DE102008012335A1

DE102008012335A1 - Solarzellenempfänger mit einer isolierten Beipassdiode

Info

Publication number: DE102008012335A1
Application number: DE102008012335A
Authority: DE
Inventors: Lu Albuqerque Fang
Original assignee: Emcore Corp
Current assignee: Suncore Photovoltaics Inc
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2009-03-05
Also published as: ITMI20080476A1; US8088992B2; CN101378086A; ES2362293A1; US20090032093A1; KR101046699B1; CN101378086B; US7671270B2; US20100139752A1; ES2362293B1; KR20090023025A

Abstract

mit einer oder mehreren III-V-Verbindungs-Halbleiterschichten, eine Diode, gekoppelt in parallel mit der Solarzelle und betreibbar um in Vorwärtsrichtung vorgespannt zu werden, in Fällen wo die Solarzelle nicht oberhalb der Schwellenspannung erzeugt, wobei ferner ein Überzug vorhanden ist, der im Wesentlichen die Diode einkapselt und eine Unterbeschichtung vorhanden ist, die im Wesentlichen jedweden Luftspalt zwischen der Anode und der Kathode der Diode eliminiert, und wobei schließlich ein Verbinder vorgesehen ist, und zwar geeignet zum Koppeln bzw. Verbinden mit anderen Solarzellenempfängern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung bezieht sich auf einen Solarzellenempfänger mit einer isolierten Bypass-Diode.
VERWANDTE TECHNIK
Typischerweise ist eine Vielzahl von Solarzellen in einer Anordnung oder auf einem Panel bzw. einer Platte angeordnet, und ein Solarzellenenergiesystem weist typischerweise eine Vielzahl von derartigen Panels auf. Die Solarzellen in jedem Panel sind normalerweise in Serie verbunden und die Panels in einem gegebenen System sind ebenfalls in Serie verbunden, wobei jedes Panel zahlreiche Solarzellen besitzt. Die Solarzellen in jedem Panel könnten alternativ parallel angeordnet sein.
Historisch gesehen, wurde die Solarleistung (sowohl im Weltraum als auch auf der Erde) vorherrschend durch Siliziumsolarzellen geliefert. In den letzten Jahren jedoch hat es die mit einem hohen Volumen erfolgende Herstellung von hocheffizienten "multi-junction" Solarzellen ermöglicht, dass diese alternative Technik für die Leistungserzeugung verwendet wird. Einige derzeitige multi-junction Zellen besitzen Energiewirkungsgrade oder Energieeffizienzen die 27% übersteigen, wohingegen die Siliziumtechnologie im Allgemeinen nur ungefähr 17% Effizienz erreicht.
Allgemein gesagt, besitzen multi-junction Zellen eine n-auf-p Polarität und bestehen aus InGaP/(In)GaAs III-V Verbindungen. Die III-V verbindungshalbleiter-multi-junction-Solarzellschichten können auf Ge-Substraten über metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) erzeugt werden. Die epi-Wafer (epitaxische Wafer) können in vollständige Vorrichtungen ver arbeitet werden, und zwar durch robotermäßige Photolithographie-, Metallisierungs-, chemische Reinigungs- und Ätzungs-Antireflektions-(AR) Beschichtungs-, Dicing- und Testverfahren. Die n- & p-Kontaktmetallisierung sieht typischerweise vorherrschend Ag vor, und zwar mit einer dünnen Au-Kappenschicht (Au-Cap-Schicht bzw. Deckschicht), um das Ag gegenüber Oxidation zu schützen. Die AR-Beschichtung ist im Allgemeinen ein Zwei-Schicht TiO /Al₂O₃ dielektrischer Stapel (stack), dessen spektrale Reflektionscharakteristika derart ausgelegt sind, dass die Reflektion an der Abdeckglas-Zwischenverbindungszelle (CIC = coverglass-interconnect-cell) oder Solarzellenanordnung(SCA = solar cell assembly)-Pegel minimiert wird und auch die Ende-der-Lebensdauer(EOL = end-of-life)-Leistungsfähigkeit der Zellen maximiert wird.
In einigen multi-junction Zellen ist die mittlere Zelle eine InGaAs-Zelle, im Gegensatz zu einer GaAs-Zelle. Die Indium-Konzentration kann im Bereich von ungefähr 1,5% für die InGaAs-Mittelzelle liegen. Bei einigen Ausführungen zeigt eine derartige Anordnung erhöhte Effizienz.
Unabhängig von der verwendeten Zellenbauart besteht ein bekanntes Problem bei Solarenergiesystemen darin, dass einzelne Solarzellen beschädigt oder durch eine Obstruktion beschädigt oder beschattet werden können. Beispielsweise kann unter ungünstigen Umgebungsbedingungen sich ein Schaden infolge der Belichtung einer Solarzelle ergeben. Die Stromführungskapazität eines Panels mit einer oder mehreren geschädigten oder beschatteten Solarzellen wird reduziert und die Ausgangsgröße von anderen, in Serie mit diesem Panel liegenden Panels, spannen die geschädigten oder beschatteten Zellen in Umkehrrichtung vor. Die Spannung an der beschädigten oder beschatteten Zelle steigt somit mit umgekehrter Polarität an, bis die volle Ausgangsspannung sämtlicher Panels in Serie an den geschädigten oder beschatteten Zellen in der betreffenden Panels anliegt. Dies bewirkt, dass die beschädigten oder beschatteten Zellen zugrunde gehen.
