-
Die
Erfindung betrifft eine fotovoltaische Vorrichtung mit einer Mehrzahl
von fotovoltaischen Zellen, wobei eine fotovoltaische Zelle auf
einem Verbindungsband als Träger
angeordnet ist, welches eine elektrische Verbindung mit einer weiteren
fotovoltaische Zelle herstellt, und mit mindestens einem Kühlkörper, welcher
das Verbindungsband der fotovoltaischen Zellen hält.
-
Der
Artikel "Investigation
of high-concentration photovoltaic cell packages after three years
field service" von
R.H. Richman et al. in Solar Energy Materials and Solar Cells 30
(1993) 263–276
beschreibt Untersuchungsergebnisse an fotovoltaischen Zellpackungen
nach drei Jahren Felderprobung.
-
Die
US 3 562 020 offenbart eine
Solarzellen-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, welche ein Substrat mit einer isolierenden Oberfläche aufweist.
Es ist dabei ein Gitter eines elektrisch isolierenden Materials
vorgesehen, welches mit der isolierenden Oberfläche verbunden ist. Weiterhin
ist ein Gitter leitender Bereiche vorgesehen, welches mit der isolierenden
Oberfläche
verbunden ist. Solarzellen sind auf leitfähige Weise mit den leitenden
Bereichen verbunden und elektrische Leiter verbinden Solarzellen
miteinander.
-
Aus
der
DE 29 27 072 A1 ist
ein Konzentratorsolarzellen-Reihenbauteil bekannt, welches ein Metallsubstrat
aufweist, das als Wärmesenke
dient und eine planparallele Haltefläche aufweist; es ist ein Halbleiterdistanzstück vorgesehen
mit einer darin ausgebildeten Isolierschicht, wobei eine Halbleitersolarzelle
an seiner Rückseite
mit der Vorderseite des Distanzstücks durch ein Lötmittel
verbunden ist. Mit der Solarzelle sind Leitungen verbunden.
-
Aus
der
US 6 194 239 B1 ist
ein Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Diode bekannt.
-
Aus
der
DE 196 34 580
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von CIS-Bandsolarzellen
bekannt, bei dem in einem ersten Schritt ein Kupferband galvanisch
mit Indium beschichtet wird und in einem zweiten Schritt das mit
Indium beschichtete Kupferband aufgeheizt und einseitig in einem
schmalen Spalt mit erhitztem Schwefeldampf oder Selendampf in Kontakt
gebracht wird. In einem dritten Schritt wird selektiv die entstandene
Deckschicht aus Kupfersulphid ätztechnisch
entfernt. In einem vierten Schritt wird die Oberfläche der
CIS-Schicht mit
einer P-leitenden transparenten Kollektor- bzw. Anpasschicht aus
Kupferoxidsulfid versehen.
-
Aus
der
JP 02244772 A ist
ein Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Solarbatterien bekannt. Eine
p-i-n-Struktur wird auf einem leitfähigen flexiblen Substrat hergestellt
und helikal auf einen isolierenden Film aufgewickelt.
-
Fotozellen
aus halbleitendem Material weisen aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit des
inneren Fotoeffektes eine große
Abhängigkeit der
maximal erzielbaren elektrischen Leistung von der Betriebstemperatur
auf.
-
Der
Wirkungsgrad und die Leistungsdichte einer fotovoltaischen Zelle
lassen sich durch Beaufschlagung mit konzentriertem Sonnenlicht
beträchtlich
erhöhen.
Es werden dabei Konzentrationen im Bereich zwischen C = 2 bis C
= 100 technisch genutzt, wobei C = 1 unkonzentriertes Solarlicht
darstellt. Da aber durch die Konzentration, welche insbesondere
durch den Betrieb einer fotovoltaischen Zelle im Brennfleck eine
Linse erreicht wird, die Betriebstemperatur erhöht werden kann, besteht grundsätzlich die
Gefahr, daß die
Leistung verringert wird und damit der Gesamtwirkungsgrad wieder
herabgesetzt wird. Da Solaranlagen üblicherweise in eher heißen Gegenden
betrieben werden, kann dies ebenfalls zu einer Verschlechterung
des Wirkungsgrades über Temperaturerhöhung führen.
