Siliziumsonnenbatterien als Stromversorgnngsquellen fiir kiinstliche Erdsatelliten l)

Von V. S. VAVILOV, V. M. MALOVECKAJA, G. N. GALKIN und A. P. LANDSMAN

Die Versorgung der wissenschaftlichen Apparaturen und des Telemehystems eines kiinstlichen Erdsatelliten mit elektrischer Energie kann durch mitgefiihrte Akkumulatoren nnd galvanische Elemente nur fiir eine begrenzte Zeit erfolgen. Ein langeres Arbeiten der GerLte ist nur bei Ausnutzung der Sonnenenergie moglich. Von den heute bekannten Verfahren zur Umwandlung von Sonnen- energie in elektrische ist die Benutzung photoelektrischer Halbleiterbatterien [ I , 2, 31 am aussichtsreichsten2).

Es ist sinnvoll, die Sonnenbatterien auf orientierten kiinstlichen Erdsatelliten zusammen mit Akkumulatoren zur Pdferung zu benutzen, da in diesem E'alle wghrend der gesamten Zeit, in der sich der Satellit auflerhalb des Erdschattens befindet, eine maximale Wirksamkeit sichergestellt ist.

§ 1. Die Arbeitsweise von Halbleiterumformern rnit einem p-n-ubergang Die Urnwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie beginnt mit der

Absorption eines Photons und der Bildung eines Elektron-Defektelektron- Paares. Ware kein p-n-u'bergang in der Nahe des lichtabsorbierenden Bereiches vorhanden, so wiirde nur eine VergrijBerung der Elektronen- und Defektelektronenzentration im Halbleiter (Photoleitfahigkeit) erfol- gen. E7

Wir betrachten nun das Energie- schema der Elektronen- und Defekt- elektronenzustande im Halbleiter in der Nahe eines kunstlich erzeugten p-n-u'berganges, um die Arbeits- weise eines Photoelementes kennen- zulernen, das zur Erzeugung von elek- trischer Energie dienen ltann. Bild 1

- _ _ _ - €2

Bild 1. Energiebanderschema in der Nahe eines p --n-Uberganges.

Uspechi fiz. Nauk 63, 123-129 (1957). 2, Die Anwendung von Halbleiterthermoelement en, die etwa den gleichen Wirkungclgrad

haben, jedoch wesentlich schwerer sind, ist offenbar dann rationell, wenn die Gesamt- abmessungen und das Gewicht des kiinstlichen Erdsatelliten groRere Werte erreichen.

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zeigt dab: Leitfahigkeits- und das Valenzband eines Siliziumkristalls ; beide Bander sind durch die verbotene Zone getrennt. Aus der Zeichnung ist zu er- sehen, daB im Bereich des p - n-oberganges eine Potentialschwelle vorhanden ist, deren Hohe V , in der GroBenordnung der Breite der verbotenen Zone E , liegt. Die Breite der verbotenen Zone betragt bei Silizium 1 , l eV.

Die bei der Absorption von Licht entstehenden Elektronen und Defekt- clektronen diffundieren zum p-n,ubergang. Man kann sagen, daB die Potential- schwelle des p-n-oberganges diese voneinander ,,trennt", da sich die Elek- tronen frei in das n-leitende Gebiet des Kristalls bewegen und dieses negativ auflaclen, wahrend die Defektelektronen in das p-leitende Gebiet wandern und dieses positiv aufladen. Infolge der hierdurch bedingten h d e r u n g der Ladungs- tragerbonzentration wird die Hohe der Potentialschwelle kleiner. 1st der BuBere Stromkreis offen, so stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen dem Diffusionsstrom I d der uberschiissigen Trager (beispielsweise dem Strom der Defektelektronen aus dem n-leitenden Teil des Kristalls in den p-leitenden) und cincm ihm entgegengerichteten Strom ein, der durch die entstehende Raum- ladung der uberschussigen Defektelektronen im p-leitenden Teil und durch eine entsprechende der Elektronen im n-leitenden Teil erzeugt wird. 1st der &&ere Kreis kurzgesohlossen, so fliel3t der Diffusionsstrom durch diesen. Zwischen diesen beiden Grenzfallen liegt der Fall, der den realen Arbeitsbedingungen des Urnformers als Stromgenerator mit Belastung entspricht. Hier erfolgt eine Auf- teilung der Strome in den Strom im auBeren Kreis und den Strom im Kristall- inneren. Die Summe dieser Strijnie ist nach dem vorhergehenden gleich dem Diffusionsstrom, der allgemein wie folgt ausgedruckt werden kann :