Ein typisches Solarzellensystem besitzt tausende von Solarzellen, und die Spannungsausgangsgröße ist normalerweise im Bereich von hunderten von Volt, und die Stromausgangsgröße liegt im Bereich von Zehnern von Ampere. Bei diesen Ausgangsleistungspegeln besteht die Tendenz, wenn die Solarzellenanschlüsse nicht geschützt sind, dass eine nicht kontrollierbare elektrische Entladung in der Form von Funken auftritt, wobei dies eine Schädigung der Solarzellen und des gesamten Systems zufolge haben kann.
US-Patent 6,020,555 beschreibt ein Solarzellensystem, bestehend aus Panels, deren jede Mehrfach- oder Multiple-Solarzellen aufweist, wobei jede Solarzelle mit einer Diode ausgestattet ist, die zwischen deren positive und negative Anschlüsse geschaltet ist. Das Vorsehen von Dioden, typischerweise Schottky-Bypass-Dioden, sieht einen gewissen Schutz der Solarzellen gegenüber nicht steuerbaren elektrischen Entladungen, wie oben erwähnt, vor. Unglücklicherweise jedoch eliminiert der zwischen den Anschlüssen jeder der Dioden verbliebene Spalt nicht die Risiken der Funkenbildung und des Kurzschlusses, was dann noch immer auftreten kann, wenn Feuchtigkeit oder Fremdkörper den Luftspalt einer solchen Diode überbrücken. Obwohl die Luft ein dielektrisches Medium ist, besitzt sie eine niedrige elektrische Festigkeit, was bedeutet, dass dann wenn ein elektrisches Feld an einem Luftspalt ungefähr 3 mv/m erreicht, der elektrische Strom über den Luftspalt springen kann und eine Entladung in der Form von Funken hervorruft. Dies wird als ein Durchbruch des dielektrischen Mediums bezeichnet.
Ein weiterer Nachteil des im US-Patent 6,020,555 beschriebenen Solarzellensystems besteht in der Unfähigkeit, die Wärmeverteilung der Bypass-Diode zu managen. In einem gegebenen Augenblick, wenn die Solarzelle "bypassed" ist, so wird die zugehörige Diode (unter der Annahme eines Standardsystems wie dies bei 600 bis 1000 V, 10 A betrieben wird) 6000 bis 1000 Watt elektrischer Leistung leiten, wobei ein Teil davon als thermische Energie abgestrahlt wird. Unter der Berücksichtigung der kleinen Größe dieser Dioden wird die Betriebslebensdauer beträchtlich dann verkürzt, wenn die Wärme nicht gut gemanagt wird. Ein solcher Nachteil ist von noch größerer Bedeutung dann, wenn das Solarsystem beispielsweise in Verbindung mit einem Satelliten verwendet wird, und ist daher nicht "im Feld reparierbar". Darüber hinaus sind passive Kühlungen unter Verwendung von Wärmesenken (heat sink) oder dergleichen Gewichtserhöhung kostspielig sowohl hinsichtlich der Materialien als auch der Herstellung bzw. des Zusammenbaus. Die aktive Kühlung, die effektiv hinsichtlich des Managens der durch die Dioden erzeugten Wärme ist, ist sehr kostspielig und schwer und verbraucht eine beträchtliche Menge der Energie, die das Solarzellensystem erzeugt.
Ein weiterer Nachteil von bekannten Solarzellenempfängern ist der, dass aufgrund der Tatsache, dass ein Empfänger der 10 Watt Leistung bei 1000 Volt für eine längere Zeitperiode ist oder über zwanzig Jahre erzeugt, in der Gefahr schwebt, dass elektrische Funkenbildung an den elektrischen Klemmen auftritt, die einen Empfänger eines Solarzellensystems mit benachbarten Empfängern verbinden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung zum Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität Folgendes auf: ein Substrat; eine Solarzelle auf dem Substrat, die eine oder mehrere III-V-Verbindungshalbleiterschichten aufweist; einen ersten Kontakt gekoppelt mit einer p-Polaritätsseite bzw. p-Seite der Zelle und einen zweiten Kontakt gekoppelt mit einer n-Polaritätsseite der Zelle; eine Diode auf dem Substrat, wobei diese einen Körper aufweist, ferner einen Anodenkontakt und einen Kathodenkontakt, und wobei die Diode parallel mit den ersten und zweiten Kontakten der Solarzelle derart geschaltet ist, dass der Anodenkontakt der Diode mit dem ersten Kontakt und dem Kathodenkontakt der Diode zum zweiten Kontakt gekoppelt ist, wobei der Diodenkörper einen oberen und einen unteren Teil aufweist, wobei der Bodenteil näher am Substrat angeordnet ist als der obere Teil; eine Beschichtung (coating), angeordnet über dem oberen Teil des Diodenkörpers und sich zu dem Substrat erstreckend, wobei die Beschichtung im Wesentlichen den Diodenkörper, den Anodenkörper und den Kathodenkontakt einkapselt; eine Unterbeschichtung (undercoating), die im Wesentlichen den ganzen Raum zwischen dem Bodenteil des Diodenkörpers und dem Substrat einnimmt; und Ausgangsanschlüsse, gekoppelt mit der Solarzelle und der Diode.
Bei einigen Implementierungen arbeitet die Diode in Flussrichtung betreibbar in Fällen dann, wenn die Solarzelle nicht oberhalb einer Schwellspannung erzeugt. Bei einigen Implementierungen weist die Diode eine Schottky-Bypass-Diode auf.
In einigen Implementierungen ist die Unterbeschichtung derart angeordnet, dass kein Luftspalt zwischen der Diode und dem Substrat vorhanden ist. In einigen Implementierungen ist die Unterbeschichtung derart angeordnet, dass kein Luftspalt zwischen dem Anodenkontakt und dem Kathodenkontakt der Diode vorhanden ist.
