CN103636004B - 光转换器 - Google Patents
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Abstract
一种构造用于光的光伏转换的光转换器，其具有：具有正面和背面的承载件；具有第一表面和第一背侧面的第一半导体主体，其中，所述第一背侧面设置在所述承载件的正面上；具有第二表面和第二背侧面的第二半导体主体，其中，所述第二背侧面设置在所述承载件的正面上；所述第一半导体主体的第一表面与所述第二半导体主体的第二背侧面连接；所述第一表面和所述第二表面构造为光的接收面，其中，设有导电的连接件，所述连接件具有第一臂和第二臂，并且所述第一臂设置在所述第一表面上并且与所述第一表面连接，并且所述第二臂设置在所述第二背侧面下方并且与所述第二背侧面连接，其方式是，所述第二臂至少部分地埋置在导电材料中，并且所述导电材料设置在所述第二背侧面与第二导轨之间，并且所述第二导轨构造为所述承载件的一部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种光转换器。
背景技术
由US 6 532 653 B1公开了一种光转换器，其中多个排形设置的太阳能电池串联连接。在一排内，各个太阳能电池并行地设置在导电层上并且与所述层电连接。为了构造从一排到紧邻的一排的串联连接，U形连接件不仅包括太阳能电池的表面还包括相同太阳能电池的背侧面。在背侧面上在连接件之间构造绝缘层，以便避免相应的半导体主体的前侧与背侧之间的短路。为了使各个导电层彼此绝缘，在各个太阳能电池的背侧上在U形连接件与剩余背侧之间构造硅模制件。
此外，由US 2010/275976 A1、DE 10 2008 046329 A1、US 2011/132451A1和DE 1927 387 A1已知不同的光伏模块。特别是US 2010/275976 A1公开了以电绝缘的、优选光透明的薄膜单侧涂覆的机械连接件。在所述薄膜上施加了粘接层，其中金属线从所述粘接层中伸出，所述金属线具有低熔合金，以便太阳能电池的表面或背侧与金属线电连接。为了实现各个太阳能电池的串联连接，第一连接件的金属线(所述表面与这些金属线电接通)与第二连接件的金属丝(所述背侧与这些金属线电接通)借助于汇流导体电连接。所述汇流导体在太阳能电池的背侧上构造在第一连接件与第二连接件之间。
发明内容
在所述背景下，本发明的任务在于提供一种装置，其相应地改进现有技术。
所述任务通过具有本发明的特征的光转换器解决。
根据本发明的主题提供一种构造用于光的光伏转换的光转换器，其具有承载件、第一半导体主体和第二半导体主体，所述承载件具有正面和背面，所述第一半导体主体具有第一表面和第一背侧面，其中所述第一背侧面设置在所述承载件的正面上，所述第二半导体主体具有第二表面和第二背侧面，其中所述第二背侧面设置在所述承载件的正面上，并且所述第一半导体主体的第一表面与所述第二半导体主体的第二背侧面连接，并且所述第一表面和所述第二表面构造为光的接收面，其中设有具有第一臂和第二臂的导电连接件，并且所述第一臂设置在所述第一表面上并且与所述第一表面连接，并且所述第二臂设置在所述第二背侧面下方并且与所述第二背侧面连接，其方式是，所述第二臂至少部分地埋置在导电材料中并且所述导电材料设置在所述第二背侧面与第二导轨之间，并且所述第二导轨构造为所述承载件的一部分。应注意，板状的承载件优选构造为PCB电路板，尤其构造为具有厚层导线的陶瓷电路板。导轨此外可以构造为电路板上的涂层。另一变型方案是根据“Direct Copper Bonding(DCB)”：直接铜键合”方法的电路板制造。此外应注意，不仅第一臂而且第二臂与相应的面电连接，并且导电材料构造与第二背侧面和连接件和第二导轨的材料锁合连接。由此，半导体主体的背侧面与导轨之间的体积大部分以导电材料填充，所述导电材料优选构造为焊盘。半导体主体即焊接在导线上，也就是焊接在承载件的正面上，其中第二导轨构造为承载件的一部分。总地来说，单个连接件已经建立两个相邻的半导体主体的表面与背侧面之间的电连接。应理解，两个半导体主体以相邻的排设置。