-
Der
eingangs genannten fotovoltaischen Vorrichtung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, diese derart zu verbessern, daß bei möglichst einfachem Aufbau ein
hoher Wirkungsgrad erreicht ist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
fotovoltaische Zelle direkt auf dem Verbindungsband aufgebracht
ist und daß das Verbindungsband über ein
Kunststoffnetz als Zwischenlage mittels einer Kleberschicht flächig mit
dem Kühlkörper verklebt
ist, wobei das Kunststoffnetz in die Kleberschicht eingebettet ist.
-
Eine
solche fotovoltaische Vorrichtung läßt sich auf einfache Weise
herstellen. Es läßt sich
eine gute Wärmeabfuhr
erreichen und zur Zerstörung
führende
mechanische Spannungen, verursacht durch Wärmespannungen, lassen sich
weitgehend vermeiden.
-
Mittels
der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich
die Wärmekapazität der Vorrichtung
gering halten. Weiterhin läßt sich
das Verhältnis
zwischen Wärmeabgabefläche und
Wärmeleitungsweg
verbessern, wobei Verbesserungen um einen Faktor 20 erzielt wurden.
Die Anforderungen an die Ebenheit von Oberflächen zwischen elektrischem
Verbinder und Kühlkörper, um
diese miteinander verbinden zu können,
lassen sich gering halten. Dadurch ist auch der Materialaufwand
für die
Herstellung einer fotovoltaischen Vorrichtung verringert.
-
Die
fotovoltaischen Zellen lassen sich direkt auf dem Verbindungsband
herstellen, welches gleichzeitig die Verbindung zu einer benachbarten
fotovoltaischen Zelle herstellt und die Zellen an dem Kühlkörper hält. Dadurch
lassen sich separate Halter für
fotovoltaische Zellen einsparen. Bei der Herstellung entfallen die
Schritte zur Herstellung einer Verbindung zwischen der fotovoltaischen
Zelle und einem elektrisch leitfähigen
Verbinder, da erfindungsgemäß die fotovoltaische
Zelle auf dem Verbindungsband aufgebracht ist und damit der elektrische
Kontakt direkt hergestellt ist.
-
Eine
Solarzelle läßt sich
dadurch auch biegbar, das heißt
im gewissen Rahmen flexibel, ausbilden, so daß die Gefahr von Zerstörung durch
Spannungen aufgrund zu großer
Sprödigkeit
der Vorrichtung verringert ist und die Verbindungsherstellung erleichtert
ist.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
läßt sich damit
auch in strahlungskonzentrierenden Systemen mit Strahlungskonzentrationen
beispielsweise zwischen C=20 und C=80 einsetzen, wodurch wiederum der
apparative Aufwand zur insbesondere exakten zweiachsigen Nachführung der
Vorrichtung zur Sonne hin im Verlauf eines Tages verringert ist.
-
Wenn
eine fotovoltaische Zelle direkt auf dem Verbindungsband aufgebracht
ist, dann müssen keine
Zwischenschichten oder dergleichen vorgesehen werden und entsprechend
entfallen auch die sonst erforderlichen zusätzlichen Verbindungsschritte.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Träger flächig mit einem Kühlkörper verbunden
ist. Dadurch läßt sich
auf eine separate thermisch leitende und elektrisch isolierende
Wärmeüberträgerplatte samt
Haltern und Befestigungselementen verzichten, wobei auch die entsprechenden
sonst erforderlichen Produktionsschritte einsparbar sind. Durch
eine entsprechende geringe Wärmekapazität der Vorrichtung läßt sich
eine große
Reaktionsschnelligkeit des Wärmeübertragungssystems
erreichen, wodurch sich wiederum eine effektive Wärmeabfuhr
von den fotovoltaischen Zellen weg zur Erhöhung deren Wirkungsgrades erreichen
läßt. Darüber hinaus
lassen sich auch ohmsche Wärmeverluste
aufgrund von Stromleitung aus dem Verbindungsband über den Kühlkörper abführen und
an die Umgebung abgegeben. Dadurch wiederum sind Wärmespannungen
in den fotovoltaischen Zellen und in der Verbindung Verbindungsband – fotovoltaische
Zelle vermieden.