In einigen Implementierungen besitzen die Unterbeschichtung und die Beschichtung eine höhere dielektrische Festigkeit als Luft. In einigen Implementierungen besitzen die Unterschicht oder Unterbeschichtung und die Beschichtung eine höhere thermische Leitfähigkeit als Luft.
In einigen Implementierungen weist die Vorrichtung auch einen Verbinder auf, und zwar gekoppelt mit den Ausgangsanschlüssen, wobei der Verbinder betätigbar ist, um eine elektrische Verbindung mit einem oder mehreren Solarzellenempfängern vorzusehen, wobei der Verbindung zwei Öffnungen aufweist, die elektrisch voneinander isoliert sind, wobei eine Öffnung einen ersten elektrischen Sockel und eine Öffnung einen zweiten elektrischen Sockel aufweist, und wobei ferner der Anodenkontakt der Diode und der erste Kontakt elektrisch mit dem ersten elektrischen Sockel und der Kathodenkontakt der Diode und der zweite Kontakt elektrisch mit dem zweiten elektrischen Sockel gekoppelt sind.
In einigen Implementierungen weist der zweite Kontakt elektrisch leitendes Material auf, und zwar angeordnet auf dem Umfang der n-Polaritätsseite der Solarzelle. In einigen Implementierungen weist die Vorrichtung eine oder mehrere Drahtverbindungen auf, die den zweiten Kontakt mit dem Kathodenkontakt der Diode koppeln.
Einzelheiten von einer oder mehrerer der Implementierungen werden in dem beigefügten Zeichnungen gezeigt und unten beschrieben. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie den Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Solarpanel einschließlich einer Vorrichtung zur Erzeugung von Elektrizität aus Solarenergie.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Solarzellenmoduls des Panels der 1.
3 ist ein Schaltbild des Solarzellenempfängers der 4.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Solarzellenempfängers, der Teil des Solarzellenmoduls der 2 bildet.
5 ist ein Querschnitt der Längslinie A-A in 4.
6 ist eine Ansicht des Bodens oder der Unterseite eines Solarzellenempfängers.
7A, 7B und 7C zeigen eine alternative Implementierung einer Solarzelle.
MÖGLICHKEITEN ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Das Folgende ist eine Beschreibung bevorzugter Implementierungen und auch von einigen alternativen Implementierungen, und zwar von einem Solarzellenempfänger mit einer isolierten Bypass-Diode.
Überblick
Solarzellenempfänger wandeln Solarenergie in Elektrizität um. Um dies zu erreichen, weisen Solarzellenempfänger im Allgemeinen eine oder mehrere Solarzellen auf. Eine Solarzelle kann beispielsweise aus Silizium, Cadmium-Tellurit, CIGS, CIS, Gallium-Arsenid, lichtabsorbierenden Farbstoffen oder organischen Halbleitern hergestellt sein. In verschiedenen, hier beschriebenen Implementierungen, wird eine Solarzelle aus einem III-V Verbindungshalbleiter mit drei p-n Übergängen (Triele-Junction III-V-Compound Halbleiterzelle) verwendet, es können aber auch andere Bauarten von Halbleiterzellen, abhängig von der Anwendung, verwendet werden.
Für einige Anwendungsfälle kann der Solarzellenempfänger als ein Teil eines Solarzellenmoduls implementiert werden. Ein Solarzellenmodul kann einen Solarzellenempfänger aufweisen, ferner eine Linse, gekoppelt mit der Solarzelle. Da ein einziges Solarzellenmodul nicht hinreichend Elektrizität für einen gegebenen Anwendungsfall erzeugen kann, können zwei oder mehr Solarzellenmodule in einer Anordnung miteinander gruppiert werden. Diese Anordnungen werden manchmal als "Platten" oder "Panele" oder als "Solarpanele" oder "Solarplatten" bezeichnet.
Implementierungen eines Solarpanels
1 veranschaulicht eine Implementierung einer Solarpanel 10 zur Erzeugung von Elektrizität aus Solarenergie. Das Panel 10 weist eine Vielzahl von Solarzellenmodulen 20 auf. In dieser Darstellung sind vierundzwanzig Solarzellenmodule 20 gezeigt. Eine Vielzahl von ähnlichen Panels 10 kann (beispielsweise in Serie) kombiniert werden, um ein Solarenergieerzeugungssystem mit größerer Kapazität zu erzeugen.
Implementierungen eines Solarzellenmoduls
Wie in 2 gezeigt, weist jedes Solarzellenmodul 20 eine Linse 22 (beispielsweise eine Fresnel-Linse) und ein Solarzellenempfänger 12 auf, und zwar positioniert an entgegengesetzten Enden eines Gehäuses 21. Der Solarzellenempfänger weist eine Solarzelle 30 auf. In einigen Implementierungen hat das Gehäuse die Form eines trapezoidförmigen Körpers, beispielsweise ist die Stirnfläche 201 größer als die Stirnfläche 202.
In einigen Implementierungen ist die Solarzelle 30 eine Triele-Junction III-V-Solarzelle, wobei jede der drei Subzellen in Serie angeordnet ist. In Anwendungen, wo Mehrfach-Solarzellenmodule 20 verwendet werden, sind die Empfänger 12 der Solarzellenmodule 20 typischerweise elektrisch miteinander in Serie geschaltet.
Implementierungen eines Solarzellenempfängers
3 veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm des Empfängers 12 von einem der Solarzellenmodule 20. Der Empfänger 12 weist eine Triele-Junction III-V-Compound Halbleitersolarzelle 30 auf, die gebildet ist durch eine obere Zelle 30a, eine mittlere Zelle 30b und eine untere oder Bodenzelle 30c, und zwar angeordnet in Serie.
