защитить в достаточном объеме посредством одного или нескольких защитных диодов, при этом не используя материал самих солнечных элементов. Кроме того, может возникнуть проблема подключения между защитными диодами и солнечными элементами, при этом необходимо избегать большого увеличения веса.
Согласно изобретению задача по существу решается благодаря тому факту, что два контакта находятся в контакте непосредственно с подложкой защитного диода, расположены рядом с первым металлическим контактом и на некотором расстоянии от него и электрически соединены с первым металлическим контактом через p-n-переход. При этом первый или второй металлический контакт может быть соединен с задней стороной второго солнечного элемента, а третий металлический контакт - с передней стороной первого солнечного элемента. Кроме того, защитный диод подключают через первый или второй металлический контакт антипараллельно первому солнечному элементу через второй солнечный элемент.
В частности, предлагается система солнечных элементов, которая содержит дискретный защитный диод, который на передней стороне представляет собой структуру такого рода, что наряду с n-p или p-n-переходом защитного диода создается непосредственный омический контакт между вторым металлическим контактом и подложкой защитного диода, чтобы, с одной стороны, обеспечить возможность электропроводящего соединения второго солнечного элемента и, с другой стороны, чтобы соединить защитный диод антипараллельно с защищаемым солнечным элементом.
Согласно изобретению задача защиты солнечного элемента в цепочке по существу решается посредством антипараллельно подсоединенного дискретного диода, состоящего из полупроводника с первым типом проводимости (подложки), у которого на передней стороне около первого металлического контакта в области полупроводника со вторым типом проводимости предусмотрен отдельный второй металлический контакт с p-n-переходом, расположенный на некотором расстоянии от полупроводника с первой проводимостью, при этом дискретный диод электрически связан непосредственно с подложкой. При этом можно в зависимости от типа солнечного элемента и выбора типа проводимости подложки диода при помощи соединителя электрически связать заднюю сторону солнечного элемента, предназначенного для защиты, с диодом через первый или второй контакт и соединить вторым, соответственно первым металлическим контактом диода, заднюю сторону элемента, следующего в цепи непосредственно за элементом, предназначенным для защиты, и который со своей стороны при помощи соединителей для последовательного соединения солнечных элементов в цепочку электрически связан с передней стороной вышеупомянутого элемента, предназначенного для защиты, благодаря чему диод в соединении образует защитный диод, расположенный антипараллельно солнечному элементу, предназначенному для защиты.
В дополнительных усовершенствованиях предусмотрено, что первый и второй солнечные элементы соединены, по меньшей мере, через два защитных диода так, что третий металлический контакт первого защитного диода связан не только с задним контактом второго солнечного элемента, но и со вторым металлическим контактом второго защитного диода, третий металлический контакт которого соединен с передним контактом первого солнечного элемента. Таким образом, получается простое последовательное соединение солнечных элементов при одновременном подключении защитных диодов к солнечным элементам, предназначенным для защиты.
При соединении двух солнечных элементов через два защитных диода можно сформировать защитные диоды таким образом, чтобы второй металлический контакт был соединен с первым металлическим контактом и чтобы между первым и вторым металлическими контактами проходила поверхностная зона со второй проводимостью.
Чтобы упростить соединение концов первого и второго защитных диодов и их соединение друг с другом, в дополнительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что соединитель, выходящий из второго металлического контакта первого защитного диода, с соединителем, выходящим из второго металлического контакта второго защитного диода, выступают вперед над передней стороной первого и второго солнечных элементов или над их покровными стеклами и соединяются снаружи покровных стекол предпочтительно посредством сварки или пайки.
Чтобы решить, соединяются ли солнечные элементы через защитный диод или несколько защитных диодов, предложение авторов изобретения предусматривает, что первый солнечный элемент и/или второй солнечный элемент в вертикальной проекции представляет собой прямоугольную форму со скошенными углами и что, по меньшей мере, один защитный диод проходит в области одного из скошенных углов. Таким образом, поверхность панели используется оптимально, причем наряду с этим возможно простое соединение защитных диодов и солнечных элементов.