-
Die
fotovoltaische Zelle ist mittels eines dünnschichttechnologischen Verfahrens
wie einem epitaktischen Verfahren oder DVD-Verfahren auf dem Verbindungsband
aufgebracht. Auf diese Weise erhält
man eine direkte Produktion der fotovoltaischen Zelle auf dem Verbindungsband
mit einer dünnen
Ausbildung der Schichten der fotovoltaische Zelle. Dadurch wiederum
läßt sich
diese biegbar ausbilden, um so insbesondere eine Flexibilität zu erreichen,
bei der die sonst durch eine mechanische Sprödigkeit verursachten Probleme
vermieden sind.
-
Weiterhin
ist es günstig,
wenn das Verbindungsband einstückig
ausgebildet ist, um so auf einfache Weise ohne Zwischenschritte
elektrische Verbindungen zwischen benachbarten fotovoltaische Zellen
herstellen zu können.
-
Insbesondere
ist es vorgesehen, daß das Verbindungsband
eine p-Schicht/n-Schicht
einer fotovoltaischen Zelle mit einer n-Schicht/p-Schicht einer
weiteren fotovoltaischen Zelle verbindet, so daß dadurch eine Hintereinanderschaltung
der fotovoltaischen Spannungszellen erreicht ist.
-
Günstig ist
es, wenn das Verbindungsband mit der weiteren fotovoltaischen Zelle
verklebt ist, wobei der Kleber zur Verklebung ein elektrisch leitfähiger und
thermisch leitfähiger
Kleber ist. Auf diese Weise läßt sich
ein elektrischer Kontakt zwischen benachbarten fotovoltaischen Zellen
herstellen wie auch zu einer Bypassdiode.
-
Es
ist vorgesehen, daß das
Verbindungsband mit der weiteren fotovoltaischen Zelle mit einer dem
oder den Kühlkörpern abgewandten
Oberfläche dieser
weiteren fotovoltaischen Zelle verbunden ist. Dadurch läßt sich
eine Hintereinanderschaltung von Spannungsquellen erreichen, wobei
die Verbindung auf einfache Weise herstellbar ist.
-
Wenn
das Verbindungsband mit der weiteren fotovoltaischen Zelle an einem
Randbereich oder nahe eines Randbereichs dieser weiteren fotovoltaischen
Zelle verbunden ist, dann ist sichergestellt, daß diese weitere fotovoltaische
Zelle mit einer genügend
großen
Strahlungskonzentration beaufschlagbar ist, das heißt daß der Verbindungsbereich
des Verbindungsbandes mit dieser weiteren fotovoltaischen Zelle
diese nicht wesentlich abschattet.
-
Vorteilhafterweise
ist ein Träger über eine Zwischenlage
mit einem Kühlkörper elektrisch
isolierend und thermisch leitend verbunden. Es wird dabei dann dafür gesorgt,
daß zum
einen die elektrische Verbindung zwischen fotovoltaische Zellen
durch die flächige
Verbindung des Trägers
mit dem Kühlkörper nicht
gestört
wird, während
andererseits für
den Wärmeübergang
durch Wärmeabfuhr
gesorgt ist.
-
Die
Zwischenlage und/oder eine Kleberschicht sind dabei günstigerweise
so ausgebildet, daß ein
elektrischer Durchschlag erst bei Spannungen oberhalb von mindestens
500 V eintritt, um für eine
genügend
große
elektrische Isolierung zwischen dem Verbindungsband und dem Kühlkörper zu
sorgen.
-
Bei
einer Variante eines Ausführungsbeispiels
ist ein Träger
mittels einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden und thermisch
leitenden Material an einem Kühlkörper verklebt.
Diese elektrische Isolatorschicht mit guten thermischen Eigenschaften ist
insbesondere auf einer dem Kühlkörper zugewandten
Oberfläche
des Verbindungsbands aufgebracht.
-
Die
erfindungsgemäße fotovoltaische
Vorrichtung ist auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar, wenn
die Zwischenlage durch ein Kunststoffnetz gebildet, welches insbesondere
in einer Kleberschicht eingebettet ist und als Abstandshalter zwischen
dem Verbindungsband und dem Kühlkörper dient.