Wenn die Implementierung in einem Solarzellenmodul erfolgt, so ist die Solarzelle 30 derart positioniert, dass sie Solarenergie von der Linse 22 (vgl. 2) empfängt. Die Linse 22 kann auch eine Mehrfach-Schicht Anti-Reflektions-Beschichtung aufweisen, und zwar ähnlich der, die an der Solarzelle 30 angebracht ist.
Eine Diode 14 ist parallel mit der Triele-Junction-Solarzelle 30 geschaltet. In einigen Implementierungen ist die Diode 14 eine Halbleitervorrichtung, beispielsweise eine Schottky-Bypass-Diode oder ein epitaxial gewachsener p- n-Junction. Aus Gründen der Veranschaulichung ist die Diode 14 eine Schottky-Bypass-Diode. Externe Verbindungsanschlüsse 43 und 44 sind vorgesehen, um die Verbindung mit der Solarzelle 30 und der Diode 14 mit anderen Vorrichtungen, wie beispielsweise benachbarten Empfängern 12, vorzusehen. In einigen Implementierungen sind die Solarzelle 30, die Diode 14 und die Anschlüsse 43 und 44 auf einer Platte oder einem Substrat (vgl. beispielsweise Bezugszeichen 9 in 4) angebracht, welches aus einem Isoliermaterial hergestellt ist.
Die Funktionalität der Diode 14 ergibt sich wenn man berücksichtigt, dass die mehrfachen Solarzellenempfänger 12 in Serie geschaltet sind. Jede der Triele-Junction-Solarzellen 30 kann als eine Batterie angesehen werden, wobei die Kathode jeder der Dioden 14 mit der positiven Klemme der zugehörigen "Batterie" verbunden ist, und die Anode jeder der Dioden ist mit der negativen Klemme der zugehörigen "Batterie" verbunden. Wenn eine der in Serie geschalteten Solarzellen 30 beschädigt oder beschattet wird, so wird die Spannungsausgangsgröße dieser Zelle reduziert oder eliminiert (beispielsweise unter einer mit der Diode 14 assoziierten Schwellspannung). Daher wird die zugehörige Diode 14 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, und ein Bypass-Strom fließt nur durch diese Diode 14 (und nicht durch die Solarzelle 30). Auf diese Weise können nicht beschädigte oder nicht beschattete Solarzellen weiterhin Elektrizität erzeugen, und zwar aus der Solarenergie, empfangen von denjenigen Solarzellen. Wenn die Diode 14 nicht vorhanden wäre, so würde im Wesentlichen die gesamte, durch die anderen Solarzellen 12 erzeugte Elektrizität, durch die beschattete oder beschädigte Solarzelle 30 fließen, und diese zerstören, und dadurch einen offenen Kreis erzeugen, innerhalb beispielsweise der Platte (Board) oder Anordnung.
Die 4, 5 und 6 veranschaulichen einen der Empfänger 12. Für die Zwecke dieser Implementierung wird angenommen, dass alle anderen Empfänger in einem gegebenen Panel (beispielsweise Bezugszeichen 10 der 1) im Wesentlichen die gleichen sind.
4 veranschaulicht eine Solarzelle 30 und ihre zugehörige Diode 14. Die Solarzelle 30 ist elektrisch mit der Diode 14 verbunden. Die obere Oberfläche (Oberseite) der Solarzelle 30 weist eine Kontaktfläche 301 auf, die in dieser Implementierung den Umfang der Solarzelle 30 einnimmt. Jedoch kann die Kontaktfläche 301 nur eine, zwei oder drei Seiten (oder Teile davon) der Solarzelle 30 berühren. In einigen Implementierungen wird die Kontaktfläche 301 so klein wie möglich gemacht, um die Fläche zu maximieren, welche Solarenergie in Elektrizität umwandelt, wobei noch immer eine elektrische Verbindung erreicht wird. Obwohl sich die Umfangsdimensionen der Solarzelle 30 abhängig von der Anwendung verändern, sind Standarddimensionen ungefähr 12, 58 mm × 12, 58 mm insgesamt und ferner 0,160 mm Dicke mit einer gesamten aktiven Fläche von ungefähr 180 mm². Beispielsweise gilt Folgendes: in einer Solarzelle 30, die annähernd 12,58 mm × 12, 58 mm groß ist, hat die Kontaktfläche 301 ungefähr 0,98 mm Breite. Die Kontaktfläche 301 kann durch verschiedene leitende Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Silber und/oder Gold beschichtetes Silber gebildet sein. In dieser Implementierung empfängt die n-Leitfähigkeitsseite der Solarzelle 30 Licht und demgemäß ist die Kontaktfläche 301 auf der n-Leitfähigkeitsseite der Solarzelle 30 angeordnet.
Der Anti-Reflex-Überzug oder die Anti-Reflex-Beschichtung 305 kann auf der Solarzelle 30 angeordnet sein. Die Anti-Reflex-Beschichtung 305 kann eine Mehrschicht-Anti-Reflex-Beschichtung sein und sieht eine niedrigere Reflektionsfähigkeit über einen bestimmten Wellenlängenbereich, beispielsweise 0,3 bis 1,8 μm, vor. Ein Beispiel einer Anti-Reflex-Beschichtung ist ein Dual-Schicht TiO/Al₂O₃ dielektrischer Stapel.
Der Kontakt 301 ist mit einer Leiterbahn oder Leiterspur 302 gekoppelt, die auf der Platte 9 angeordnet ist. Bei dieser Implementierung ist der Kontakt 301 mit der Leiterbahn 302 gekoppelt, und zwar durch eine Vielzahl (in diesem Beispiel zwölf) Drahtverbindungen 304. Die Anzahl der Drahtverbindungen 304, die in einer speziellen Implementierung verwendet wird, kann unter anderem von der durch die Solarzelle 30 erzeugten Strommenge abhängen.
