CN101911311A - 用于太阳能聚光器的太阳能电池封装 - Google Patents

Abstract

一种系统可以包括基板和太阳能电池，该太阳能电池包括顶部一侧和底部一侧，该顶部一侧具有作用区域并且该底部一侧耦合于基板。框架可以耦合于基板，该框架限定作用区域上方的上开口和在作用区域上方且在作用区域和上开口之间的下开口。下开口可在至少一个维度上比上开口小，并且光学元件可以被放置在上开口中。在一些方面中，下开口由框架的大体平行于太阳能电池的顶部一侧延伸的部分所限定。在一些方面，该框架包括第一壁和与该第一壁相对的第二壁，第一壁的上部大体平行于第二壁的上部，第一壁的下部与第一壁的上部形成第一钝角，以及第一壁的下部的一部分限定下开口的第一侧。

Description

用于太阳能聚光器的太阳能电池封装

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年11月14日提交的、名称为“用于保持太阳能电池上的光学元件的装置”的临时申请序列号60/987,882，以及于2008年2月27日提交的、名称为“用于太阳能聚光器的太阳能电池封装”的临时申请序列号61/031,946的优先权，上述专利申请的全部内容在此通过引用包含在本发明中，用于一切目的。

背景技术

聚集太阳能源装置可以操作用于将入射光聚集到太阳能电池上。为了增加聚集太阳能源装置的受光角、在电池表面上同质化光源和/或进一步聚焦光，一种期望是将光学元件耦合到太阳能电池。应该将光学元件的顶(即入射)面保持在相对于系统中其他光学元件的特定空间位置，以及应该将光学元件的底(即射出)面保持在相对于太阳能电池的作用区域的特定空间位置。光学元件的尺寸和重量一般使得无法将把该光学元件直接结合到作用区域的易碎表面作为实现这种定位的方式。

一些常规聚集太阳能源装置采用三部分固定方案来保持光学元件在太阳能电池上。将太阳能电池固定到基板的正面侧，然后还将基板的正面侧固定到印刷电路板的背面侧。在印刷电路板的正面侧固定有下支承件。下支承件和印刷电路板限定开口，以允许入射光通过至太阳能电池。开口由PDMS(硅)胶填充，并在开口中放置光学元件，以便下支承件将光学元件的底部置于电池上。胶在光学元件的底部和太阳能电池之间固化，其厚度大于最终的工作厚度。

然后放置上支承件以将光学元件的顶部置于电池上，并对电池施加一定压力。因此在放置上支承件时，胶受挤压。这种挤压可以排出在固化期间形成的气泡并且固定光学元件和太阳能电池之间的空隙。

然而，上述挤压可能无法消除在胶固化后产生的所有气泡。并且，过挤压可能会引起光学元件对太阳能电池的损坏。胶本身可能随着时间而从空隙流出(例如由于热抽运等)，由此降低了光学耦合。如果在工作期间接收了高度集中的光，则下支承件可能遭受氧化。该氧化的产物可能被吸收到光学耦合中或被沉积到光学元件上，从而降低了光学性能并且可能导致能量单元的失效。