hierbei ist N ~ , v dv die Zahl der in 1 sec auf die Halbleiteroberflache fallenden Licht- quanten mit einer Energie zwischen hv und h ( v + dv), h,v > Egl). R ist der fre- yuenzabhangige Reflexionskocffizient, q die Ladung des Elektrons und a ein Faktor kleiner als 1. Den Faktor a kann man als effektive Quantenausbeute oder als Ausnutzungskoeffizienten bezeichnen 16, 71. Die vom Halbleiterumformer erzeugte elektromotorische Kraft und sein Wirkungsgrad hangt stark von der GroBe des Sattigungsstromes la des p-n-oberganges ab, der in erster Linie durch die Breite der verbotenen Zone des Halbleiters best'immt ist. Bei nicht zu

1) Strenggenommen darf man den Ausdruck (1) nur fur solche Rereiche anwenden, in denen die Quantenausbeute gleich 1 ist. Diese Bedingung ist fur Silizium praktisch bis zu hv = 3 eV erfiillt; im kurzwelligeren ultravioletten Teil des Spelctrums ist eine zusiitzliche VergroBerung der Ladungstragerkonzentration auf Grund yon StoBionisation durch die Photoelektronen oder die Defektelektronen moglich. Der auf diesen Spektralbereich ent- fallende Energieanteil des Sonnenspektrums ist jedoch klein und man kann i n guter Naherung hv,nin = 10 eV setzen. Der Wert a wird infolge der Oberflachenrekombination fur kurze Wellenlangen in der Regel sehr klein. Man kann annehmen, daB die Gesamtzahl der durch die Sonnenstrahlung in Silizium erzeugten Trager bei fehlender Reflexion und a = const = 1 anf dem Meeresniveau dem Strom I d = 0,035 A/cm2 entspricht; dieser Strom wachst aufierhalb der Atmosphare auf etwa 0,040 A/cm2 an.

Siliziumsonnenbatterien als Stromversorgungsquellen fur kiinstliche Erdsatelliten 139

groRen Konzentrationen iiberschiissiger Trager ist die elektromotorische Kraft des Umformers gleich

= @Tin) - l n t ( q ~ , B , / W + 11. Hierbei ist R, der Widerstand des p-n-uberganges bei der Spannung Null, clieser ist gleich k T/q I,. Fur Germaniumphotoelemente stimmt dieser Ausdruck gut mit den experimentellen Ergebnissen iiberein [6]. Bei direktem Einfall des Sonnenlichtes ist diese Relation auch fiir Siliziumphotoelemente naherungs- weise erfiillt. I n einer Arbeit von PRINCE [8] wird die Frage des im Grenzfall mit Sonnenbatterien erreichbaren Wirkungsgrades (qmnx) untersucht. In diaser Xrbeit ist die Abhangigkeit von qmnx von der Breite der verbotenen Zone E, angegeben (Bild 2 ) I). Trotz verschiedener willkiirlicher Annahmen in bezug auf (lie anderen Parameter, von denen der Wirkungsgrad abhangt (Beziehung

rnW/cmZ

Brei'fe der verbotenen Zone

Bild 2 . Abhiingigkeit des Wirkungsgrades eines idealen Halbleiterumformers mit einem 2) -n-ifbergang von der Rreite der verbotenen Zone. Die Lichtreflexion wird nicht be-

rucksichtigt [S, 14, 151.

zwischen den Diffusionslangen und der Leitfahigkeit, Voraussetzung fehlender Reflexion), gibt die Kurve von Bild 2 eine anschauliche Vorstellung von den Nutzungsmoglichkeiten verschiedener Halbleitersonnenbatterien, und zwar sowohl solcher, die bereits untersucht Bind und zur Verfiigung stehen, als auch solcher, die man beispielsweise synthetisch erhalten konnte. Gegenwartig ist Silizium hierfur sicher der geeignetste Halbleiter.