Die Leiterbahn 302 (und somit die Solarzelle 30) stellt die Kopplung mit dem Anschluss 11 der Diode 14 her, und zwar durch eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterbahn 302 und der Leiterbahn 45.
Der andere Anschluss oder die andere Klemme 13 der Diode 14 ist mit der Spur 46 gekoppelt oder verbunden. Um die Parallelschaltung zwischen der Solarzelle 30 und der Diode 14 vorzusehen, ist der Anschluss 13 mit der Unterseite der Solarzelle 30 gekoppelt oder verbunden. Dies wird weiter unten in Verbindung mit den 5 und 6 im Einzelnen diskutiert.
Durch die Bahnen 45 und 46 ist die Diode 14 elektrisch mit den Verbindungsanschlüssen 43 bzw. 44 gekoppelt. Die Verbindungsanschlüsse 43 und 44 sind elektrisch mit den Sockeln 343 bzw. 344 gekoppelt, und zwar angebracht in den Öffnungen 42 und 41 des Verbinders 40. Die Sockel 343 und 344 sind durch gestrichelte Linien dargestellt, da sie von der Sicht durch den Körper des Verbinders 14 versteckt sind. Die Sockel sehen eine elektrische Kopplung einer Vorrichtung mit der Schaltung vor. In einigen Implementierungen entsprechen die Sockel den Anoden- und Kathodenanschlüssen und sind derart ausgelegt, dass sie Aufnahmestecker 341 und 342 aufnehmen, und zwar zur Verbindung mit den benachbarten Empfängern 312, wie dies beispielsweise oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde. Die benachbarten Empfänger 312 können im Wesentlichen die gleiche Form annehmen wie der Empfänger 12. Der Verbinder 40 ist in einigen Implementierungen fest an der Platte (Board) 9 angebracht, und kann aus einem Isoliermaterial (beispielsweise Kunststoff) hergestellt sein.
Der relativ große Verbinder 40, der die isolierten Öffnungen 41 und 42 definiert, hilft einen Durchbruch der Solarzelle (Solarzellendurchbruch) zu verhindern, und zwar infolge elektrischer Ladungen an den Anschlüssen, die zu den benachbarten Empfängern führen, und zwar infolge der isolierten Öffnungen, die eine exzellente Isolierung für die elektrischen Stecker-/Sockelverbindungen, die darin untergebracht sind, vorsehen.
Wie in 5 gezeigt, ist die Diode 14 oberhalb der Platte (Board) 9 angebracht, und zwar auf den Anschlüssen 11 und 13. Abhängig von dem Anwendungsfall, kann die Diode 14 zur oberflächenmontierten Bauart gehören. Die Anschlüsse 11 und 13 stellen die Verbindung bzw. die Kopplung her zur Anode bzw. Kathode der Diode 14 und können demgemäß als Anodenanschluss oder Kathodenanschluss der Diode 14 bezeichnet werden. Die Teile der Diode 14, die sich von den Anschlüssen 11 und 13 unterscheiden, können als der Diodenkörper (d. h. die gestrichelte Region 504) bezeichnet werden.
Bei dieser Implementierung ist der Diodenanschluss 11 mit einem Verbinder 501 elektrisch gekoppelt, der durch die Platte (Board) 9 läuft, um die Diode mit der Bodenoberfläche der Solarzelle 30 zu koppeln oder zu verbinden. Der Verbinder 501 kann unterschiedlich ausgebildet sein und zwar abhängig davon, wie die Solarzelle 30 auf der Platte (Board) 9 angebracht ist. Wenn beispielsweise die Platte (Board) 9 derart aufgebaut ist, dass der Boden der Solarzelle (beispielsweise die p-leitfähige Seite) frei liegt, so kann der Verbinder 501 durch die gesamte Dicke der Platte 9 verlaufen. In einigen Implementierungen kann der Boden der Solarzelle 30 auf der Oberseite einer Oberfläche der Platte 9 sitzen. Für solche Implementierungen kann der Verbinder 501 die Kopplung oder Verbindung zu einer Schicht der Platte 9 herstellen (beispielsweise eine Schicht unterhalb der oberen Oberfläche 505 der Platte 9).
Der Spalt zwischen dem Bodenteil 503 der Diode 14 (beispielsweise der bzw. die Oberfläche(n), die zur Stirnfläche der Platte 9 weisen) und der Platte 9 wird eingenommen durch ein geeignetes dielektrisches Unterfüllungsmaterial 15, so dass kein Luftspalt zwischen der Diode und der Platte (Board) auftritt. In einigen Implementierungen befindet sich kein Luftspalt zwischen den Kontakten 11 und 13, und die Unterfüllung 15 nimmt im Wesentlichen den gesamten Raum ein zwischen dem Bodenteil 503 der Diode 14 und der Platte (Board) 9. In diesem Fall steht die Unterfüllung 15 in Berührung mit dem Bodenteil 503 der Diode 14 und der Platte (Board) 9. Die Unterfüllung 15 kann auch andere Gebiete der Diode 14 kontaktieren. Beispiele für geeignete Unterfüllmaterialien umfassen Silikon. In ähnlicher Weise kann auch ein geeignetes dielektrisches "Globtop"-(oder konformes Überzugs-)Material 16 über der Diode 14 abgeschieden werden derart, dass die Diode eingekapselt ist. Die Beschichtung 16 wird über der oberen Oberfläche 502 der Diode 14 (beispielsweise der Oberfläche bzw. den Oberflächen, die weg von der Platte (Board) 9 weisen) angeordnet, und erstreckt sich nach unten bis sie die Platte (Board) 9 erreicht. Die Beschichtung 16 kapselt somit den Diodenkörper 504 und auch die Kontakte 11 und 13 ein. Die Beschichtung 16 kontaktiert die obere Oberfläche 502 der Diode 14 und auch die Kontakte 11 und 13. Die Beschichtung 16 kann andere Gebiete oder Flächen der Diode 14 kontaktieren. Geeignete Globtop- oder konforme Beschichtungsmaterialien umfassen die unter der Marke Loctite^® von der Henkel Gesellschaft verkauften Materialien. Da das dielektrische Material 15 und 16 eine wesentlich höhere dielektrische Festigkeit als Luft besitzt, wird das Risiko eines dielektrischen Mediumdurchbruchs im Wesentlichen eliminiert. Die dielektrischen Unterfüllungs- und "Globtop"-Materialien 15 und 16 verhindern die nicht kontrollierte Entladung von Elektrizität und schützen so die Solarzellen 30 des Systems.