因此，期望一种保持光学元件在太阳能电池上的改进系统。这种系统可以提高可制造性、光学元件的保持力、光学耦合的维护和/或光学耦合的质量。

附图说明

从以下按附图中所示意说明的描述中，实施例的构造和用途将变得显而易见，其中图中相同参考数字指示相似部分。

图1为根据一些实施例的基板和太阳能电池的透视图；

图2A为根据一些实施例的基板、太阳能电池和框架的透视图；

图2B为根据一些实施例的基板、太阳能电池和框架的横截面侧视图；

图3A至3C包括根据一些实施例的框架的不同视图；

图4A为根据一些实施例的基板、太阳能电池、框架、盖子和光学耦合材料的透视图；

图4B为根据一些实施例的基板、太阳能电池、框架、盖子和光学耦合材料的横截面侧视图；

图5A为根据一些实施例的基板、太阳能电池、框架、盖子、光学元件和光学耦合材料的横截面侧视图；

图5B为根据一些实施例的装置的透视剖面图；

图6为根据一些实施例的装置的透视图；

图7A为根据一些实施例的基板、太阳能电池、框架、盖子和光学耦合材料的透视图；

图7B为根据一些实施例的基板、太阳能电池、框架、盖子和光学耦合材料的横截面侧视图；

图8为根据一些实施例的聚集太阳辐射聚光器的阵列的分解透视图；

图9为根据一些实施例的聚集太阳辐射聚光器的阵列的透视图；

图10A至图10C包括根据一些实施例的框架的不同视图；

图11A为根据一些实施例的基板、太阳能电池和框架的透视图；

图11B为根据一些实施例的基板、太阳能电池和框架的横截面侧视图；

图12A为根据一些实施例的基板、太阳能电池、框架、盖子和光学耦合材料的透视图；

图12B为根据一些实施例的基板、太阳能电池、框架、盖子和光学耦合材料的横截面侧视图；

图12C为根据一些实施例的插入光学元件时的基板、太阳能电池、框架、盖子、光学元件和光学耦合材料的横截面侧视图；

图12D为根据一些实施例的插入光学元件后的基板、太阳能电池、框架、盖子、光学元件和光学耦合材料的横截面侧视图。

具体实施方式

以下描述为用来使本领域的任何技术人员制造和使用所描述的实施例，并且列举了用于实施这些实施例的最佳模型。然而，对于本领域普通技术人员来说各种改进仍是显而易见的。

图1为根据一些实施例的集成电路封装基板100和太阳能电池110的透视图。基板100可以包括单片模压材料(例如模压的引线框架)或可以包括采用光刻、层压或任何其他适当技术将导电元件沉积在其上的适当基板。

根据一些实施例，基板100可以包括金属化的陶瓷基板。与常规太阳能电池封装材料相比，陶瓷基板由于杂射的聚集光而更不易遭受到损耗。在一些特定实施例中，基板100包括金属化的氧化铝。基板100的实施例可以包括一个或多个适合材料的任意组合，这些材料的选择可考虑到损耗、热膨胀性、强度和/或其他性能。

太阳能电池110可包括III-V太阳能电池、II-VI太阳能电池、硅太阳能电池或任何其他类型的现已公知或将公知的太阳能电池。太阳能电池110可以包括任意数量的作用层、介电层和金属化层，并且可以采用任何已公知或将公知的适当方法来制造。

太阳能电池110可以在位于所示意的太阳能电池110的顶部一侧上的作用区域上接收光子，并且可以响应于光子而产生电荷载流子(即空穴和电子)。在这方面中，太阳能电池110可以包括采用任何适当方法所沉积的三个不同的结，这些方法包括但不限于分子束外延和/或分子有机化学汽相沉积。该结可以包括Ge结、GaAs结和GaInP结。每个结具有不同带隙能，这使每个结吸收特定能量范围的光子。

根据图示的实施例，导电触片115a和115b被放置在太阳能电池110的上部一侧。每一个导电触片115a和115b可以包括任何适合的金属触片，而且可以包括薄的粘附层(例如Ni或Cr)、欧姆金属(例如Ag)、扩散势垒层(例如TiW或TiW:N)、可软焊金属(例如Ni)以及钝化金属(例如Au)。焊线120a和120b将导电触片115a和115b电耦合到导电元件125。根据一些实施例，导电触片115a和115b因此具有相同极性。

可以将另外的导电触片(未示出)放置在太阳能电池110的下部一侧。该导电触片具有与导电触片115a和115b相反的极性。根据一些实施例，可以采用银胶黏晶(silver die attach epoxy)或焊料将该导电触片电耦合到导电元件130。实施例并不受限于所示意的导电触片的数量、位置和极性。

导电元件125和130可以包括任何适合的导电材料并且可以采用任何适合的技术形成。实施例并不受限于所描述的导电元件125和130的形状和相对尺寸。此处认为基板100包括导电元件125和130。因此，图1示出了太阳能电池110耦合于基板100。

由于前面的配置，当太阳能电池110能动地产生电荷载流子时，电流可在线135和140之间流动。如果太阳能电池110有故障或因其他原因无法产生电荷载流子，旁路二极管145可以响应于所接收的外部信号将导电元件125电耦合到导电元件130。因此，旁路二极管145可以让电流在线135和140之间流动并且通过线135和140所连接的任何外部电路。