In der Praxis hat es sich gezeigt, daß groblöchrige Kunststoffnetze, wie
sie beispielsweise beim Verputzen von Wänden mit Kunststoffputz eingesetzt werden,
für diesen
Zweck hervorragend geeignet sind.
-
Insbesondere
die Herstellung der erfindungsgemäßen fotovoltaischen Vorrichtung
läßt sich dadurch
erleichtern, wenn das Verbindungsband mittels des thermisch leitfähigen Klebers
mit einem Kühlkörper verklebt
ist. Der Kleber hat dabei insbesondere elektrisch isolierende Eigenschaften.
-
Zur
Ausbildung eines Solarmoduls ist günstigerweise eine Anordnung
mindestens der fotovoltaischen Vorrichtung in einem Gehäuse vorgesehen.
-
Weiterhin
sind ein oder mehrere Lichtkonzentrationslinsen vor den fotovoltaischen
Zellen angeordnet, wobei beispielsweise nicht abbildende Fresnel-Linsen aus Kunststoff
einsetzbar sind.
-
Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer fotovoltaischen
Vorrichtung mit einer Mehrzahl von fotovoltaischen Zellen.
-
Es
ist dabei die Aufgabe zugrunde gelegt, ein solches Verfahren zu
schaffen, mit dem die fotovoltaische Vorrichtung auf einfache Weise
herstellbar ist, wobei die Gesamtvorrichtung einen hohen Wirkungsgrad
aufweist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß eine
fotovoltaische Zelle durch ein dünnschichttechnologisches
Verfahren direkt auf ein elektrisch leitendes Verbindungsband aufgebracht wird
und das Verbindungsband über
ein Kunststoffnetz als Abstandshalter mit einem Kühlkörper mit
einem thermisch leitfähigen
Kleber flächig
verklebt wird, wobei das Kunststoffnetz in den Kleber eingebettet
wird, und wobei Verbindungsband und Kühlkörper relativ zueinander elektrisch
isoliert sind.
-
Bei
diesem Verfahren lassen sich gegenüber den aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren eine Vielzahl von Zwischenschritten einsparen
und darüber
hinaus lassen sich auch noch die für diese Zwischenschritte erforderlichen
Materialien einsparen.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
-
Zwischen
dem Kühlkörper und
dem Verbindungsband wird ein Kunststoffnetz als Abstandshalter angeordnet,
wobei dieses Kunststoffnetz insbesondere in einer Kleberschicht
eingebettet ist. Dadurch sind geringe Anforderungen an die Ebenheit
einer Oberfläche
des Kühlkörpers und
auch an die dieser Oberfläche
zugewandten Fläche
des Verbindungsbandes gestellt, so daß hier wiederum die Herstellung
vereinfacht ist. Darüber
hinaus läßt sich
ein guter Wärmetransport
erreichen, um so Wärme
von den fotovoltaische Zellen abführen zu können.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erläutert.
-
Die
nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient im Zusammenhang mit
der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung der Elektrizitätserzeugung mittels einer fotovoltaischen Vorrichtung;
-
2 eine
schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen fotovoltaischen Vorrichtung;
-
3 eine
seitliche Schnittansicht eines fotovoltaischen Elements auf einem
Kühlkörper und
-
4 eine
Draufsicht auf die Anordnung gemäß 3.
-
In
einem Fotovoltaikfeld, welches in 1 als Ganzes
mit 10 bezeichnet ist und welches eine Anordnung von fotovoltaischen
Vorrichtungen 12 umfaßt,
läßt sich über Solarstrahlung 14 elektrische
Energie erzeugen. Diese wird in wiederaufladbaren Batterien 16 gespeichert
und bei Bedarf an eine Last abgegeben.
-
Eine
fotovoltaische Vorrichtung 12 umfaßt, wie in 2 schematisch
gezeigt, ein Gehäuse 18,
in welchem ein oder mehrere Solarpaneele 20 angeordnet
sind. Ein solches Solarpaneel 20 umfaßt dabei eine Mehrzahl von
fotovoltaischen Zellen 22 (3 und 4).
In dem Gehäuse 18 sind
die fotovoltaischen Zellen 22 vor Umgebungseinflüssen geschützt.