В частности, предусмотрено, что некоторые из цепочки связанных солнечных элементов соединены через соответствующие защитные диоды. Вместе с тем, защитный диод может быть расположен в каждом скошенном углу. При этом защитные диоды и солнечные элементы находятся в одной плоскости. Согласно изобретению предлагается, чтобы защитный диод имел в вертикальной проекции форму треугольника.
В частности, предусмотрено, чтобы защитный диод имел форму треугольной колонны.
2
2
2
2
При этом у солнечного элемента со скошенными углами и длиной стороны 8 см защитный диод будет иметь площадь поверхности F, составляющую предпочтительно примерно 0,7 см≤F≤1 см, более предпочтительно 0,8 см≤F≤0,9 см.
Кроме того, изобретение относится к способу соединения солнечных элементов в цепочку, отличающемуся этапами обработки, на которых:
солнечные элементы располагают с задней стороны на нижнем слое,
передние контакты солнечных элементов соединяют с первым соединителем,
прикрепляют одно или несколько прозрачных покрытий на передней стороне солнечных элементов,
переворачивают солнечные элементы,
соединяют первый и второй солнечный элемент через первый соединитель в цепочке,
устанавливают защитные диоды в свободном от солнечных элементов пространстве,
соединяют защитные диоды с солнечными элементами и
соединяют изготовленную таким образом цепочку с нижним слоем.
Помимо этого, перед установкой защитный диод, смежный с солнечным элементом, соединяют, в частности, через первый соединитель в ряду.
В усовершенствовании предусмотрено, чтобы защитные диоды с задними контактами были упорядочены, следовательно, третьи металлические контакты были расположены в пределах передней стороны солнечных элементов, и чтобы смежные солнечные элементы через, по меньшей мере, каждый защитный диод в последовательности одновременно с антипараллельным подключением защитного диода были подключены к смежному солнечному элементу.
В частности, предусмотрены этапы обработки, на которых:
солнечные элементы располагают с задней стороны на нижнем слое,
устанавливают защитные диоды в свободном от солнечных элементов пространстве,
соединяют передние контакты солнечных элементов со вторыми контактами (контактами на задней стороне) защитных диодов, проходящими на передней стороне цепочки,
прикрепляют одно или несколько прозрачных покрытий на передней стороне солнечных элементов,
переворачивают солнечные элементы,
соединяют первый и третий контакты (передние контакты) защитных диодов, соединенные на задней стороне в цепочку, с задними контактами смежных солнечных элементов, и
соединяют изготовленные таким образом цепочки с нижним слоем.
При этом цепочка может быть перевернута перед соединением с нижним слоем.
Кроме того, изобретение предусматривает, что между двумя смежными солнечными элементами расположены два защитных диода, из которых один защитный диод с задним контактом (третий металлический контакт) и другой защитный диод с передним контактом (первый и второй металлические контакты) расположены в пределах передней стороны солнечных элементов, и что смежные солнечные элементы в цепочке соединены через защитные диоды, и что защитные диоды соединены через контакт, проходящий в пределах задней стороны солнечных элементов. Кроме того, контакты, проходящие в пределах задней стороны солнечных элементов, могут заканчиваться вторым соединителем защитных диодов, которые соединены снаружи цепочки солнечных элементов.
Авторами изобретения предложен диод, состоящий из подложки, имеющей полупроводниковый материал с первой проводимостью, слоя, сформированного в поверхностной зоне подложки, или слоя со второй проводимостью, нанесенного на поверхностную зону, первого металлического контакта на слое со второй проводимостью и второго металлического контакта, расположенного на некотором расстоянии с первым металлическим контактом и отстоящим от него и электрически изолированного через p-n-переход, и находящимся в контакте непосредственно с подложкой защитного диода, для использования в качестве защитного диода в системе солнечных элементов.
Помимо этого, p-n-переход в защитном диоде может быть заменен барьером Шотки.
Дальнейшие подробности, преимущества и отличительные признаки изобретения представлены не только из-за требований, по которым выбраны эти отличительные особенности, отдельно и/или в комбинации, но также с целью дальнейшего описания чертежей для предпочтительных вариантов осуществления.