可以采用银胶黏晶、热脂、可固化热脂、硅酮胶和/或任何其他适合化合物将热沉150耦合到基板100的“背部”一侧。热沉150可以包括铝或任何其他成分以便于热从基板100散出。热沉150还可以包括便于将所示意的装置固定到支撑物上的结构。根据一些实施例，基板100自身包括热沉，因此无需热沉150。

图2A和图2B分别为根据一些实施例的耦合于图1的装置的框架200的透视图和横截面侧视图。图3A至图3C包括框架200的不同视图以进一步解释说明根据一些实施例所示意的关系。在一些实施例中，框架200可以用于保持光学耦合材料并且有助于布置光学元件(例如光学杆、光学棱镜)。框架200可以包括金属(例如Al、Cu)、陶瓷和/或如果直接被接附到基板100或被接附到另一个热沉时不易氧化或熔化的其他材料。

框架200限定太阳能电池110的作用区域上方的上开口210以及该作用区域上方的下开口230。下开口230在作用区域和上开口210之间。下开口230至少在一个维度上比上开口210小。在一些实施例中，这种尺寸上的差异便于在作用区域上布置光学元件。

在所示意的实施例中，框架200的部分220限定下开口230，并且部分220大体平行于太阳能电池110的顶部一侧延伸。部分220包括便于光学耦合材料合适地沉积到太阳能电池110的顶部一侧上的末端225，这在下面将描述。图2B示出了部分220和太阳能电池110的顶部一侧之间的小空隙。在一些实施例中，部分220可以接触太阳能电池110的顶部一侧。

框架200包括支腿240。每一个支腿240耦合至导电元件125并在一条或多条焊线120上延伸。如图所示，每一个支腿240可以限定孔，通过该孔可以将胶囊密封材料沉积到焊线120上。在一些实施例中，支腿240可以用环氧树脂粘结到导电元件125。在一些实施例中，框架200可以被共成型到太阳能电池110的盖子(或外模)中，从而减少对支腿240的需要。

图4A和图4B分别为根据一些实施例耦合到图2A和图2B的装置的光学耦合材料300和盖子400的透视图和横截面侧视图。如图所示，框架200相对于太阳能电池110的高度大于盖子400相对于太阳能电池110的高度，但实施例并不受限于此。

将光学耦合材料300置于太阳能电池110上。光学耦合材料300可以覆盖太阳能电池110的作用区域并且由此在处理/运输期间对其提供保护。光学耦合材料300可以包括硅胶或具有合适光、热和物理性质的任何其他材料。可以采用任何已知的或将公知的技术将光学耦合材料300沉积到太阳能电池110上。

此外，所示的框架部分220分离于太阳能电池110的顶部一侧。可以沉积光学耦合材料300以使其两侧与框架部分220的末端225相接触。这样的布置便于将材料300固化为图4A和图4B所示的凸起弯月。

如果所固化的材料300为柔性的，则材料300可以在光学元件的挤压之前固化为任何期望的程度，这如以下将描述的。在放置光学元件之前固化材料300可以让气泡在固化期间排出。全部或部分固化使得可运输固化的组件，而无需安装上光学元件，从而降低了运输容积并减少了由于运输的震动而破坏光学耦合的可能。

盖子400包括覆盖了导电元件125和130、二极管145和支腿240的至少一部分的介电材料。在一些实施例中，盖子400可以防止热沉150和基板100上的导电元件之间形成电弧。可以在沉积光学耦合材料300之前采用高胶粘性的硅将盖子400的外边缘耦合到基板100，以加强介电密封。盖子400可以包括聚合物并且可以保护其所覆盖的部件避免氧化、烧蚀、熔化和/或其他损伤。

在例如图4A和图4B所示的一些实施例中，框架200相对于太阳能电池110的高度大于盖子400相对于太阳能电池110的高度。这后一特征可以使框架200保护盖子400(以及位于盖子400下的部件)免于经受从布置在容积210中的光学元件中射出的杂散聚焦光。