6 veranschaulicht die Bodenseite des Empfängers 12. Die Unterseite 601 der Solarzelle 30 ist eine leitende (beispielsweise metallisierte) Oberfläche. Die Unterseite 601 kann Kupfer, Silber und/oder Gold beschichtetes Silber aufweisen, und ist mit einer leitenden Spur oder Bahn 602 gekoppelt. Die leitende Bahn 602 ist mit dem Verbinder 501 gekoppelt, der seinerseits mit dem Anschluss 11 der Diode 14 gekoppelt ist (die Bezugszeichen 11 und 14 sind mit gestrichelten Linien versehen, da diese von der Sicht eigentlich nicht erfasst werden). Die leitende Bahn 602 kann relativ breit sein, um den durch die Solarzelle 30 erzeugten Strom zu führen.
Abhängig von der Implementierung kann die Unterseite 601 der Solarzelle 30 auf einer Oberfläche der Platte (Board) 9 ruhen (beispielsweise einer Schicht oberhalb der Bodenoberfläche 506). Bei anderen Implementierungen kann ein Ausschnitt in der Platte (Board) 9 vorgesehen sein, der die Untersei te 601 der Solarzelle 30 freilegt. Die Lage der leitenden Bahn 602 kann sich verändern, und zwar abhängig davon, wie die Solarzelle 30 angebracht ist. Wenn beispielsweise ein Ausschnitt in der Platte (Board) 9 vorgesehen ist, dann kann die leitende Bahn 602 auf der Bodenoberfläche 605 der Platte (Board) 9 verlaufen. Wenn die Solarzelle 30 auf einer Schicht der Platte (Board) oberhalb der Bodenoberfläche 506 ruht, dann kann die leitende Bahn 602 nicht auf der Bodenoberfläche der Platte (Board) sein (beispielsweise kann die Anordnung auf einer Schicht erfolgen, und zwar zwischen den oberen Oberflächen 506 und Bodenoberflächen 506 der Platte (Board) 9). Bei solchen Implementierungen könnten die Unterseite 601 der Solarzelle und die leitende Spur 602 in dieser Perspektive versteckt sein.
Zweite Implementierung einer Solarzelle
Die 7A, 7B und 7C veranschaulichen eine zweite Implementierung einer Solarzelle zur Verwendung beispielsweise in einem Solarzellenempfänger, wie beispielsweise dem der mit dem Bezugszeichen 12 in den 2 und 4 bezeichnet ist. Die Solarzelle 730 kann in einer Art und Weise ähnlich der Solarzelle 30 der 4 ausgebildet sein. Die 7A und 7B sind perspektivische Ansichten von der n-Polaritätsseite her.
Ein Unterschied zwischen dieser Solarzelle 730 und der Solarzelle 30 der 4 besteht darin, dass die Zelle 730 zwei Anschlüsse 703 und 704 ("bus bars", d. h. Streifen) verwendet, anstelle eines Umfangskontaktes 301 der Zelle 30. Die Anschlüsse 703 und 704 sind durch einen passivierten Rahmen 705 (sichtbar in 7B, eine Nahansicht der Region 701) gezeigt. Die durch die Kontakte 703 und 704 eingenommene Zone oder Region ist kein Teil der aktiven Fläche 702 (beispielsweise eine Region, die in der Lage ist Solarenergie in Elektrizität umzuwandeln). Ein Vorteil dieser Implementierung besteht darin, dass ein großer Prozentsatz des gesamten Oberflächengebiets das aktive Gebiet 702 ist, da die Kontakte 703 und 704 nur zwei Seiten der Zelle 730 einnehmen.
Die Gesamtdimensionen der Zelle 730 betragen ungefähr 11,18 mm (Dimension 710) mal 10,075 mm (Dimension 714). Die Zelle 730 ist ungefähr 0,185 mm dick (Dimension 718). Die aktive Fläche oder das aktive Gebiet 702 ist ungefähr 10 mm (Dimension 712) mal 10,075 mm (Dimension 714).
Die Anschlüsse 703 und 704 sind ungefähr 9,905 mm breit (Dimension 715) und 0.505 mm hoch (Dimension 717) und sind angeordnet ungefähr 0,085 mm (Dimensionen 713 und 719) von den Kanten der Zelle 730 weg. Demgemäß ist der Abstand von der äußeren Kante des Anschlusses 703 zur äußeren Kante des Anschlusses 704 ungefähr 11,01 mm (Dimension 711). Der passivierte Rahmen 705 um die Anschlüsse 703 und 704 herum ist ungefähr 0,01 mm dick (Dimension 720). Um diese Veränderungen bei der Verarbeitung (beispielsweise Sägekurve bzw. saw curf) zu berücksichtigen, verwenden einige Implementierungen eine dünne Abgrenzung bzw. Abstand (beispielsweise 0,035 mm, Dimension 716) um die gesamte Zelle 730 herum, wo keine Merkmale sich befinden.