На чертежах показано:
На Фиг.1 показан первый вариант осуществления защитного диода.
На Фиг.2 показан дополнительный защитный диод.
На Фиг.3 показан альтернативный вариант осуществления защитного диода по Фиг.1 со схемой электрической цепи.
На Фиг.4 показан принцип формирования двух солнечных элементов со скошенными углами, изготовленных из полупроводникового диска.
На Фиг.5 показано частичное поперечное сечение цепочки солнечных элементов.
На Фиг.6 показано поперечное сечение панели с солнечными элементами, соединенными через защитные диоды.
На фиг.7 показан вид сзади разреза цепочки с защитными диодами различной формы.
На Фиг.8 показан в разрезе вариант осуществления панели с солнечными элементами, соединенными через защитные диоды.
На Фиг.9 показана в разрезе со стороны падения света цепочка, соединенная через защитные диоды.
На Фиг.10 показано изображение, соответствующее Фиг.9, но с задней стороны.
На Фиг.11 показан принцип формирования солнечного элемента со скошенными углами.
На Фиг.12 показан солнечный элемент со скошенными углами и расположенный в нем защитный диод.
На Фиг.13 показано поперечное сечение панели с солнечными элементами, каждый из которых соединен через два защитных диода.
На Фиг.14 показан разрез соединенных через защитные диоды солнечных элементов по Фиг.13.
На Фиг.15 показана общая схема первого процесса подключения солнечных элементов.
На фиг.16 показана общая схема второго процесса подключения солнечных элементов.
Ниже более подробно и со ссылками на чертежи для выбранных вариантов осуществления описано формирование дискретных защитных диодов для солнечных элементов и их введение в цепочку солнечных элементов или панель. При этом одинаковые элементы обозначены одинаковыми или соответствующими ссылочными позициями.
На фиг.1 изображен защитный диод 101 согласно первому варианту осуществления изобретения, который выполнен из полупроводникового материала, такого как кремний, германий, или материала из III и V группы периодической системы, например, GaS, GaP, GaInAs или GaInP. Кроме того, основной корпус, то есть подложка 11, может иметь проводимость p-типа. В поверхностной зоне, в области передней стороны защитного диода 101 сформирована доходящая до поверхности области 12 с проводимостью n-типа, которая формирует с подложкой 11 хорошо ограниченный n-p-переход (n-up-диод), таким образом, образуя действующий защитный диод.
Как изображено на Фиг.1, область n-типа занимает только часть верхней стороны подложки 11. Область n-типа покрыта с наружной стороны металлическим контактом 13, который упоминается как первый контакт. Вдоль задней стороны проходит электропроводящий контакт 15, находящийся с подложкой в омическом контакте. Этот контакт назван третьим контактом. На верхней стороне подложки на некотором расстоянии от первого контакта 13 и электрически изолированно от него, а также вне области 12 n-типа, расположен выступающий наружу дополнительный металлический контакт 14, который находится в омическом контакте с подложкой 11. Этот контакт называется вторым контактом. Солнечные элементы соединяются описанным ниже способом через электропроводящие первый и второй контакты 13 и 14, расположенные на передней стороне защитного диода 101, и задний контакт 15 (третий контакт).
На Фиг.2 показан дополнительный защитный диод 102. При этом поверхностная зона 12 n-типа занимает всю верхнюю сторону. При этом зона 12 n-типа покрыта первым металлическим контактом 13. В остальном защитный диод 102 соответствует по строению защитному диоду 101.
На практике для улучшения свойств защитных диодов 101, 102 могут быть использованы изолирующие слои и/или пассивирование, и/или металлизация полупроводника или полупроводникового слоя 11, 12, или также частей металлических контактов 13, 14, 15.
Размеры защитных диодов 101, 102 выбирают с таким расчетом, чтобы они располагались в цепочку в области, которая не покрывается солнечными элементами, которые предпочтительно сформированы в виде элементов со срезанными углами, то есть солнечных элементов со скошенными или срезанными углами. Кроме того, защитные диоды 101, 102 расположены в удаленных углах солнечных элементов, в частности, в области соседних солнечных элементов, для соединения солнечных элементов описанным ниже способом.