图5A和5B示出了这样的光学元件。所示的光学元件500布置在上开口210内并且与光学耦合材料300相接触。光学元件500被配置用于接收和处理所期望波长的光和/或让该光通过至太阳能电池110。例如太阳能电池110可以接收来自光学元件500的光子并响应于此而产生电荷载流子。光学元件500可以被故意设计为消除无法引起电荷载流子的光子，由此降低工作温度并提高太阳能电池110的性能。

所示意的框架200的高度还通过严格限定元件500的水平移动范围有助于保持光学元件500下部的水平位置。在一些实施例中，框架200的高度可以等于或小于盖子400的高度和/或可以无助于保持以上所描述的水平位置。例如，位于太阳能电池110上的框架200的一侧或多侧可以仅包括部分220，而框架200没有任何部分在部分220上延伸。

光学元件500可以包括任何合适的成分和形状。壳体510有助于将光学元件500保持在容积210中并且可以使光学元件500偏向太阳能电池110以便于如图所示挤压材料300。为了接收聚集的光，光学元件500的上表面通过在壳体510上的开口仍为可见的。壳体510机械固定到热沉150。图6为壳体510、光学元件500的上表面以及热沉500的完整透视图。

图7A和图7B示意了类似于图3A和图3B的实施例的实施例。然而，框架700包括当将光学元件500放置到上开口210中时与光学元件500的下表面相接触的部件710。部件710位于太阳能电池110的顶部一侧的上方并且与之大体平行。部件710可以包括任何适合的定位部件(例如插入到光学元件的底表面的拐角下的小凸片)并且可以提供前挡块以防止光学元件500与电池110相接触。部件710还进一步限定下开口230，其至少在一个维度上比上开口210小。如以上所描述，框架700可以接触，或也可以不接触太阳能电池110的顶部一侧。

图8为根据一些实施例的装置800的分解透视图。装置800可以从入射的太阳辐射中产生电能。装置800包括16个图6装置的示例810a-p。每一个装置810a-p的线135和140可以串联连接以在装置800接收光的期间形成电路。为了清楚，未示意出线135和140。实施例并不受限于图8所示的布置。

每一个装置810a-p与聚焦光学件820a-p的其中一个结合。如在美国专利申请No.2006/0266408中所描述，每一个聚焦光学件820a-p包括用于接收入射太阳辐射的初级反射镜以及用于接收由初级反射镜所反射的辐射的次级反射镜。随后，每一次级反射镜将所接收的辐射反射到所对应的其中一个装置810a-p中的光学棒500的暴露的表面。

如图所示，每一初级反射镜的周界可大体为六边形以使相邻的侧紧密互相邻接。在一些实施例中，每一初级反射镜的周界为方形。每一初级反射镜可包括在其上沉积有银的低铁钠钙玻璃或硼硅酸玻璃，并且每一次级反射镜可以包括形成在钠钙玻璃的基板上的银和钝化层。初级和次级反射镜的反射涂层可以被选择用来提供对要由装置800收集、聚集并被转换为电的太阳辐射波长的所期望的光谱响应。

聚焦光学件820a-p的每一初级反射镜和次级反射镜被物理耦合到大体平面的窗口或玻璃盖830上。将每一个装置800a-p耦合到背板840。背板840可以包括任何适合的形状和/或材料并且可以为装置800提供强度、电路布线和散热。

图9为根据一些实施例的装置800组装后的透视图。如图所示，窗口或玻璃盖830被固定到背板840上。每一个装置810a-p穿过其所对应的初级反射镜的开口，并且被设置在其所对应的次级反射镜下。

所示意的布置使装置810a-p的每一光学元件的暴露表面接收被聚集的光。如以上所描述，把所接收的光传到所对应的太阳能电池，该太阳能电池相应地产生电流。由每一个装置810a-p产生的电流可以被以任何适当形式耦合于背板840的外部电路所接收。组装后的装置800可以被固定到太阳跟踪设备上以在光照期间保持所期望的相对于太阳的位置。