-
Zur
Konzentration der Solarstrahlung 14 auf die fotovoltaischen
Zellen 22 eines Solarpaneels 20 in dem Gehäuse 18 ist
vor einem Solarpaneel 20 eine Lichtkonzentratorlinse 24 angeordnet,
welche beispielsweise eine Mehrzahl von nicht abbildenden Fresnel-Linsen
umfaßt.
Diese Lichtkonzentratorlinse 24 ist insbesondere aus einem
Kunststoffmaterial gefertigt und dient auch als Abdeckung für das Gehäuse 18.
Zwischen dem Gehäuse 18 und
der Lichtkonzentratorlinse 24 ist dabei eine Dichtung 26 angeordnet.
-
In
dem Gehäuse 18 ist
ein Solarpaneel 20 auf einem Kühlkörper 28 positioniert,
welche insbesondere aus einem metallischen Material gefertigt ist und
als Wärmeaustauscher
dient, welcher Wärme von
den fotovoltaischen Zellen 22 abführt und an die Umgebung abgibt.
-
Bei
einer typischen fotovoltaischen Zelle aus einem halbleitenden Material
wie Silizium ist der durch eine Last fließende, von der Zelle erzeugte Strom
abhängig
von der Lichtbestrahlungsstärke, wobei
die Leerlaufspannung vom verwendeten Grundmaterial und den Dotierungsmaterialien
der entsprechenden halbleitenden Schichten abhängt. Je höher der Strom durch die Last
ist, desto geringer ist dabei die Betriebsspannung und für jede Lichtbestrahlungsstärke gibt
es eine Strom-Spannungs-Kennlinie mit einem Punkt maximaler Leistung.
Der innere Fotoeffekt einer fotovoltaischen Zelle, welcher zu der
Ladungstrennung und damit zur Spannungserzeugung führt, ist
stark temperaturabhängig,
so daß beispielsweise
bei gleichbleibender Bestrahlungsstärke die maximale Leistung umso
geringer ist, je höher
die Betriebstemperatur der fotovoltaischen Zelle ist. Wird eine
maximale Betriebstemperatur überschritten,
so kann dies zu einer irreversiblen Zerstörung der fotovoltaischen Zelle
führen. Bei
Silizium-Zellen liegt diese Temperatur im Größenbereich von etwa 130°C.
-
Bei
Betrieb der fotovoltaischen Zellen mit konzentriertem Sonnenlicht über die
Lichkonzentratorlinse 24 kann der Wirkungsgrad aufgrund
höherer Quantenausbeute
grundsätzlich
wesentlich erhöht werden.
Dadurch steigt jedoch auch die Betriebstemperatur der fotovoltaischen
Zelle; dieser gegensätzliche
Effekt kann, wie oben ausgeführt,
trotz erhöhter Strahlungskonzentration
zu einer Verringerung des Wirkungsgrades führen. Durch eine effektive
Wärmeabfuhr über den
Kühlkörper 28 läßt sich
dieser Verschlechterung des Wirkungsgrades erfindungsgemäß entgegenwirken.
Dies wird unten stehend noch anhand der 3 und 4 erläutert.
-
Es
kann vorgesehen sein, daß an
einer Außenseite
des Gehäuses 18 außerhalb
der Lichtkonzentratorlinse 24 und der Außenseite
des Kühlkörpers 28 ein
Reflektorschild 30 angeordnet ist, welches Solarstrahlung
von der fotovoltaischen Vorrichtung 12 weg reflektiert
und somit eine Aufheizung des Gehäuses 18 verhindert
und ebenfalls eine Aufheizung des Kühlkörpers 28 verhindert.
Beispielsweise ist das Reflektorschild 30 aus Aluminium
gefertigt.
-
Zwischen
dem Gehäuse 18 und
dem Kühlkörper 28 ist
eine Dichtung 32 angeordnet.
-
Der
Kühlkörper 28 ist
selber an einer Trägerstruktur 34 gehalten.
-
Eine
fotovoltaische Zelle 22 umfaßt, wie in 3 gezeigt,
zwei aufeinanderfolgende Schichten 36, 38 aus
einem halbleitenden Material; beispielsweise ist die Schicht 38 eine
p-leitende, entsprechend dotierte Siliziumschicht und die Schicht 38 eine
n-leitende Siliziumschicht. Die obere Schicht 38 ist dabei
lichttransparent, während
die untere Schicht 36 undurchsichtig ist. Bei Bestrahlung
mit Solarstrahlung 14 von der Schicht 38 her findet
eine Ladungstrennung über
die Trennschicht durch den inneren Fotoeffekt statt, so daß eine extern
abgreifbare Spannung zwischen den Schichten 36 und 38 erzeugt wird.