Вместо защитных диодов 101, 102 с n-p-переходом, выполненных в виде n-up-диодов, также могут использоваться защитные диоды с другой примесью в качестве соответствующих типов защитных диодов. В этом случае меняется тип примеси, то есть p→n и n→p.
На Фиг.3 показан вариант осуществления защитного диода 20 согласно изобретению, который в принципе соответствует защитному диоду 101. Площадь поверхности у защитного диода 20 до p-n-перехода на стороне поверхности может быть изготовлена плоской. В качестве примера можно привести диффузию или ионное легирование соответствующим легирующим материалом или осаждение слоев посредством эпитаксии с последующим удалением (вытравливанием) частей легированной области 22 из подложки 21. На Фиг.3 представлен защитный диод 20 такого же p-up-типа, причем от слоя 22 с проводимостью p-типа отходит металлический контакт 23 в виде первого контакта. Второй металлический контакт расположен на некотором расстоянии от первого контакта и электрически изолирован от него и находится в омическом контакте с подложкой 21 с проводимостью n-типа. Вдоль задней стороны подложки 21 проходит третий металлический контакт 25 или задний контакт.
Возможное выгодное использование в разных приложениях защитных диодов описанного выше типа, а именно защитных диодов 101, 102 и 20, в частности показанных на Фиг.1 и Фиг.3, будет описано на примере защитного диода 20. Кроме того, в нем показана электрическая схема (StKr), включая возможные точки соединения K1, K2, K3, K4, и действующие электрические элементы в ней, то есть диод (P(p-up)), сопротивления R1 и R3, которые проходят между соединениями K1 и K2 или K4 и K3, при этом сопротивление R4 проходит в примерном варианте осуществления горизонтально через подложку 21 с проводимостью n-типа, и сопротивление R2 доминирует в контакте 25 на задней стороне (в третьем контакте).
Грубая оценка максимальной дополнительной потери напряжения ΔV, возникающая для падения напряжения в p-n-переходе в диоде 20 на основании потери напряжения на его сопротивлениях R1-R4 для предполагаемого тока I=1 А, вычисляется по формуле: ΔV=R·I c R=[(R1+R2+R3)·R4]/[R1+R2+R3+R4]. Оценку можно осуществить так, чтобы рассчитанное сопротивление всегда было больше, чем в действительности, и соответственно оказывается меньшим падение напряжения.
-2
2
2
-6
В качестве примера вычислений служат диоды, которым соответствует диод 101 и изготавливается из 20 МОм·см Si-подложки (ρ1=1·10 Ом·см). Форма соответствует форме по Фиг.6, площадь поверхности диода 101 составляет F1=1 см, для каждой p-(14) и n-(13) областей равна Fn=Fp=0,5 см, причем удвоенная площадь нижней стороны диода не учитывается. Толщина диода 101 составляет D1=150 мкм=0,015 см, длина края В1 развязки (отдельного) между контактами 13 и 14 составляет В1=1,2 см, а его зазор (ширина) S1 равен S1=100 мкм (0,01 см), угол D2 металлического покрытия (ρ2=1,6·10 Ом·см) из Ag: D2=10 мкм (0,001 см), расстояние A1 между соединителями 40a и 40b составляет A1=,5 см.
Оценка, найденная при помощи уравнения для вычисления сопротивлений из удельного сопротивления ρ и внешней геометрии сопротивления, т.е. длины L и поперечного сечения F, составляет: R=ρ·длина L/поперечное сечение F.
Для R1 и R3 (вертикальное сопротивление в подложке 21) справедлива оценка:
-2
ρ1=2·10 Ом·см (кремний).
2
Для R1 и R2 справедливо следующее: площадь поверхности F=Fp(14)=Fn(13)=0,5 см,
длина L=D1=0,015 см,
-4
R1=R3=1,5·10 Ом.
-6
Для R2, контакта из металла Ag; толщина D2=10 мкм (0,001 см), ρ=1,6·10 Ом·см
-4
2
F вычисляется из F=D2·B1=0,0006 см·1,2 см=7,2·10 см,
длина L=A1=0,5 см,
-4
R2=6,6·10 Ом.