图10A至图10C包括根据一些实施例的框架1000的不同视图。框架1000可以用于替代图6、图8和图9所示实施例中的框架200和700。框架1000可以包括任何适合组件，并限定上开口1010和下开口1030。下开口1030至少在一个维度上比上开口1010小。框架1000还包括支腿1040，每一个支腿可以限定孔，在组装期间胶囊密封材料可通过该孔被沉积。

框架1000包括相对的壁1050和1060，以及相对的壁1070和1080。壁1050的上部1052大体平行于壁1060的上部1062。另外，壁1050的下部1054与上部1052形成钝角θ，并且下部1054的一部分限定下开口1030的第一侧。如以下将描述，前述特征可以使光学元件便于恰当布置。

根据所示意的实施例，壁1060的下部1064与上部1062形成钝角θ，并且下部1064的一部分限定下开口1030的第二侧。此外，壁1070的上部1072大体平行于壁1080的上部1082，壁1070的下部1074与上部1072形成钝角θ，并且下部1074的一部分限定下开口1030的第一侧。壁1080的下部1084与上部1082形成钝角θ，并且下部1084的一部分限定下开口1030的第一侧。

图11A和图11B为根据一些实施例的耦合到图1的装置的框架1000透视图和横截面侧视图。如图所示，框架1000限定太阳能电池110的作用区域上的上开口1010以及在该作用区域上的下开口1030。下开口1030在该作用区域和上开口1010之间并且其至少在一个维度上比上开口1010小。这种尺寸上的差异在一些实施例中便于在作用区域上布置光学元件。尽管图11B示出了框架1000和太阳能电池110的顶部一侧之间的小空隙，但在一些实施例中，框架1000可以和太阳能电池110的顶部一侧相接触。

每一个支腿1040被耦合(例如环氧树脂粘结)到导电元件125并且在一条或多条焊线120上延伸。每一个支腿1040也限定孔，通过该孔可以将胶囊密封材料沉积到焊线120上。作为支腿1040的替代，在一些实施例中框架1000可以被共成型到太阳能电池110的盖子(或外模)中。

图12A和图12B分别为根据一些实施例耦合到图11A和图11B的装置的光学耦合材料1200和盖子400的透视图和横截面侧视图。光学耦合材料1200被布置为靠近太阳能电池110的每一拐角(例如四个分离部分)，但实施例并不受限于此。例如，光学耦合材料1200的部分的数量和/或其几何布局可以不同。在一些实施例中，光学耦合材料1200被分散开以在太阳能电池110上限定方形的周界。可采用注射或任何其他已知或将公知的技术将光学耦合材料300沉积到太阳能电池110上。

在放置图12C和图12D所示意的光学元件之前，材料1200可以被固化到任一期望程度。在这方面，图12C示意了光学元件500放置在框架100的上开口1010中。光学耦合材料1250已在所示的情况之前沉积到元件500的端部。光学耦合材料1250可以部分或全部固化。

在框架1000的下壁部分之间移动光学耦合材料1250和光学元件500的端部。在此移动期间，光学元件1250可以接触框架1000的一个或多个下壁部分。因此，框架1000可以用于引导光学元件500到电池110上的适当位置。当该移动结束时，材料1250可以接触到太阳能电池110，如图12D所示。仍如图所示，材料1250可以与之前沉积的材料1200在光学元件500和电池110的作用区域之间共同形成光学界面。一些实施例没有包括诸如材料1200的之前沉积的材料。

在一些实施例中，当图12D所表示的移动结束时，材料1200和/或材料1250的一部分可以流经并且至少部分覆盖太阳能电池110的一个或多个边缘。这些部分可以有助于在由此覆盖的太阳能电池110的边缘上钝化暴露的p-n结。

根据一些实施例，以上提到的钝角θ可以以当光学耦合材料1250沉积在光学元件500的端部上时光学耦合材料1250的润湿角α为基准。这样的布置便于光学耦合材料1250顺利通过框架1000，同时允许下壁部分引导光学元件500。根据一些实施例，润湿角α的范围可以从166到168度并且在一些实施例中，该范围可以从157到171度。在这些任一情况中，θ可以等于115度，但是实施例并不受限于此。