优点在于，借助于根据本发明的装置可以通过非常简单和低成本的方式实现具有多个串联连接的半导体主体的光转换器的批量生产。优选地，半导体主体在此构造为太阳能电池。特别地，借助于臂状连接件的连接方式适用于由尤其III-V组的太阳能电池组成的太阳能电池模块的低成本和可靠的批量生产。特别地，申请人的研究已经表明，通过新的连接技术可以意想不到地实现半导体主体的简单的、连续的、排形的施加。在此，首先将第一连接件的第一臂与第一半导体主体连接以及将第二连接件的第一臂与第二半导体主体连接。半导体主体现在如此设置，使得第二半导体主体覆盖第一连接件的第二臂。电连接通过导电材料实现。根据一种优选实施形式，连接件实施为键合线，特别是条带形的键合线。在此有利的是，在半导体主体的表面上根据其大小固定多个键合线。
与US 6 532 653B1中的现有技术不同地，不再需要具有半导体主体的相应背侧面上的两个彼此绝缘、彼此覆盖的金属背侧触点的半导体主体的费事制造。此外，U形连接件必须紧绕太阳能电池棱边引导并且不仅在前侧上而且附加地在背侧上焊接。当在背侧上焊接时存在以下危险：损坏覆盖的金属层之间的绝缘层。此外不需要U形连接件的费事施加。
应注意，连接件可以低欧姆地优选由金属、最优选由银或银化合物实施，以便对于每个半导体主体以小的功耗功率引导直至25安培的电流强度。
在一种改进方案中，导电材料基本上全面积地覆盖第二半导体主体的第二背侧面并且在此不仅构造第二半导体主体与导电材料之间的材料锁合连接而且构造导电材料与第二导轨之间的材料锁合连接。由此实现了半导体主体与第二导轨之间的尤其低欧姆的连接。特别优选的是，第二导电材料包括焊料或导电聚合物。
在另一种改进方案中，在第一臂与第二臂之间设置有中间件。连接件在横截面中基本上具有z形构造或阶梯形构造。优选地，第一臂的表面上的法向量与第二臂的法向量基本上平行地定向，从而两个臂之间的高度差基本上取决于中间件的长度及其与第一臂和第二臂的折弯角。
在一种有利改进方案中，连接件具有一个宽的第二臂和多个梳形布置的第一臂。多个第一臂中的每一个自身承担从第一表面可导出的电流的汇流器的功能。由此可以借助于一个单个连接件在多个位置、优选三个位置上低欧姆地连接第一半导体主体的第一表面并且低欧姆地与第二背侧面连接。替代地，第一表面也可以借助多个优选条带形构造的连接件与第二背侧面连接。在此，中间件的宽度优选基本上等于第一臂和第二臂的宽度。
根据一种优选实施形式，连接件一件式地构造，其中第二臂至少部分地埋置到焊盘中。此外优选地，一个第一臂或多个第一臂与第一表面焊接，而第二臂优选与第二背侧面焊接。
根据另一种实施形式，承载件的表面在第一背侧面的区域中除第二导轨以外还具有第一导轨，其中第一导轨和第二导轨彼此间隔开并且电绝缘地构造。借助于导轨式的实施可以排形地在所述导轨中的每一个上电并联连接地设置多个半导体主体或太阳能电池。此外有利的是，在导轨上设置有用于尤其在过压方面保护半导体主体的二极管和/或电子元件。通过半导体主体借助于连接件与第二导轨电连接，可以借助于多个导轨的彼此连接容易地建立模块式的实施并且在光入射到半导体主体的表面上时产生高电压。
在另一种改进方案中，导电材料或焊盘除第二导轨以外还构造在第一导轨上。在此优选地，第一背侧面和第二背侧面材料锁合地、优选全面积地与相应的焊盘连接。
此外优选地，相应的焊盘的横向延展略微小于相应的半导体主体的背侧面的横向延展，即不以焊料覆盖窄的边缘区域并且由此抑制相应的半导体主体的表面与背侧面之间的短路的数量。在另一种实施形式中，第一背侧面和第二背侧面在一个边缘区域中如此构造，使得相应的边缘区域不以焊料覆盖。在此可以机械地和/或化学地处理相应的边缘区域和/或设有焊接停止剂，以便抑制焊料覆盖。