Bei der Verbindung mit einem elektrischen Verbraucher fließt ein Laststrom.
-
Die
fotovoltaische Zelle 22 ist über ein dünnschichttechnologisches Verfahren
wie epitaktisches Aufwachsen, Abscheiden aus der Gasphase (DVD), oder
plasmagestützte
Verfahren wie PVD (Plasma Vapour Deposit), APS (Atmosphärisches
Plasmaspritzen) oder VPS (Vakuum-Plasmaspritzen) hergestellt.
-
Eine
solche in Dünnschichttechnik
hergestellte fotovoltaische Zelle 22 läßt sich mit einer Dicke von
größenordnungsmäßig beispielsweise
25 μm bis 50 μm herstellen.
Solche dünnen
fotovoltaischen Zellen 22 weisen gegenüber dickeren Zellen eine reduzierte
Wärmekapazität auf, sind
biegbar, so daß sie besser
an die Oberfläche
eines Trägersubstrats
anpaßbar
sind, ohne daß sehr
hohe Anforderungen an die Ebenheit des Trägersubstrats besteht und darüber hinaus
läßt sich
noch das Verhältnis
zwischen Wärmeabgabefläche und
Wärmeleitungsweg
stark verbessern. Es hat sich gezeigt, daß sich das genannte Verhältnis um
einen Faktor 20 verbessern läßt. Darüber hinaus
ist auch der Materialaufwand zur Herstellung einer fotovoltaischen
Zelle 22 verringert.
-
Die
fotovoltaische Zelle 22 ist auf einem Verbindungsband 40 als
Träger
direkt aufgebracht, das heißt
zwischen der halbleitenden Schicht 36 und dem Verbindungsband 40 liegt
keine weitere Zwischenschicht. Das Verbindungsband 40 ist
aus einem elektrisch leitenden und thermisch leitenden Material
hergestellt und insbesondere aus einem Metall hergestellt. Es ist
flach ausgebildet mit einer Dicke von beispielsweise in der Größenordnung
500 μm.
Geeignete Materialien sind Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan oder
dergleichen.
-
Durch
das Verbindungsband 40 mit der aufgebrachten Fotozelle 22 ist
ein fotovoltaisches Element 43 gebildet.
-
Mittels
des Verbindungsbandes 40 läßt sich eine elektrische Verbindung
zu einer benachbarten fotovoltaischen Zelle 42 herstellen,
um so die Spannungsquelle der erfindungsgemäßen fotovoltaischen Vorrichtung 12,
nämlich
die fotovoltaischen Zellen, miteinander zu koppeln, und zwar in
Reihe zu schalten.
-
Beispielsweise
ist es vorgesehen, daß ein Modul
der fotovoltaischen Vorrichtung 12 acht fotovoltaische
Zellen umfaßt,
welche jeweils über
Verbindungsbänder 40 miteinander
in Reihe geschaltet sind.
-
Zur
Kopplung mit der benachbarten fotovoltaischen Zelle 42 ist
das Verbindungsband 40 zu dieser geführt, wobei eine Führungsrichtung
bis in den Bereich der benachbarten fotovoltaischen Zelle 42 im wesentlichen
parallel zu dem Kühlkörper 28 erfolgt. Das
Verbindungsband 40 ist dann über einen bogenförmigen Bereich 44 mit
der zur Schicht 36 reziprok dotierten Schicht elektrisch
verbunden. Beispielsweise ist über
das Verbindungsband 40 die Schicht 36, wenn es
sich um eine p-Schicht handelt, mit einer n-Schicht 46 der
benachbarten fotovoltaischen Zelle 42 verbunden. Im alternativen
Fall, wenn die Schicht 36 eine n-Schicht ist, ist die Schicht 46 eine p-Schicht.