Der Boden der Zelle 730 (d. h. die p-Polaritätsseite) ist im Wesentlichen ähnlich der Zelle 30 gemäß 6.
Andere Ergebnisse
Zusätzlich zur Lösung des Problems der nicht gesteuerten Entladung kann die Verwendung der Unterfüllung und/oder des Globtops (beispielsweise konforme Beschichtung) zur Folge haben, dass zusätzliche unerwartete Vorteile auftreten.
Die Verwendung der Unterfüllung und/oder Globtop kann im Wesentlichen die Fähigkeit eines Empfängers verbessern, die Wärmeverteilung zu managen. Die Unterfüllung und die dielektrischen Globtop-Materialien 15 und 16 besitzen eine höhere thermische Leitfähigkeit als Luft. Infolgedessen verbessern sie die Wärmeverteilung von den Komponenten des Systems zur umgebenden Atmosphäre dadurch, dass der Querschnitt des thermischen Pfades vergrößert wird. Darüber hinaus gilt Folgendes: da die Unterfüllungs- und die dielektrischen Globtop-Materialen 15 und 16 in einigen Implementierungen in Kontakt mit der Platte (Board) oder dem Substrat stehen, erleichtern sie die Wärmeübertragung von der Diode zur Platte (Board). Wie oben beschrieben, gilt Folgendes: wenn ein Bypassing der Solarzelle 30 auftritt, so kann die Diode 14 mehrere tausend (beispielsweise 10.000) Watt elektrischer Leistung führen. Da Dioden nicht vollkommen effiziente elektrische Leiter sind, wird ein Teil der Leistung als thermische Energie verteilt oder abgegeben. Exzessive thermische Energie kann die Diode zerstören und zumindest die Betriebslebensdauer vermindern. Infolgedessen besitzen Empfänger, die eine Unterfüllung und/oder einen Globtop verwenden, wahrscheinlich eine erhöhte Betriebslebensdauer, insbesondere wenn die Leistungspegel ansteigen. Darüber hinaus sind die Unterfüllung und/oder der Globtop wesentlich kosteneffektiver, effizienter und eine einfachere Lösung als viele andere Verfahren (beispielsweise passives Kühlen unter Verwendung von Metallwärmefallen oder aktives Kühlen) um das Wärmemanagement zu verbessern. Darüber hinaus lösen diese Verfahren nicht das Problem der ungesteuerten Entladung.
Die Unterfüllungs- und/oder Globtop-Materialien können auch Schutz vorsehen gegenüber Kurzschlüssen infolge von Verunreinigungen. In einigen Anwendungsfällen sind die Halbleiterbahnen (beispielsweise Bezugszeichen 45 und 46) um nicht mehr als 1 mm (0,394 Zoll) getrennt. Wenn Bahnen so nahe zueinander liegen, können viele Verunreinigungen, wie beispielsweise ein Tröpfchen von Wasser, ausreichen, um zwei benachbarte Bahnen in Kontakt zu bringen. Darüber hinaus gilt Folgendes: da die Diode 14 selbst relativ klein ist, ist es möglich, für einen oder mehrere Wassertröpfchen die Anschlüsse 11 und 13 zu überbrücken. Die Verwendung der Unterfüllung und/oder des Globtops verhindert, dass Feuchtigkeit an den Anschlüssen der Diode 14 kondensiert oder an den Leiterbahnen oder Spuren 45 und 46, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen reduziert wird.
Die Unterfüllungs- und/oder die dielektrischen Globtop-(konforme Beschichtungs-)Materialien 15 und 16 verhindern auch, dass Fremdmaterialien auf die Anschlüsse der Dioden 14, auf die Leiterbahnen 45 und 46 und auf die elektrischen Bahnen auf der Platte (Board) 9 fallen, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen während des Betriebs verhindert wird.
Ein weiterer unerwarteter Vorteil besteht darin, dass die Unterfüllungsmaterialien und/oder die dielektrischen Globtop-Materialien 15 und 16 mechanische Integrität den Zwischenflächen zwischen den Dioden 14 und den Platten 9 hinzufügen an denen sie angebracht sind. Infolgedessen wird die Wahrscheinlichkeit, dass die Diode 14 während des Transports, der Installation oder der Handhabung abgelöst (oder in anderer Weise elektrisch entkoppelt wird) reduziert.
Typische Daten zur Leistungsfähigkeit

Testimplementierungen von Solarzellenempfängern (beispielsweise Bezugszeichen 12) bei unterschiedlichen Solarkonzentrationen ergaben die folgenden Daten:

	1 Sonne (sun)	470 Sonnen (suns)	1150 Sonnen (suns)
Effizienz	31,23%	36,23%	33,07%
V_OC (Leerlaufspannung)	2,583 V	3,051 V	3,078 V
J_SC (Kurzschlussstrom)	13,9 mA/cm²	6,49 A/cm²	15,92 A/cm²
V_mp (Spannung bei maximalem Leistungspunkt	2,32 V	2,704 V	2,523 V
J_mp (Strom bei maximalem Leistungspunkt	13,46 mA/cm²	6,27 A/cm²	15,04 A/cm²
P_mp (maximaler Leistungspunkt	31,23 mW/cm²	17,02 W/cm²	38,03 w/cm²

Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können bei folgendem angewandt werden: Anschlüssen, Leitern, Bahnen und Leitern von Halbleiterkomponenten auf Substraten, Trägermaterialien, Packages (Gehäuse), Tochter platten, Mutterplatten und Panels verwendet in Solarleistungssystemen. Die vorliegende Erfindung kann angewendet werden bei allen Arten von Halbleitern einschließlich aber nicht beschränkt auf Farbstoff (bare dye), Druckkontaktierloch (through hole), BGA, PGA, LGA und flip chip devices.