特别优选地，第一半导体主体具有方形的构造，并且所述半导体主体的侧面设有焊接停止剂，其抑制以焊料覆盖棱边。由此可以避免半导体主体的棱边面与连接件之间的短路以及不同半导体主体的棱边面之间的短路。
此外优选地，连接件在至少一个侧上部分面积地、优选至少在下侧上以焊接停止剂涂覆。由此在下侧上抑制覆盖导电材料并且避免半导体主体的相邻表面之间的短路。优选地，焊接停止剂包括聚合物并且是电绝缘的并且具有几百℃的温度稳定性。应注意，在一种替代的实施形式中，对于棱边面以及对于连接件以及对于下侧分别使用不同类型的焊接停止剂。特别地，至少一种类型的焊接停止剂包括金属氧化物、优选由具有表面金属氧化物层的金属层组成的层系统。
通过第一半导体主体和第二半导体主体串联连接，当光入射到第一半导体主体和第二半导体主体的接收面上时光伏地产生的电压相加。申请人的研究已经表明，可以优选在用于产生电流的聚光装置中使用串联连接成一个阵列的半导体主体。在此，光转换器以接收面设置在聚集太阳光的光学器件的焦平面中。特别地，接收面朝入射太阳光的方向在镜装置上方设置在聚光装置的焦平面中并且光转换器与镜装置在机械上刚性耦合，从而在跟踪镜装置时一起引导光转换器。
附图说明
以下参照附图详细阐述本发明。在此，相同的部件设有相同的附图标记。示出的实施形式是非常示意性的，即距离以及横向延展和纵向延展均不是按比例的并且只要没有其他说明彼此也不具有可导出的几何关系。附图示出：
图1：光转换器的根据本发明的实施形式的示意性横截面；
图2：图1的光转换器的多个半导体主体的串联连接的第一实施形式的示意性俯视图；
图3：图1的光转换器的多个半导体主体的串联连接的第二实施形式的示意性俯视图。
具体实施方式
图1的示图示出光转换器10的示意性横截面，所述光转换器具有承载件20和第一半导体主体30，所述承载件具有正面和背面，所述第一半导体主体具有第一表面32，所述第一表面具有构造在所述第一表面32上的第一边缘面33、第一背侧面34和第一环绕的侧面38，所述第一背侧面具有构造在所述第一背侧面34上的第一背侧边缘面35，其中第一背侧面34设置在承载件20的正面上。此外设有第二半导体主体40，所述第二半导体主体具有第二表面42、第二背侧面44和第二环绕的侧面48，所述第二表面具有构造在所述第二表面42上的边缘面43，所述第二背侧面具有构造在所述第二背侧面44上的第二背侧边缘面45，其中第二背侧面44设置在承载件20的正面上。此外设有第三半导体主体50，所述第三半导体主体具有第三表面52、第三背侧面54和第三环绕的侧面58，所述第三表面具有构造在所述第三表面52上的第三边缘面53，所述第三背侧面具有构造在所述第三背侧面上的第三背侧边缘面55，其中第三背侧面54设置在承载件20的正面上。在第一表面32、第二表面42和第三表面52上，第一边缘面33、第二边缘面43和第三边缘面53环绕地构造(未示出)。此外，在第一背侧面34、第二背侧面44和第三背侧面54上，第一边缘面35、第二边缘面45和第三边缘面55环绕地构造(未示出)。
此外，第一表面32、第二表面42和第三表面52构造为光的接收面。特别地，半导体主体30、40和50是天阳能电池。
第一半导体主体30的第一表面32与第二半导体主体40的第二背侧面44借助于导电连接件60串联连接。此外，第二半导体主体40的第二表面42与第三半导体主体50的第三背侧面54借助于导电连接件60同样串联连接。由此在各个半导体主体的表面与背侧面之间光伏地产生的电压可以相加。
连接件60具有第一臂62和第二臂64，其中第一臂62设置在第一表面32上并且与第一表面32连接。第二臂64设置在第二背侧面44下方并且与第二背侧面44低欧姆地连接，为此，第二臂64至少部分地埋置在导电材料70中。此外，另一连接件60连接第二表面42与第三背侧面54。在此，所述另一连接件60的第二臂64设置在第三背侧面54下方。换句话说，借助于连接件60分别构造两个半导体主体之间的串联连接。申请人的研究已经表明，为了构造可靠的低欧姆连接有利的是，将第一臂与相应的表面32、42和52焊接并且由此实现与相应的表面32、42和52的低欧姆电连接。