Es ist sinnvoll darauf hinzuweisen, daR unter realen Bedingungen in keinem der bekannten Falle der ideale Wirkungsgrad von 22% erreicht wurde. I n der letzten Zeit erschienen mehrere Mitteilungen iiber die Erprobung von Silizium-, Germanium- und anderen Photoelementen als Umformer fur Sonnenenergie [ l , 2, 4, 6, 91. Mit Hilfe der bei den Versuchen benutzten Ausfiihrungen der Photoelemente erreichte man Wirkungsgrade bis zu 6 - 7 %. In einer dieser

Anm. d. dtsch. Red.: Eine Untersuchung uber die optimale Wahl von E, in Ab- liiingigkeit von der Arbeitstemperatur der Sonnenbatterie findet man bei E. E. HALSTED, J. Appl. Phys. 28, 1131 (1957). ,

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Mitteilungen wird angegeben, da5 fur spezielle Siliziumphotoelemente ein Wirkungsgrad von 11 yo erreicht wurde [ I ] , was auf dem Meeresniveau bei nor- maler Sonnenstrahlung etwa 100 Watt je m2 Nutzflache entspricht.

Die Antoren entwickelten eine Methode zur Herstellung von p-n-uber- gangen in p-leitenden Siliziumkristallen, die auf der thermischen Eindiffusion von Phosphor aus der Gasphase beruht. Mit diesem Verfahren kann man die p-n-uberglnge in vorgegebenen Tiefen unter der Kristalloberflache erhalten. Das ist wichtig, wenn man die Siliziumphotoelemente aus einem Material mit kleiner Diffusionslange fur die Photoelektronen und -defektelektronen herstellt 1).

Zur Erzielung hinreichend groRer effektiver Quantenausbeuten a mu13 der Ab- stand des p-n-uberganges von der Oberfltiche kleiner als die Diffusionslange der Defektelektronen in der n-leitenden Schicht des mit Phosphor legierten Siliziums sein.

Wahrend der Durchfuhrung der hrbeiten zeigte sich, da5 die Lebensdauer der Ladungstrager in dem benutzten Silizium, durch die thermische Behandlung, die die Eindiffusion des Phosphors ermoglicht, wesentlich Meiner wird. Hierauf

wies auch FULLER [lo] hin. Messungen der effektiven Quantenausbeute a zeigten jedoch, daB die durch Absorp- tion von Photonen mit Wellenlangen zwjschen 1 , l und 0,4 p erzeugten Triiger bei hinreichend kleinem Ab- stand des p-n-uberganges von der OberflBche im Mittel zu 50% aus- genutzt werden (Bild 3). Auf Gruncl vorlaufiger Angaben kann man an- nehmen, daR der genannte a-Wert in bedeutendem MaRe von der Ober, flachenrekombinationsgeschwindig-

keit abhangt. Eine weitere Verringe- Bild 3. Spektrale Abhiingigkeit der effektiven rung der Dicke der %leitenden si- Quantenausbeute a. Kurve 1 : p-n-ubergang Schicht durch AtZen fuhrt zu einer in einem Abstand von etwa 15 p von der Ober- merklichen Vergrooerung der effek- flache. Kurve 2 : p-n-nbergang in einem tiven Quantenausbeute. Jedoch fuhrte -4btand von etwa 9 unter der Oberflache. cine uberm&Rige Verringerung der

Dicke der n-leitenden Schicht bei grdBeren Nutzflachen des Photoelementes zu einer Verkleinerung des Wir- kungsgrades infolge des Anwachsens des Widerstandes der Schicht, der mit der aul3eren Last in Reihe geschaltet ist. Der Einflu5 der Reihenwiderstande Raeihe wird in der Arbeit [S] uber Germaniumphotoelemente sowie von PRINCE [8] be- handelt. Die Verkleinerung von Rnelhe auf einen minimalen Wert besitzt wesent- liche Bedeutung. Der Widerstand der diinnen Schicht kann durch Auftragen einer halbdurchsichtigen Metallelektrode verkleinert werden. Dieses Verfahren bewirkt jedoch eine Verkleinerung des Wirkungsgrades wegen der Absorption des Lichtes in der Metallschicht, die den durch Verringerung von Rneihe hinsicht-

l) Ausfiihrlichere Angaben iiber die Eigensehaften der untersuchten p-n-obergange werden in Kiirze veroffentlicht.

Siliziumsonnenbatterien ale Stromversorgungsquellen fur kiinstliche Erdsatelliten 141

lich des Wirkungsgrades erzielten Gewinn iiberschreitet. Eine andere Moglich- lreit ist das Aufbringen eines Metallgitters holier Durchlassigkeit. AuBerdem ist die Verrineerung des charakteristischen Kontaktwiderstandes zwischen dem Silizium u i d dem Metal1 auf einen hinreichend kleinenwert erforderlich.