-2
Для R4 (горизонтальное сопротивление в подложке): ρ1=2·10Ом·см, кремний
2
F обозначает F исходя из толщины D1 и B1 для F=D1·B1=1,2 см,
длина L=A1=0,01 см,
-2
R4=1,1·10 Ом.
Потеря напряжения ΔV=R·I:
ΔV=[(R1+R2+R3)·R4]/[R1+R2+R3+R4] I,
-3
ΔV=0,88·10В=0,88 мВ.
На практике такое падение напряжения является незначительным.
Поскольку при использовании кремниевого диода падение напряжения на p-n-переходе составляет примерно 0,68 В, допускается только очень незначительное дополнительное падение напряжения на внутреннем сопротивлении защитного диода.
Ниже более подробно объясняется использование защитного диода согласно изобретению с учетом стандартной техники соединений солнечных элементов.
На Фиг.4 схематично представлена предпочтительная разработка солнечного элемента 30 со скошенными углами (“обрезанный угол”) 32, показанного здесь со стороны падения света, изготовленного из материала III-V групп, за основу которого взят диск 31 для эпитаксии с диаметром 100 мм. Металлическая электрическая сборная шина 33 с контактными областями 34 для размещения электрических последовательных соединений (соединителей) между элементами 30 в цепочке находится на меньшей стороне, ограниченной двумя скошенными углами 32 двух более длинных сторон, которые непосредственно граничат с элементами, последовательно связанными в цепочку. Для более оптимального использования площади диска элемент 30 имеет длины сторон a, b, c, например a=8 см, b=4 см и c=1,35 см.
2
Таким образом, в этом случае на плоскости с углом 45°С между краями кромок b и c цепочки остается неиспользуемая для превращения света треугольная область, с длиной краев Ld примерно 0,95 см/0,95 см/1,35 см, т.е. площадь Fd составляет примерно 0,9 см.
На Фиг.5 схематично показаны поперечное сечение и разрез одного возможного типа соединения элемента с элементом и элемента с диодом, причем последнее соответствует типу, показанному на Фиг.2. Для данного типа соединения показана диаграмма протекания тока, которая обозначена как 4b7.
Для солнечных элементов 30a, 30b дается описание такого тройного типа, причем, например, на германиевую подложку наносят нижний Ge-элемент, средний GaInAs-элемент и наконец верхний GaInP-элемент, которые разделяют туннельными диодами. Тем не менее, в этом отношении дается ссылка на достаточно известные типы солнечных элементов. Сами солнечные элементы прикреплены клеем 4b6 на нижнем слое 4b5. Со стороны падения света солнечные элементы 30a, 30b, а также защитный диод 102 покрыты покровными стеклами 4b2a, 4b2b при помощи клея 4b3a, 4b3b.
В одном из вариантов осуществления верхний полупроводниковый слой элементов 30a, 30b представляет собой слой n-типа (n-up-элементы) без ограничения объема настоящего изобретения.
В обычном способе изготовления цепочки для панели, которая выполняет функцию основы 4b5, сначала прикрепляется соединитель 4b1 со стороны падения света (передняя сторона) солнечных элементов 30a, 30b на переднюю сторону контактной поверхности 34. Затем прикрепляют покровное стекло 4b2a при помощи клея 4b3a. В этом состоянии солнечные элементы обозначают так же, как CIC (элемент, объединенный с соединителем) или SCA (блок солнечного элемента). Затем солнечные элементы переворачивают для соединения в цепочку таким образом, что задняя сторона оказывается сверху. Затем соединитель 4b1 электрически соединяют посредством, например, сварки или пайки с задней стороной соседнего элемента, в данном примере, с задней стороной соседнего элемента 30b.
