DE102010036187A1

DE102010036187A1 - Eingekapselte, fotovoltaische Konzentrations-System-Subanordnung für III-V Halbleitersolarzellen

Info

Publication number: DE102010036187A1
Application number: DE102010036187A
Authority: DE
Inventors: John Nagyvary; Peter Allen Zawadzki; Steve Seel; James Foresi
Original assignee: Emcore Solar Power Inc
Current assignee: Suncore Photovoltaics Inc
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2011-04-07
Also published as: US20110048535A1; US9806215B2; CN102013443A; CN102013443B

Abstract

Eine Solarzellenempfänger-Subanordnung zur Verwendung in einem konzentrierenden Solarsystem, welches Solarenergie auf eine Solarzelle konzentriert, und zwar um einen Faktor von 1000 oder mehr zur Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität, wobei ein optisches elektrisches Element vorgesehen ist, welches einen optischen Kanal definiert, wobei ferner ein Solarzellenempfänger mit einem Träger vorgesehen ist und wobei eine Solarzelle angebracht ist auf dem Träger, benachbart zu dem optischen Element, und in dem optischen Pfad oder der optischen Bahn des optischen Kanals, wobei schließlich die Solarzelle eine oder mehrere III-V Verbindungshalbleiterschichten aufweist und in der Lage ist, oberhalb von 20 Watt Gleichstromleistung zu erzeugen, und wobei ferner eine Diode auf dem Träger angebracht ist und gekoppelt ist in Parallelschaltung mit der Solarzelle; und wobei stetig erste und zweite elektrische Kontakte auf dem Träger angebracht sind und parallel gekoppelt oder geschaltet sind mit der Solarzelle der Diode; und wobei ferner eine Einkapselung vorgesehen ist, die den Träger, die Solarzelle, die Diode und mindestens einen Teil der Außenseiten des optischen Elements abdeckt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzellen-Subanordnung zur Verwendung in einem fotovoltaischen Konzentrations-System und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen eingekapselten Solarzellenempfänger einschließlich einer Solarzelle, einem metallisierten Keramiksubstrat und einem optischen Konzentrationselement.
Hintergrund
In der Vergangenheit wurde Solarleistung (sowohl im Weltraum als auch terrestrisch) vorherrschend durch Siliziumsolarzellen geliefert. In den letzten Jahren jedoch hatte die hochvolumige Herstellung von hocheffizienten III-V Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen für Raumanwendungen es ermöglicht, diese alternative Technologie für terrestrische Leistungserzeugung in Betracht zu ziehen. Verglichen mit Silizium sind III-V Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen im Allgemeinen strahlungsbeständiger und besitzen eine höhere Energieumwandlungseffizienz, aber sie haben die Tendenz bei der Herstellung größere Kosten zu verursachen. Einige derzeit verfügbare III-V Verbindungshalbleiter-Multijunction-Zellen besitzen Energieeffizienzen, die 27% übersteigen, wohingegen Siliziumtechnologien im Allgemeinen nur ungefähr 17% Effizienz erreichen. Bei Konzentration besitzen einige der derzeitig verfügbaren III-V Verbindungshalbleiter-Multijunction-Zellen Energieeffizienzen die 37% übersteigen.
Allgemein gesagt gilt Folgendes: die Multijunction-Zellen sind von einer n-auf-p Polarität und bestehen aus einem vertikalen Stapel von In-GaP/(In)GaAs/Ge Halbleiterstrukturen. Die III-V Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellenschichten werden typischerweise über die metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD = metal-organic chemical vapor deposition) auf Germanium (Ge)-Substraten aufgewachsen. Die Verwendung des Ge-Substrats gestattet die Ausbildung eines Übergangs (junction) zwischen n- und p-Typ Ge, wodurch das Substrat verwendet wird zur Bildung der unteren oder einen niedrigen Bandabstand aufweisenden Subzelle. Die Solarzellenstrukturen werden typischerweise auf 100 mm Durchmesser Ge-Wafer aufgewachsen, und zwar mit einer durchschnittlichen Massendichte von ungefähr 86 mg/cm². In einigen Prozessen ist die Epitaxialschichtgleichförmigkeit besser als 99,5% und zwar über eine Platte hinweg, die 12 oder 13 Ge-Substrate während des MOCVD-Wachstumprozesses enthält. Die Epitaxialwafer können darauffolgend in fertige Solarzellenvorrichtungen verarbeitet werden und zwar durch automatisierte roboterartige Fotolithographie, Metallisierung, chemische Reinigung und Ätzung, Antireflektions-(AR)Beschichtung, Würfelbildung (dicing) und Testverfahren. Die n- und p-Kontaktmetallisierung weist typischerweise vorherrschend Ag auf, und zwar mit einer dünnen Au-Kappenschicht um das Ag gegenüber Oxidation zu schützen. Die AR-Beschichtung ist eine Dualschicht TiO/Al₂O₃ dielektrischer Stapel, dessen spektrale Reflektionscharakteristika ausgelegt sind um die Reflektion zu minimieren und zwar an dem Abdeckglas-Zwischenverbindungszellen(CIC = cover glass-interconnect-cell)- oder dem Solarzellenanordnungs(SCA = solar cell assembly)-Niveau und um auch die ”end-of-life(EOL)-Performance der Zellen zu maximieren.