此处所描述的数个实施例仅为示意性目的。实施例可以包括此处描述的元件的任何当前或随后公知的类型。因此，本领域普通技术人员从这些描述将理解可以通过各种修改和改变来实现其他实施例。

Claims (17)

1.一种装置，包括：

基板；

包括顶部一侧和底部一侧的太阳能电池，该顶部一侧包括作用区域并且该底部一侧耦合于该基板；

耦合于该基板的框架，该框架限定在该作用区域上方的上开口和在该作用区域上方且在该作用区域和该上开口之间的下开口，该下开口至少在一个维度上比该上开口小；和

置于该上开口中的光学元件。

2.根据权利要求1所述的装置，

其中该下开口由该框架的大体平行于该太阳能电池的顶部一侧延伸的部分所限定。

3.根据权利要求2所述的装置，还包括：

放置于该太阳能电池上且在所述容积中的光学耦合材料，

其中该放置的光学耦合材料的一侧与该框架的该部分的末端相接触。

4.根据权利要求1所述的装置，

其中该框架包括第一壁和与该第一壁相对的第二壁，

其中该第一壁的上部大体平行于该第二壁的上部，

其中该第一壁的下部与该第一壁的该上部形成第一钝角，以及

其中该第一壁的该下部的一部分限定该下开口的第一侧。

5.根据权利要求4所述的装置，

其中该第二壁的下部与该第二壁的该上部形成第二钝角，以及

其中该第二壁的下部的一部分限定该下开口的第二侧。

6.根据权利要求5所述的装置，其中该钝角大于115度。

7.根据权利要求1所述的装置，

其中该光学元件与在该太阳能电池的顶部一侧上方且大体与之平行的该框架的一部分相接触。

8.根据权利要求1所述的装置，

其中该基板包括：

第一导电元件；和

一个或多个焊线，其将该第一导电元件电耦合至该太阳能电池的导电触片，以及

其中该框架包括支腿，其耦合于该第一导电元件并且在该一个或多个焊线上延伸。

9.根据权利要求7所述的装置，还包括：

盖子，其覆盖该第一导电元件的至少一部分以及该支腿的至少一部分，

其中该框架相对于该太阳能电池的高度比该盖子相对于该太阳能电池的高度大。

10.一种方法，包括：

耦合太阳能电池的底部一侧至基板，该太阳能电池包括具有作用区域的顶部一侧；

耦合框架至该基板，该框架限定在该作用区域上方的上开口和在该作用区域上方且在该作用区域和该上开口之间的下开口，该下开口至少在一个维度上比该上开口小；以及

放置光学元件在该上开口中。

11.根据权利要求10所述的方法，

沉积光学耦合材料在该太阳能电池上，

其中该沉积的光学耦合材料的一侧与该框架的一部分的末端相接触，该末端限定该下开口并且大体平行于该太阳能电池的顶部一侧延伸。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括：

在放置光学元件在该上开口中之前，沉积光学耦合材料在该光学元件的端部。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在放置光学元件在该上开口中之前，至少部分固化该沉积的光学耦合材料。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

在放置光学元件在该上开口中之前，沉积第二光学耦合材料在该太阳能电池的该顶部一侧上。

15.根据权利要求13所述的方法，

其中该框架包括第一壁和与该第一壁相对的第二壁，

其中该第一壁的上部大体平行于该第二壁的上部，

其中该第一壁的下部与该第一壁的该上部形成第一钝角，

其中该钝角大于115度，

其中该第一壁的该下部的一部分限定该下开口的第一侧，

其中该第二壁的该下部的一部分限定该下开口的第二侧，以及

其中放置该光学元件在该上开口中包括在该第一壁的该下部和该第二壁的该下部之间移动该光学元件的该端部和该光学耦合材料。

16.根据权利要求10所述的方法，其中耦合该框架到该基板包括：

耦合该框架的支腿到该基板的导电元件，

该方法还包括：

在该太阳能电池的导电触片和该导电元件之间接附一个或多个焊线，

其中该支腿在该一个或多个焊线上延伸。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

耦合盖子至基板以覆盖该第一导电元件的至少一部分和该支腿的至少一部分，

其中该框架相对于该太阳能电池的高度比该盖子相对于该太阳能电池的高度大。

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