优选构造为焊盘的导电材料70设置在第一背侧面34与第一导轨78之间、第二背侧面44与第二导轨80之间以及第三背侧面54与第三导轨82之间。所述导电材料一方面构造与相应的背侧面34、44和54的材料锁合连接而另一方面构造与分配给背侧面的导轨78、80和82的材料锁合连接。在此优选地，所述背侧面除窄的边缘面以外或者换句话说除边缘区域以外完全以导电材料70覆盖，以便实现相应的半导体主体的整个背侧面与所分配的导轨的几乎完全导热且尽可能低欧姆的连接。为了抑制以导电材料70的覆盖，各个半导体主体的相应的表面和相应的背侧面以及侧面上的边缘面特别地成形或构造。优选地，边缘区域和侧面具有电绝缘的、尤其构造为聚合物的停止剂或者焊接停止剂。通过抑制导电材料的覆盖，可以抑制在制造模块时以及在相应的半导体主体的相应表面与背侧面之间的焊接时的短路。
第一导轨78、第二导轨80和第三导轨82优选构造为承载件20的一部分并且借助于绝缘的中间条带彼此间隔开。在此，第一导轨78、第二导轨80和第三导轨82的纵轴线延伸到图平面中并且构造成沿着纵轴线容纳多个半导体主体或太阳能电池并且将它们尽可能低欧姆地彼此并联连接。导轨借助于连接件60和半导体主体彼此串联连接。
在图2中示出了图1的光转换器的多个半导体主体的串联连接的第一实施形式的示意性俯视图。以下仅仅阐述与在图1中示出的实施形式的不同。现在可以看到第一边缘面33、第二边缘面43和第三边缘面53环绕地构造在第一表面32、第二表面42和第三表面52上。相应的表面分别借助具有一个宽的第二臂63和三个梳形设置的第一臂62的连接件60低欧姆地与相邻的背侧面连接。三个第一臂62中的每一个在端部处具有焊接点，即与表面焊接在一起。为此，表面在第一臂的端部下方具有相应的金属面。
在图3中示出了图1的光转换器的多个半导体主体的串联连接的第二实施形式的示意性俯视图。以下仅仅阐述与在图2中示出的实施形式的不同。半导体主体的相应表面借助于条带状构造并且具有第一臂102和第二臂104的三个单个连接件100而不是单个宽连接件60与后面的背侧面低欧姆连接。第一臂102中的每一个具有焊接点，所述焊接点用于第一臂102与在下方设置在相应的表面上的金属面(未示出)的连接。
Claims (23)
1.一种光转换器，所述光转换器构造用于光的光伏转换，所述光转换器具有：
■具有正面和背面的承载件；
■具有第一表面(32)和第一背侧面(34)的第一半导体主体(30)，其中，所述第一背侧面(34)设置在所述承载件(20)的正面上；
■具有第二表面(42)和第二背侧面(44)的第二半导体主体(40)，其中，所述第二背侧面(44)设置在所述承载件(20)的正面上；
■所述第一半导体主体(30)的第一表面(32)与所述第二半导体主体(40)的第二背侧面(44)连接；
■所述第一表面(32)和所述第二表面(42)构造为光的接收面，
其特征在于，
所述承载件构造为电路板并且设有导电的连接件(60、100)，所述连接件具有第一臂(62、102)和第二臂(64、104)，并且所述第一臂(62、102)设置在所述第一表面上并且与所述第一表面(32)电连接，并且所述第二臂(64、104)设置在所述第二背侧面(44)下方并且与所述第二背侧面(44)电连接，其方式是，所述第二臂(64、104)至少部分地埋置在导电材料(70)中，并且所述导电材料(70)构造与所述第二背侧面(44)的材料锁合连接并且设置在所述第二背侧面(44)与第二导轨(80)之间，并且所述第二导轨(80)在所述承载件(20)的正面上构造为所述承载件(20)的一部分。
2.根据权利要求1所述的光转换器(10)，其特征在于，所述导电材料(70)全面积地覆盖所述第二背侧面(44)，并且构造有所述第二半导体主体(40)与所述导电材料(70)之间的材料锁合连接，并且构造有导电材料(70)与所述第二导轨(80)之间的材料锁合连接。