Bild 4 zeigt die Konstruktion eines Siliziumphotoelementes fur Versuchs- zwecke. Wie aus der Zeichnung zu ent- nehmen ist, wird die gesamte Stirn- fliiche des Siliziums genutzt. Die Fla,- che des einzelnen Photoelementes ist iiur durch die Abmessungen des be- nutzten Einkristalls begrenzt, man kann heute notigenfalls Flachen von 5-8 cm2 erhalten. Die Dicken der Pliittchen betragen 0,7-1,0 mm.

2 4 - -- --- - - - L---J t - - J 1

1 I 3 4

3 Bild 4. Konstruktion eines Siliziumphoto- elementes fur Versuchszwecke (Schnitt). 1. p-leitendes Si; 2. durch thermische Ein- diffusion von Phosphor in n-leitendes Si um- gewandelte Schicht ; 3. Ringelektrode auf dem n-leitenden Si; 4 . Elektrode auf dem p-lei-

tenden Si.

2. Strom- Spannungs- und Belastungscharakteristiken

Bild 5 zeigt die Strom-Spannungscharakteristik eines mit Sonnenlicht be- strahlhn Photoelementes mit einer FlBche von 0,95 om2. Die Dunkel-Strom-

Spannungscharakteristik wird in FluBrichtung gut durch den Ausdruck

1 = I,/ ( e \

I (9-/A4W ( U--IREeihe) - 1 500 \ \

400

300

200

700

beschrieben, wobei A = 1,4 ist. Durch Vergleich der theo- retischen Strom-Spannungs- charakteristik des p-n-uber- ganges mit der Dunkelcha- rakteristik des Photoele- mentes kann man den Ge- samtreihenwiderstand RReihe ermitteln und den auf R E e f i e 4 0 extraDolierten maxi- I , I , , , I malen Wirk;mgsgrad bestim-

Der entsprechende (opti- Hild 5. Strom-Spannungscharakteristik eines belsste- male) Bel~stungswiderstan~~ ten Siliziumphotoelementes fur Versuchszwecke mit RB kann sowohl der Be- einer Flache von 0,95 cm2, das rnit normal einfallen- lastungscharakteristik als dem Sonnenlicht von 100 mW/cm2 Leistung bestrahlt wurde. Die gestrichelte Kurve entspricht der Be- such rechnerisch L71 errnit- lastungscharakteristik des gleichen Elementes bei telt weden- Bei dem unter-

%?,he = 0. suchten Photoelement rnit

0 2 4 6 8 10mA 12 men.

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einer Flache von 0,95 om2 war RB bei Releuchtung mit normal einfallendem Sonnenlicht gleich 39 GI).

Wir geben die vier wichtigsten Wege zu einer weiteren Erhohung des Wir- kungsgrades an, ohne ausfuhrlichere Rechnungen durchzufiihren.

Methode zur VergroBerung von 17

1) Erhohung der effektiven Quantenausheute a auf 1 . . . . . . . . . . . . . . . .

2 ) Verkleinerung des Reihenaiderstandw RRPlhe

< < R . . . . . . . . . . . . . . . . . 3) Beleuchtung der Oberflache bei R = 0 . . 4) Verbesserung der Belastungscharakteristik

durch Verwendung niederohmigeren Ma- terials (ohne dabei a zu andern) . . . . .

Mogliche VergroSerung von q

Urn einen Faktor 2

Um einen Faktor - 1,s Um einen Faktor 1,3-1,4

' Kine Abschatzung erfordert zusatzliche experimentelle Gntersuchungen

Erzielt man zugleich a-Werte in der NBhe von 1, minimale Reflexion sowie einen moglichst kleinen Wert von RKeihe, so erhalt man fur den Wirkungsgrad einen Wert von etwa 15%. Eine wesentliche VergroBerung dieses Wertes durch Ver- besserung der Form der Belastungscharakteristik ist kaum moglich, denn die Form der Rlteihe = 0 entsprechenden Charakteristik zeigt (Bild 5), daB die von ihr umschlossene rechteckige Flache nicht wesentlich vergroDert werden kann.