К настоящему времени разработан особенно простой способ введения диода 102 согласно изобретению, в данном примере n-up-диода для n-up-солнечного элемента 30a, в один из усеченных углов (обрезанный угол) элемента 30а - или соответствующего диода 102 согласно изобретению в каждый усеченный угол - такого же типа, однако, расположенного зеркально симметрично. Таким образом, на стороне с проводимостью p-типа в изображенном случае n-up-диода на металлическом контакте 15, p-контакте соединителя 40b, соответствующего соединителю 4b1, и на металлическом контакте 13, нанесенном в области 12 с проводимостью n-типа, прикреплен второй соединитель 40а, диод 102 помещают в обрезанный угол, чтобы затем сформировать электропроводящее соединение, с одной стороны, между задней стороной солнечного элемента 30b и металлическим контактом 15 защитного диода 102 и, с другой стороны, через соединитель 40а между контактом 13 и задним контактом солнечного элемента 30а (см. блок-диаграмму 4b7). При использовании n-up-диода контакты 13 и 15 меняются. Диод 102 также может быть снабжен покровным стеклом 4b2b при помощи клея 4b3b или покрыт покровным стеклом 4b2a элемента 30а, имеющего увеличенные размеры, позволяющие непосредственно приклеить диод 102 и электрически соединить его описанным выше способом.
Дальнейший процесс изготовления панели посредством нанесения цепочки при помощи клея 4b6 на нижний слой 4b5 не касается существенно установки защитного диода 102.
Для p-up-элемента, имеющего конструкцию, показанную на Фиг.5, возможно, например, аналогичное размещение диода 102 с соответствующим противоположным типом проводимости.
Использование диода 101 (Фиг.1) является простым, поскольку нет необходимости в размещении соединителей на диоде 101 для размещения в виде цепочки, как показано на Фиг.6.
На Фиг.6 схематично показано поперечное сечение возможного типа соединения элемента 30a с элементом 30b и элементов 30a, 30b с защитным диодом 101. Также для пояснения здесь показана диаграмма 4b7 протекания тока. Вместо диода 101 по Фиг.1, может быть установлен диод 20 по Фиг.3 без отступления от сути изобретения. Это также применимо для дополнительных вариантов осуществления.
В отношении солнечных элементов 30a, 30b выполняются операции, уже описанные для Фиг.5, для соответствующего варианта осуществления. Таким образом, не ограничивая настоящее изобретение, предполагается, что солнечные элементы 30а, 30b относятся к типу n-up. При стандартном производственном процессе цепочки панели сначала на передних контактах 34 устанавливают соединители 4b1 со стороны падения света солнечных элементов 30a, 30b, затем при помощи клея 4b3 покрывают покровным стеклом 4b2a для соединения в цепочку, солнечные элементы 30a, 30b вышеупомянутых соответствующих CIC переворачивают так, что задняя сторона оказывается сверху, чтобы затем электрически соединить соединитель 4b1 при помощи, например, сварки или пайки, с соответствующим соседним элементом в настоящем варианте осуществления с элементом 30b.
Одновременно с этим, как описано выше, размещают защитный диод 101, который соответствует n-up-диоду n-up-элемента и соединяют его антипараллельно. Установка защитного диода 101 происходит при этом в одном из срезанных углов элемента 30а. При необходимости соответствующий защитный диод 101 также может быть размещен в каждом срезанном угле, причем размещение является зеркально симметричным. При этом такое размещение является более простым по сравнению с конструкцией по Фиг.5, когда при установке диода 101 в расположение следующих друг за другом солнечных элементов 30a, 30b один или все соединители 40a и 40b должны соединяться между проходящим вдоль металлического слоя, соответствующего слою 12 n-типа, или первым металлическим контактом 13 с задней стороны солнечного элемента 30а и непосредственно вторым управляющим электрическим контактом 14, проходящим на подложке 11 с проводимостью p-типа с задней стороны солнечного элемента 30b тем же способом, как это происходит между элементами. Соответственно, здесь также можно предусмотреть диод 101 с покровным стеклом 4b2b при помощи клея 4b3b, или достаточно разместить покровное стекло элемента 4b2a таким образом, чтобы непосредственно приклеить диод 101 и электрически подсоединить.
Дальнейшая последовательность операций при изготовлении полупроводниковой панели, например, прикрепление цепочки при помощи клея 4b6 на подложку 4b5, не затрагивает установку диода 101.