Bei einigen Verbindungshalbleiter-Multijunction-Zellen ist die mittlere Zelle eine InGaAs-Zelle, im Gegensatz zu einer GaAs-Zelle. Die Indiumkonzentration kann im Bereich von ungefähr 1,5% für die InGa-As-Mittelzelle liegen. In einigen Implementierungen zeigt eine solche Anordnung eine erhöhte Effizienz. Der Vorteil bei der Verwendung von InGaAs-Schichten besteht darin, dass die Schichten wesentlich besser an das Ge-Substratgitter angepasst sein können.
Zusammenfassung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine Solarzellen-Subanordnung zur Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität ein optisches Element auf, welches einen optischen Kanal definiert, wobei ein Solarzellenempfänger Folgendes aufweist:
einen Träger; eine Solarzelle angebracht auf dem Träger benachbart zum optischen Element und in dem optischen Pfad des optischen Kanals, wobei die Solarzelle eine oder mehrere III-V-Verbindungshalbleiterschichten aufweist und in der Lage ist, oberhalb von 20 Watt Gleichstromspitzenleistung zu erzeugen; und eine Einkapselung, die den Träger, die Solarzelle und mindestens einen Teil der äußeren Seite des optischen Elements abdeckt.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren vor zur Herstellung eines Solarzellenempfängers, wobei Folgendes vorgesehen ist: Vorsehen eines Trägers; Anbringen einer Solarzelle auf dem Träger, wobei die Solarzelle eine oder mehrere III-V-Verbindungshalbleiterschichten aufweist und in der Lage ist, oberhalb von 20 Watt Gleichstromspitzenleistung zu erzeugen; Anbringen eines optischen Elements, welches einen optischen Kanal definiert, über der Solarzelle derart, dass die Solarzelle in dem optischen Pfad des optischen Kanals angeordnet ist; und Einkapseln des Trägers, der Solarzelle und mindestens eines Teils der Außenseiten des optischen Elements.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Merkmale und Vorteile beschränkt. Der Fachmann erkennt zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und bei Betrachtung der beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Teil-Explosionsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Solarzellenempfängers mit einer Solarzelle, einem metallisierten Keramiksubstrat und einer Wärmefalle.
2 zeigt die Solarzelle und das metallisierte Keramiksubstrat der 1 im einzelnen.
3 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle, des metallisierten Keramiksubstrats und der in 1 gezeigten Wärmefalle.
4 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle, des metallisierten Keramiksubstrats und der Wärmefalle gemäß 3 und zwar nach dem Anbringen des optischen Konzentrationselements und der Einkapselung.
Detaillierte Beschreibung
Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden nunmehr beschrieben und zwar einschließlich von exemplarischen Aspekten und Ausführungsbeispielen derselben. Wenn im Folgenden auf die Zeichnungen und die Beschreibung Bezug genommen wird, so sei bemerkt, dass die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche oder funktionsmäßig ähnliche Elemente zu bezeichnen, und es ist beabsichtigt, Hauptmerkmale von exemplarischen Ausführungsbeispielen zu veranschaulichen und zwar in einer stark vereinfachten schematischen Art und Weise. Darüber hinaus sind die Zeichnungen nicht dazu vorgesehen, jedes Merkmals des tatsächlichen Ausführungsbeispiels darzustellen, noch die relativen Dimensionen der dargestellten Elemente, wobei diese nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind.
Solarzellenempfänger weisen eine Solarzelle auf, und zwar zur Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität. Die hier beschriebenen verschiedenen Implementierungen verwenden eine Triple-Junction III-V-Verbindungshalbeiter-Solarzelle, wobei aber Solarzellen anderer Art verwendet werden könnten, abhängig von dem Anwendungsfall. Solarzellenempfänger enthalten oftmals zusätzliche Komponenten, beispielsweise Verbindungen oder Verbinder zur Kopplung mit einer Ausgangsvorrichtung oder zu anderen Solarzellenempfängern.
