Home / Kennisbank / Productie van silicium zonnecellen / De eerste silicium zonnecellen

De eerste silicium zonnecellen

De fotovoltaïsche werking van kristallijne of silicium zonncellen werd in 1941 voor het eerst beschreven.

Ongeveer tegelijk met de ontwikkeling van selenium cellen in de jaren ’30 van de twintigste eeuw, werd steeds meer aandacht geschonken aan silicium voor het gebruik in puntcontact gelijkrichters. De gelijkrichterwerking van scherpe metalen puntcontacten met verschillende kristallen was al bekend vanaf tenminste 1874 [1]. In het beginstadium van de radio waren dergelijke kristallen gelijkrichters de meest gebruikte detectoren in radio-ontvangers, maar met de ontwikkeling van elektronenbuizen werden kristallen gelijkrichters vervangen in alle toepassingen behalve die voor ultra-hoge frequenties. Wolfraam punten bleken het meest geschikte materiaal om contact te maken met silicium oppervlakken. Onderzoek naar de zuiverheid van silicium resulteerde bovendien in toegenomen kennis van zijn eigenschappen.

Bij het opnieuw kristalliseren van zuivere, speciaal voor dit doel geprepareerde silicium, ontdekte Ohl [2] de aanwezigheid van een duidelijke barrière in staven gegoten in de handel verkrijgbare, zuivere silicium.

de uitvinding van kristallijne zonnecellen
de eerste silicium zonnecellen

(a) Gegoten massa met een natuurlijke verbinding, gevormd door het afscheiden van onzuiverheden tijdens het smelten;
(b) Fotovoltaïsch apparaat, doorsnede loodrecht op de verbinding;
(c) Doorsnede van apparaat, parallel met de verbinding;
(d) Bovenkant van het apparaat, doorsnede parallel met de verbinding.

In 1941 werden silicium fotovoltaïsche apparaten gebaseerd op deze natuurlijke verbindingen beschreven[2], hoewel met toen nog maar maar beperkte kennis had van doteringsmiddelen. In bovenstaande afbeelding staat (a) voor de natuurlijk gevormde verbinding in een gegoten staaf van silicium. De staven werden gemaakt van metallurgisch zuiver silicium (verkregen door extractie in een zuur) wat vanaf de bovenkant werd afgekoeld na het smelten. De cellen werden gemaakt van afgesneden stukken van de staaf, zoals geïllustreerd bij (a). De apparaten konden ook worden gemaakt door parallel op de verbinding te snijden, zoals aangegeven bij (c).

Deze natuurlijke barrière werd voor het eerst aangetroffen in uit gegoten massa gesneden staven die werden gebruikt voor metingen van weerstand. De staven vertoonden goede fotovoltaïsche activiteit, bleken een hoge thermo-elektrische coëfficiënt te hebben en hadden een goede gelijkrichterwerking. Één uiteinde van de staaf ontwikkelde een negatief potentiaal wanneer het werd beschenen of verhit en en moest een negatieve afwijking hebben om een lage weerstand te bieden aan de stroom door de barrière of door een puntcontact met het materiaal. Materiaal met deze eigenschappen werd daarna ook wel negatief of n-silicium genoemd, en materiaal van het tegenovergestelde type positief of p-silicium. Vervolgens werden de rollen van donor en ontvanger van onzuiverheden bij het creëren van deze eigenschappen aangetoond.

Hoewel deze apparaten gelijkwaardige prestaties leverden vergeleken met de toen verkrijgbare dunne-film apparaten, leende dit proces zich niet bepaald voor gemakkelijke productie. Het was echter duidelijk dat cellen konden worden geproduceerd tegen lage kosten wanneer een geschikte methode werd gevonden om grote oppervlakken silicium gelijkmatig te activeren. In 1952 rapporteerden Kingsbury en Ohl [3] over verbeterde silicium zonnecellen, waarbij gebruik werd gemaakt van zuiverder silicium om het vormen van de natuurlijke verbinding tegen te gaan alsook het ionenbombardement op het oppervlak om de gelijkrichterverbinding te vormen.

Ondertussen resulteerden de ontwikkelingen in technieken voor het vormen van kristallen en technieken voor het vormen van verbindingen door middel van diffusie in de aankondiging van de eerste moderne silicium zonnecel in 1954, door Chapin, Fuller en Pearson [4]. Deze cel had een structuur met twee contacten aan de achterkant (zoals in onderstaande afbeelding) en had een efficiëntie van 6%, ongeveer vijftien keer zoveel als de apparaten daarvoor. Dit opende voor het eerst echt de deur voor het opwekken van stroom door middel van het fotovoltaïsche effect, wat voor veel belangstelling zorgde[5]. Doordat de siliciumindustrie nog in de kinderschoenen stond, werd echter snel duidelijk dat het oorspronkelijke enthousiasme wat voorbarig was geweest. Desalniettemin bleken de cellen geschikt voor gebruik in de ruimtevaartindustrie, dit werd dan ook de belangrijkste toepassing tot het begin van de jaren ’70.

opbouw van een kristallijne zonnecel
Structuur van een vroege silicium zonnecel

Verwijzingen

1. Braun, F., “On Conductance in Metal Sulphides”, Ann. d. Physik, vol. 153, pp. 556, 1874.
2. Ohl, R. S., “Light-Sensitive Electric Device”, U.S. Patent, vol. 2, pp. 402, 602, 05/1941.
3. Kingsbury, E. F., en R. S. Ohl, “Photoelectric Properties of Tonically Bombarded Silicon”, Bell Systems Technical Journal, vol. 31, pp. 802-815, 1952.
4. Chapin, D. M., C. S. Fuller, en G. L. Pearson, “A New Silicon P-N Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power”, Journal of Applied Physics, vol. 25, pp. 676-677, 1954.
5. , Record, : Bell Laboratories, pp. 166, 241-246, 434, 1955.