3.根据权利要求1或2所述的光转换器(10)，其特征在于，在所述第一臂(62、102)与所述第二臂(64、104)之间设有中间件，并且所述连接件(60、100)在横截面中基本上具有阶梯形构造。
4.根据权利要求1或2所述的光转换器(10)，其特征在于，所述连接件(60、100)具有梳形布置的多个第一臂(62、102)，并且所述第一臂(62、102)中的每一个构造为用于所述第一表面(32)的汇流器。
5.根据权利要求中1或2所述的光转换器(10)，其特征在于，所述第一臂(62、102)与所述第一表面(32)焊接，并且所述第二臂(64、104)与所述第二背侧面(44)焊接。
6.根据权利要求1或2所述的光转换器(10)，其特征在于，所述导电材料(70)包括焊料或导电聚合物。
7.根据权利要求1或2所述的光转换器(10)，其特征在于，所述连接件(60、100)一件式地构造，并且所述第二臂(64、104)至少部分埋置到焊盘中。
8.根据权利要求7所述的光转换器(10)，其特征在于，所述承载件(20)的表面在所述第一背侧面(34)的区域中具有第一导轨(78)，并且所述承载件(20)的表面在所述第二背侧面(44)的区域中具有第二导轨(80)，其中，所述第一导轨(78)与所述第二导轨(80)彼此间隔开。
9.根据权利要求8所述的光转换器(10)，其特征在于，所述导电材料(70)或所述焊盘构造在所述第一导轨(78)上。
10.根据权利要求7所述的光转换器(10)，其特征在于，所述第一背侧面(34)和所述第二背侧面(44)材料锁合地与所述焊盘连接。
11.根据权利要求7所述的光转换器(10)，其特征在于，所述第一背侧面(34)和所述第二背侧面(44)仅仅与一个单个焊盘和多个导电的连接件(60、100)连接，并且相应的焊盘的横向延展小于相应的半导体主体(30、40、50)的横向延展。
12.根据权利要求1所述的光转换器(10)，其特征在于，所述第一背侧面和所述第二背侧面在一个边缘区域中构造成：使得所述边缘区域不以焊料覆盖。
13.根据权利要求1或2所述的光转换器(10)，其特征在于，所述第一半导体主体(30)具有方形构造，并且所述第一半导体主体(30)的侧面设有焊接停止剂。
14.根据权利要求13所述的光转换器(10)，其特征在于，所述焊接停止剂在环绕的边缘区段中设置在所述第一表面(32)、所述第二表面(42)、所述第一背侧面和所述第二背侧面上。
15.根据权利要求13所述的光转换器(10)，其特征在于，所述连接件(60、100)在至少一侧上部分面积地以焊接停止剂涂覆。
16.根据权利要求13所述的光转换器(10)，其特征在于，所述焊接停止剂包括聚合物。
17.根据权利要求13所述的光转换器(10)，其特征在于，至少一种焊接停止剂包括金属氧化物。
18.根据权利要求1或2所述的光转换器(10)，其特征在于，所述第一半导体主体(30)和所述第二半导体主体(40)串联连接，从而当光入射到所述第一半导体主体(30)的和所述第二半导体主体(40)的接收面上时光伏地产生的电压相加。
19.根据权利要求13所述的光转换器(10)，其特征在于，所述焊接停止剂为电绝缘体。
20.根据权利要求13所述的光转换器(10)，其特征在于，所述连接件(60、100)部分面积地在下侧上以焊接停止剂涂覆。
21.根据权利要求13所述的光转换器(10)，其特征在于，至少一种焊接停止剂包括具有表面金属氧化物层的金属层。
22.一种根据权利要求1-21中任一项所述的光转换器(10)的应用，用在聚光装置中以产生电流。
23.根据权利要求22所述的光转换器(10)的应用，其特征在于，所述接收面设置在聚集太阳光的光学器件的焦平面中。
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