Es ist klar, dass Modifikationen an der hier beschriebenen Vorrichtung vorgenommen werden können. Insbesondere könnte das dielektrische Material nicht nur auf den Dioden aufgebracht werden, sondern auch an allen Anschlüssen, Leitern und Kontaktbahnen auf der Platte (panel). Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung eingesetzt werden um einen dielektrischen Überzug aufzubringen, und zwar auf irgendeiner Form von Leitern und Substraten, verwendet in Solarleistungssystemen.
Es wurde eine Anzahl von Implementierungen beschrieben. Nichtsdestoweniger erkennt man, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Demgemäß liegen auch andere Implementierungen innerhalb des Rahmens der Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6020555 [0008, 0009]

Claims

Eine Vorrichtung zur Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität, wobei Folgendes vorgesehen ist: ein Substrat; eine III-V-Compound Halbleiter Multi-Junction-Solarzelle zur Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität, wobei die Solarzelle auf dem Substrat angebracht ist, und einen ersten Kontakt aufweist, und zwar gekoppelt mit einer p-Polaritätsseite der Zelle und einen zweiten Kontakt, gekoppelt mit einer n-Polaritätsseite der Zelle; eine Diode auf dem Substrat, und zwar Folgendes aufweisend: einen Körper, einen Anodenkontakt und einen Kathodenkontakt, wobei die Diode parallel mit den ersten und zweiten Kontakten der Solarzelle derart geschaltet ist, dass der Anodenkontakt der Diode mit dem ersten Kontakt und der Kathodenkontakt der Diode mit dem zweiten Kontakt gekoppelt bzw. verbunden ist; und Ausgangsanschlüsse angebracht an dem Substrat und gekoppelt mit der Solarzelle und der Diode zur Handhabung von mehr als 10 Watt Leistung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Überzug oder eine Beschichtung angebracht ist über einem oberen Teil des Diodenkörpers und sich zum Substrat erstreckend, wobei der Überzug im Wesentlichen den Diodenkörper, den Anodenkontakt und den Kathodenkontakt einkapselt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Unterbeschichtung vorgesehen ist, die im Wesentlichen den ganzen Raum einnimmt zwischen einem Bodenteil des Diodenkörpers und dem Substrat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Diode betätigbar ist um in Vorwärtsrichtung vorgespannt zu werden, und zwar in Fällen wo die Solarzelle nicht oberhalb einer Schwellspannung erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Unterbeschichtung derart angeordnet ist, dass kein Luftspalt zwischen der Diode und dem Substrat entsteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Unterbeschichtung derart angeordnet ist, dass kein Luftspalt zwischen dem Anodenkontakt und dem Kathodenkontakt der Diode vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung eine höhere dielektrische Festigkeit als Luft besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung eine höhere thermische Leitfähigkeit als Luft besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Unterbeschichtung eine höhere dielektrische Festigkeit als Luft besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Unterbeschichtung eine höhere thermische Leitfähigkeit als Luft besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Folgendes vorgesehen ist: ein Verbinder, gekoppelt mit den Ausgangsanschlüssen, wobei der Verbinder betätigbar ist, um eine elektrische Verbindung vorzusehen zwischen einer oder mehreren Solarzellenempfängern, wobei der Verbinder ferner Folgendes aufweist: zwei elektrisch voneinander isolierte Öffnungen, wobei eine Öffnung einen ersten elektrischen Sockel und eine Öffnung einen zweiten elektrischen Sockel aufweist, und wobei der Anodenkontakt der Diode und der erste Kontakt elektrisch mit dem ersten elektrischen Sockel gekoppelt sind und der Kathodenkontakt der Diode und der zweite Kontakt elektrisch mit dem zweiten elektrischen Sockel gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Verbinder an dem Substrat angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Diode eine Schottky-Bypass-Diode aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Kontakt ein elektrisch leitendes Material aufweist, und zwar angeordnet auf dem Umfang der n-Polaritätsseite der Solarzelle.
Der Solarzellenempfänger nach Anspruch 1, wobei der zweite Kontakt elektrisch leitendes Material aufweist, und zwar angeordnet benachbart zu zwei Kanten der n-Polaritätsseite der Solarzelle.
Der Solarzellenempfänger nach Anspruch 1, wobei der erste Kontakt eine Metallschicht aufweist, und zwar angeordnet auf im Wesentlichen der gesamten p-Polaritätsseite der Solarzelle.
Der Solarzellenempfänger nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere Drahtverbindungen vorgesehen sind, die den zweiten Kontakt mit dem Kathodenkontakt der Diode koppeln oder verbinden.
Der Solarzellenempfänger nach Anspruch 1, wobei die Solarzelle mindestens eine Schicht aufweist, die Folgendes aufweist: InGaP, InGaAs oder GaAs.
Der Solarzellenempfänger nach Anspruch 1, wobei die Solarzelle eine Antireflektionsschicht aufweist.
Der Solarzellenempfänger nach Anspruch 1, wobei eine Linse vorgesehen ist, um eine Quelle der Solarenergie auf die Solarzelle zu fokussieren.
Der Solarzellenempfänger nach Anspruch 1, wobei das Substrat einen Ausschnitt aufweist, der mindestens einen Teil der p-Polaritätsseite der Solarzelle freilegt.