Описанный выше процесс с основными этапами изготовления схематично показан на Фиг.15.
Для p-up-элемента с такой же базовой конструкцией, что и на Фиг.6, является подходящим диод по Фиг.1 с оговоркой, что подложка имеет проводимость n-типа, а поверхностный слой имеет проводимость p-типа.
Кроме того, сохраняется возможность такого подсоединения защитного диода 101 между первым солнечным элементом 30а и вторым солнечным элементом 30b, чтобы первый контакт 13 соединялся с задним контактом солнечного элемента 30b, а второй контакт 14 соединялся с задней стороной первого солнечного элемента 30а. При указанном соединении p-n-переход должен иметь соответствующую проводимость.
На Фиг.7 показаны в разрезе два вида сверху одной цепочки элементов 30a, 30b с защитным диодом 101 с задней стороны, которые соединены в цепочку. При этом цепочки элементов отличаются тем, что конструкция соединений между защитным диодом 101 и солнечным элементом 30а или солнечным элементом 30b отличаются друг от друга.
На Фиг.8 представлено предпочтительное дальнейшее усовершенствование и использование защитного диода согласно изобретению, который не только подключен антипараллельно, но к тому же служит в качестве соединителя между примыкающими друг к другу солнечными элементами. Упрощенная схема изготовления панели показана на Фиг.8-10 и 16, причем равным образом, без ограничения, к соединенным n-up-элементам типа солнечных элементов 50a, 50b. При этом соответствующим образом используются два диода 101 или 20, в соответствующих зеркально симметричных конструкциях, для соединения следующих друг за другом солнечных элементов 50a, 50b, как следует непосредственно из Фиг.9 и 10. При этом перед нанесением общего покровного стекла 5a2 при помощи клея 5a1 каждый защитный диод (101) в скошенном углу солнечного элемента 50a электрически соединяют посредством соединителя 5а3 таким образом, чтобы передняя сторона солнечного элемента 50a соединялась с нижним слоем диода 101, т.е. третий контакт 15 или 25 по Фиг.1, 3 проходил вдоль передней стороны солнечных элементов 50a, 50b, предназначенных для соединения в цепочку. Кроме того, в конструкции солнечного элемента 50a в краевой области плоскости контакта 5а сформирован скошенный угол (срезанный угол), который соединен с электрической сборной шиной 5a7. Затем солнечный элемент 50a соединяют с защитным диодом 101 или 20 посредством установки соединителя 40a между непосредственно вторым металлическим контактом 14 или 24, находящимся в контакте с подложкой 11 защитного диода 101 или 20, и задней стороной солнечного элемента 50b и посредством установки соединителя 40b между первым электрическим проводящим контактом 13 или 23, размещенным на слое 12 с проводимостью p-типа, и задней стороной солнечного элемента 50а и объединяют в цепочку. Дальнейшее укрепление на панели соответствует приведенному выше описанию.
На Фиг.8 показана диаграмма 5a4 протекания тока с эффективными диодом и сопротивлениями.
Соединитель 40b также может быть установлен, как описано в последовательности операций по Фиг.16, - перед прикреплением общего покровного стекла 5a2 между задней стороной элемента 50а и контактом 13 диода 101.
На Фиг.16 схематично показана блок-схема последовательности операций для подключения защитного диода 101 и соответствующего защитного диода 20 к солнечным элементам 50a, 50b и/или антипараллельно к солнечному элементу 50a. Таким образом, сначала защитные диоды 101 размещают в “свободном” углу солнечных элементов 50a, 50b и каждый передний контакт первого солнечного элемента 50a и второго солнечного элемента 50b соединяют обычным способом как задний контакт с обозначенным третьим контактом защитного диода 101. При этом каждому первому и второму солнечному элементам 50a, 50b соответствует дискретный защитный диод 101. Кроме того, используется первый соединитель 5a3. В это время также уже может быть установлен соединитель 40b. Затем на каждый солнечный элемент с подключенным защитным диодом прикрепляют покровное стекло 5a2, таким образом изготовленную единицу переворачивают и затем первый и второй контакты 13, 14 защитного диода 101 подключают к первому и второму солнечным элементам для соединения солнечных элементов последовательно в цепочку, одновременно объединяя защитные диоды. После того как изготовленная таким образом цепочка перевернута, ее приклеивают к панели обычным способом.