-
Die
fotovoltaische Zelle 42 ist dabei gleich ausgebildet wie
die fotovoltaische Zelle 22, das heißt sie ist wiederum über ein
dünnschichttechnologisches
Verfahren auf einem Verbindungsband angeordnet, welches wiederum
die fotovoltaische Zelle 42 mit einer weiteren benachbarten
fotovoltaischen Zelle verbindet.
-
Die
elektrische Kopplung der fotovoltaischen Zelle 42 an die
fotovoltaische Zelle 22 über das Verbindungsband 40 erfolgt über eine
Kleberschicht 48 aus einem elektrisch leitfähigen und
thermisch leitfähigen
Kleber. Typische Schichtdicken liegen in der Größenordnung von ca. 100 μm. Es hat
sich als günstig
erwiesen, als Kleber zweikomponentige Epoxyharze einzusetzen, die insbesondere
einen erhöhten
Kupferanteil oder Aluminiumanteil zur Sicherung der elektrischen
und thermischen Leitfähigkeit
enthalten.
-
Die
fotovoltaischen Zellen 22 und 42 sind vorzugsweise
kreisförmig
ausgestaltet, das heißt
die Schichten 36 und 38 sind kreisförmig auf
das Verbindungsband 40 als Träger aufgebracht. Im Bereich
der fotovoltaischen Zelle 42 ist dann das Verbindungsband 40 ringförmig ausgestaltet
mit einer ringförmigen
Kontaktfläche 50,
welche über
die Kleberschicht 48 mit der Schicht 46 der fotovoltaischen
Zelle 42 verklebt ist. Dadurch ist zum einen der elektrische und
thermische Kontakt mittels des Verbindungsbandes 40 zwischen
den beiden fotovoltaischen Zellen 22 und 42 hergestellt,
und zum anderen ist ein kreisförmiger
Innenbereich 52 gebildet, über den Solarstrahlung auf
die Schicht 46 treffen kann. Die strahlungsaktive Fläche der
fotovoltaischen Zelle 42 (und entsprechend auch der fotovoltaischen
Zelle 22) ist damit durch die Fläche der Schicht 46 abzüglich der Kontaktfläche 50 gebildet.
-
Das
Klebermaterial für
die Schicht 46 ist dabei insbesondere so gewählt, daß eine flexible
Verbindung zwischen dem Verbindungsband 40 und der fotovoltaischen
Zelle 42 herstellbar ist, um zum einen die Herstellung
zu vereinfachen und um zum anderen auch bei thermischer Belastung
Wärmedehnungen und
Wärmespannungen
kompensieren zu können. Eine
Breite des Verbindungsbandes 40 quer zu einer Längsrichtung 41 entspricht
dabei im wesentlichen der entsprechenden Breite der fotovoltaischen
Zelle 22.
-
Das
Verbindungsband 40 ist flächig mit dem Kühlkörper 28 verbunden,
damit effektiv Wärme
von den fotovoltaischen Zellen 22, 42 abgeführt werden kann.
-
Bei
einer Variante einer Ausführungsform
ist dabei das Verbindungsband 40 rückwärtig, dem Kühlkörper 28 zu, mit einem
thermisch leitfähigen aber
elektrisch isolierenden Material beschichtet. Diese Zwischenlage 54 dient
also dazu, das Verbindungsband 40 elektrisch von dem Kühlkörper 28 zu trennen,
jedoch die Wärmeabfuhr
von den fotovoltaischen Zellen 22, 42 über den
Kühlkörper 28 sicherzustellen.
Diese Zwischenlage 54 weist beispielsweise eine Schichtdicke
von ca. 100 μm
auf und das Material ist so gewählt,
daß die
Durchschlagspannung mindestens 500 V beträgt.
-
Das
Verbindungsband 40 ist dabei wiederum über die Zwischenlage 54 mittels
einer Kleberschicht 56 flächig mit dem Kühlkörper 28 verklebt.
Diese Kleberschicht weist beispielsweise eine Schichtdicke in der
Größenordnung
von 100 μm
auf und ist mittels eines thermisch leitfähigen aber elektrisch isolierenden Klebematerials
gebildet. Auch hier haben sich Zwei-Komponenten-Epoxyharze als geeignet erwiesen.