3. Die Arbeitstemperatur der Sonnenbatterien.

Nach der Theorie [ I I ] wachst die vom Siliziumphotoelement erzeugte elektro- motorische Kraft mit abnehmender Temperatur an. Vorlaufige Untersuchungen der Temperaturabhdngigkeit von V ergaben ein Gesetz der Form d V / d T

von - 70 bis + 90" C. Zur Erzielung einer maximalen Leistung der Sonnenbatterie ist offenbar wah-

rend des Fluges ejne hinreichend niedrige Gleichgewichtstemperatur der Sonnen- batterie erforderlich. Die naherungsweise Berechnung des Temperaturverhaltens von Siliziumplatten ist recht einfach. Der Reflexionskoeffizient von Si in dem Bereich des Sonnenspektrums, der hier eine wesentliche Rolle spielt, ist gut be- kannt. Man kann diesen im Mittel gleich 0,35 setzen. I m Bereich der Grund- gitterabsorption ist Si bei relativ niedrigen Temperaturen (in der Nahe von 300" K) ein nichtselektiver , ,grauer" Korper mit dem Emissionskoeffizienten E = 0,7. Setzen wir die Solarkonstante gleich 0,135 Watt/cm2, so konnen wir aus 'der Warmebilanz mit dem Stephan-Boltzmann- Gesetz die absolute Tem- peratur einer dunnen Si-Platte, auf die Sonnenlicht senkrecht einfallt, bestim- men. Diese Temperatur ist gleich 324°K und der Fehler ist kleiner als 5% (die

I) Bei Beleuchtung des Photoelementes mit einer BOO-Watt-Lampe durch eine Wasser- scliicht von 4 cm Dicke betrsgt der KurzscliluBstrom 125 mA/cma, die elektromotorische Kraft ist groBer als 0,65 V und die maximale elektrische Leistung betragt 50 mW je cm2.

Diese Tatsache zeigt, daB man die erforderliche Flliche der Sonnenbatterien bei ratio- neller Wiirmeableitung durch Sammlung des Sonnenlichtes verkleinern kann.

*) PRINCE [8] gibt an: d VIdT = 0,00288 V/"C.

- - - 0,00252 V/" C z ) . Bild 6 zeigt die Temperaturabhangigkeit von Vim Bereich

Siliziurnsonnenbatterien als Stromversorgungsyuellen fur kunstliche Erdsatelliten 143

Durchsichtigkeit des Si fur Wellenlangen A > 1 , l p wurde nicht berucksichtigt). Diese Temperatur ist annehmbar. Man kann die elektromotorische Kraft jedoch wesentlich verbessern, wenn man die riickseitige Oberflache der Sonnenbatterie fur den Rereich von 2-15 p ,,schwarz" macht und die Streuflache vergroBert. Eine naherungsweise Berechnung zeigt, daB man hierdurch die Gleichgewichts- temperatur durchaus auf Werte bringen kann, die 260-270" K nicht iiber- schreiten. Eine weitere Herabsetzung der Arbeitstemperatur und gleichzeitige Verbesserung der Ausnutzung des aktiven Teiles des Spektrums der Sonnen- strahlung kann man durch Auftragen einer Interferenzschicht erreichen, die die 13estrahlung des Elementes im Bereich zwischen 0,5-0,9 / L begiinstigt und fur

500

400

200 I I I I I I I 1 I I -60 -4d -20 0 20 40 60 60OC700

Bild 6. Die Temperaturabhangigkeit der elektromotorisohen Kraft von Siliziumphoto- elementen. Die ausgezogene Kurve entspricht einem Photoelement aus Silizium mit einem Anfangswert von g NN 20 8 cm, die punktierte einem Photoelement &us Silizium mit einem dnfangswert von e = 0,6 Qcm (die eingezeichnete Kurve ist durch einen Mel3punkt gelegt

worden).

die Wellenlangen auBerhalb dieses Bereiches einen wesentlich groaeren Rr- flexionskoeffizienten besitzt 11121. Der praktischen Anwendung dieser Methode mu13 jedoch eine experimentelle Untersuchung unter Erdbedingungen voran- gehen.

Die versuchsweise Anwendung von Sonnenbatterien lieferte unter Erdbe- dingungen [ 131 ganz eindeutig positive Ergebnisse. Da unter den Bedingungen eines langeren Fluges im kiinstlichen Erdsatelliten Sonnenbatterien die einzige Moglichkeit zur Versorgung mit Elektroenergie bieten, ist das Beschreiten schwierigster und kompliziertester Wege zur Realisierung derselben zu recht- fertigen.

Die Ermittlung von Angaben uber die wirkliche Arbeitstemperatur, den Wirkungsgrad, den Energiestrom der Sonnenstrahlung sowie die Arbeitsweise der Sonnenbatterien unter realen Bedingungen erlaubt zur Herstellung von Sonnenbatterien mit groBeren Flachen iiberzugehen, die zur langeren Verwen- dung auf einem Erdsatelliten geeignet sind.

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