Для оценки дополнительного падения напряжения между элементами 50a и 50b, возникающего при использовании защитного диода, опять можно выбрать пример по Фиг.3. При этом ток течет из точки соединения K2 в K4. Ток может течь через последовательные сопротивления R2+R3 (сопротивления R2+R3 расположены параллельно и снижают ток не более, чем общее сопротивление), максимально возможное падение напряжения при токе I=1A будет равно
-4
-4
-4
V=(R2+R3)·I=(6,6·10+1,5·10)-1 A=8,1·10 В=0,81 мВ
и на практике будет пренебрежимо малым.
Тенденция увеличения солнечных элементов создает все большую вероятность введения солнечных элементов с главными осями, равными примерно 8 см·8 см. При этом элемент изготавливают на 4"-диске (4-дюймовом диске), так что особое значение приобретает уменьшение затрат на изготовление с использованием легко интегрируемых дискретных защитных диодов.
На Фиг.11 показана возможная конструкция такого солнечного элемента 60 вместе с 4 срезанными углами 62. Соответствующие солнечные элементы 60 с одним или двумя защитными диодами соответствующей конструкции могут быть подключены к соседнему элементу описанными выше способами.
Посредством специальной конструкции солнечного элемента 70 по Фиг.12 четыре диода 10a1, 10a2, 10b1, 10b2 могут быть защищены посредством электрической сборной шины 73, электрически управляющей всеми четырьмя контактными площадками 7, проложенными на краю или на кромке срезанных углов 76, и соединение для предшествующего элемента 70а - последующий элемент 70b - согласно описанию в контексте с Фиг.8 проходит только вдоль задней стороны. При этом имеется внутреннее соединение элементов с защитными диодами согласно изобретению и внешнее соединение их друг с другом вместе с защитными диодами согласно изобретению. Таким образом, на Фиг.13 схематично показано поперечное сечение панели с элементом 70, у которого показан каждый из четырех срезанных углов. Соединение элементов друг с другом происходит через так называемый внешний соединитель 711 на задней стороне SCA 75 (SCA, собранный блок солнечного элемента = солнечный элемент 70 и диоды 10a1, 10a2, 10b1, 10b2, соединенные с передней стороны (стороны падения света) при помощи клея 78, снабженные общим покровным стеклом 77) при помощи защитных диодов 10а1, 10a2, 10b1, 10b2, которые соединены с элементом посредством так называемого внутреннего соединителя 76 (внутри SCA).
В качестве диодов 10b1 и 10b2 могут использоваться как диоды, соответствующие Фиг.2, так и защитные диоды, соответствующие Фиг.1 и 3 с обратной проводимостью, при этом второй контакт 14 диода по Фиг.1 не нуждается в установке соединителя, и для уменьшения электрического сопротивления диода площадь первого контакта 13 может занимать всю площадь передней стороны.
Вариант внешнего соединения схематично показан на Фиг.14. Так как отсутствует риск короткого замыкания на сторонах диодов 10а1 и смежного с ними типа по Фиг.1 и 2 с обратной проводимостью, может быть установлена только половина внешних соединителей над стороной покровного стекла 77 на передней стороне CIC для осуществления электрического соединения посредством, например, сварки или пайки (см. стрелку). Относительно этой технологии польза заключается в том, что незадолго до окончательной сборки панели может быть измерена SCA, и в случае неисправностей - ремонт, например - замена SCA осуществляется относительно просто. Что касается соединителя, существует возможность соединения передней стороны покровного стекла 77 с элементом с защитой от электростатического заряда.
В частности, на Фиг.7, 9, 10 и 12 показано, что защитные диоды 20, 101 в вертикальной проекции имеют форму треугольника, предпочтительно с прямым углом и, в частности, с равными боковыми сторонами. Также возможна другая геометрия. Независимо от этого защитные диоды заполняют свободное пространство между солнечными элементами, обусловленное срезанными углами.