-
Die
Zwischenlage 54 ist mittels eines Kunststoffnetzes gebildet,
welches in die Kleberschicht 56 eingebettet ist. Dieses
Kunststoffnetz wirkt dann als Abstandshalter, wobei keine separate
Schicht auf die Rückseite
des Verbindungsbandes 40 mehr aufgedampft werden muß. Als geeignet
haben sich Kunststoffnetze erwiesen, welche grobgelöchert sind
und beispielsweise beim Verputzen von Wänden mittels Kunststoffputz
eingesetzt werden.
-
Bei
der Verwendung des Kunststoffnetzes als Zwischenlage 54 unter
Einbettung in die Kleberschicht 56 gewährleistet dann der Kleber und
gegebenenfalls das Material des Kunststoffnetzes die Wärmeabfuhr
von der fotovoltaischen Zelle 22 über das Verbindungsband 40 in
den Kühlkörper 28.
Darüber
hinaus lassen sich ohmsche Wärmeverluste
in dem Verbindungsband 40 über den Kühlkörper 28 abführen. Weiterhin
können
dadurch Wärmespannungen
in der fotovoltaischen Zelle 22 vermieden werden.
-
Durch
die erfindungsgemäße Direktanordung
der fotovoltaischen Zellen auf zugeordneten Verbindungsbändern 40 zur
Bildung von fotovoltaischen Elementen 43 und die flächige elektrisch
isolierende aber thermisch leitfähige
Verbindung mit dem Kühlkörper 28 ist
gewährleistet,
daß ein
System Fotovoltaische Zelle 22 – Kühlkörper 28 schnell auf Temperaturänderungen
und Änderungen
der Einstrahlungsbedingungen reagiert. Neben der Einsatzmöglichkeit
bei hohen Betriebstemperaturen bei dem Betrieb mittels konzentrierter
Solarstrahlung 14 (über Lichtkonzentratorlinsen 24),
kann die erfindungsgemäße fotovoltaische
Vorrichtung 12 auch bei niedrigeren Betriebstemperaturen
betrieben werden, da ein Minimum an Komponenten zum Aufbau eines
Solarpaneels 20 vorgesehen werden muß und damit Wärmeübergangswiderstände im Vergleich
zu bekannten fotovoltaischen Modulen gesenkt sind. Dieser Vorteil
wird noch dadurch verstärkt,
daß sich durch
die dünnschichttechnologische
Direktanordnung der fotovoltaischen Zellen 22 auf dem Verbindungsband 40 eine
Schichtdickenreduktion gegenüber
bekannten Systemen erreicht ist, wobei sich das Verbindungsband 40 ebenfalls
mit verhältnismäßig geringer
Dicke ausbilden läßt. Die
erfindungsgemäße fotovoltaische
Vorrichtung 12 weist somit eine hohe Reaktionsschnelligkeit
gegenüber
Leistungsänderungen
auf, wozu wesentlich auch die verringerte Wärmekapazität der Gesamtvorrichtung beiträgt.
-
Ein
erfindungsgemäßes Solarpaneel 20 wird wie
folgt hergestellt:
Auf ein Verbindungsband 40 wird
eine fotovoltaische Zelle 22 direkt über ein dünnschichttechnologisches Verfahren
wie epitaktisches Aufwachsen oder DVD aufgebracht. Das Verbindungsband 40 wird
dann, mit einem Kunststoffnetz als Zwischenlage, über die
Kleberschicht 56 aus einem elektrisch isolierenden aber thermisch
leitfähigen
Klebematerial flächig
mit dem Kühlkörper 28 verbunden. Über den
Biegebereich 44 und die Kontaktfläche 50 wird dann das
Verbindungsband 40 mit einer gleich hergestellten und ebenfalls über eine
Kleberschicht an dem Kühlkörper fixierten benachbarten
fotovoltaischen Zelle 42 verbunden, wobei dies durch Verklebung
mittels einer Kleberschicht 48 an der Kontaktfläche 50 erfolgt.
Auf diese Weise läßt sich
sukzessiv ein Solarpaneel 20 mit einer Mehrzahl von fotovoltaischen
Zellen, beispielsweise acht fotovoltaischen Zellen, ausbilden. Diese entsprechende
Anordnung wird dann mit dem Gehäuse 18 versehen
bzw. in diesem angeordnet.