In einigen Anwendungsfällen kann ein Solarzellenempfänger als Teil eines Solarzellenmoduls implementiert sein. Ein Solarzellenmodul kann einen Solarzellenempfänger aufweisen und eine Linse, gekoppelt mit dem Solarzellenempfänger. Die Linse wird dazu verwendet, um das empfangene Licht auf den Solarzellenempfänger zu fokussieren. Infolge der Verwendung einer Linse wird eine größere Konzentration der Solarenergie durch den Solarzellenempfänger erreicht. Bei einigen Implementierungen ist die Linse geeignet, die Solarenergie um einen Faktor von 400 oder mehr zu konzentrieren. Beispielsweise, bei 500-Sonnenkonzentration (500 sun) erzeugt 1 cm² von Solarzellenfläche die gleiche elektrische Leistung wie 500 cm² von Solarzellenfläche, die es ohne Konzentration tun würden. Die Verwendung der Konzentration gestattet daher die Substitution von kosteneffektiven Materialien, wie beispielsweise Linsen und Spiegeln für das teurere Halbleiterzellenmaterial. Zwei oder mehrere Solarzellenmodule können in einer Anordnung zusammengruppiert werden. Diese Anordnungen werden manchmal als ”Panele” oder ”Solarpanele” bezeichnet.
1 veranschaulicht eine Solarzellenempfänger 100 mit einer Solarzelle 102. In einem Ausführungsbeispiel ist die Solarzelle 102 eine Triple-Junction III-V-Verbindungshalbleiter-Solarzelle, die Folgendes aufweist: eine obere Zelle, eine mittlere Zelle und eine untere oder Bodenzelle und zwar angeordnet in Serie. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Solarzelle 102 eine Multijunction-Solarzelle mit n-auf-p Polarität und aus InGaP/(In)GaAs III-V Verbindungen auf einem Ge-Substrat. In jedem Falle ist die Solarzelle 102 derart positioniert, dass sie fokussierte Solarenergie von einem sekundären optischen Element 104 empfängt.
Das sekundäre optische Element 104 ist zwischen der Solarzelle 102 und einem primären Fokussierelement (nicht gezeigt), wie beispielsweise einer Linse positioniert. Das sekundäre optische Element 104 ist im Allgemeinen derart ausgelegt, dass Solarenergie gesammelt wird und zwar konzentriert durch die entsprechende Linse zu der Oberseite oder Oberfläche der Solarzelle 102 hin. Das sekundäre optische Element 104 weist eine Eintrittsöffnung 105 auf, die Lichtstrahlen von der entsprechenden Linse empfängt und ferner eine Austrittsöffnung 107, die Lichtstrahlen zur Solarzelle 102 sendet. Das sekundäre optische Element 104 weist eine Zwischenregion oder Zwischenzone 112 auf, und zwar zwischen den Öffnungen 105, 107. Bei idealen Bedingungen fokussiert die Linse, assoziiert mit dem sekundären optischen Element 104, das Licht direkt auf die Solarzelle 102, ohne dass das Licht gegen das sekundäre optische Element 104 auftrifft.
In den meisten Fällen fokussiert die Linse das Licht nicht direkt auf die Solarzelle 102. Dies kann verschiedene Ursachen haben, und zwar einschließlich der Ursache, aber nicht beschränkt auf diese, dass eine chromatische Aberration der Brechungslinsenkonstruktion auftritt, eine Fehlausrichtung der Solarzelle 102 bezüglich der Linse während der Konstruktion, eine Fehlausrichtung während des Betriebs infolge eines Nachführfehlers, baulicher Verbiegung und Windbelastung. Somit fokussiert unter den meisten Bedingungen die Linse das Licht derart, dass es von dem sekundären optischen Element 104 reflektiert wird. Die Differenz zwischen einem idealen Aufbau und einem fehlerlastigen Aufbau kann eine kleine Variation hinsichtlich der Positionierung der Linse von weniger als 1° sein.
Das sekundäre optische Element 104 arbeitet daher als Lichtüberlaufmittel (light spill catcher) um zu bewirken, dass mehr Licht die Solarzelle 102 erreicht, und zwar unter Umständen wenn die entsprechende Linse Licht nicht direkt auf die Solarzelle 102 fokussiert. Das sekundäre optische Element 104 kann eine reflektierende Mehrschichtzwischenzone aufweisen, wie z. B. von der Art wie sie in der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 12/402,814, eingereicht am 12. März 2009, offenbart ist, wobei der Inhalt dieser Anmeldung insgesamt durch Bezugnahme hier aufgenommen wird. Die reflektierende Mehrschichtzwischenzone oder -region kann aus unterschiedlichen Materialien geformt sein und kann unterschiedliche optische Eigenschaften derart besitzen, dass die Reflektivität der Lichtstrahlen von dem sekundären optischen Element 104 weg und übertragen zur Solarzelle 102 die zusammengefasste Bestrahlung auf der Oberfläche der Solarzelle 102 über das Einfallssolarspektrum optimiert. Beispielsweise kann in einigen Implementierungen die Innenoberfläche des Körpers 112 des sekundären optischen Elements 104 beschichtet sein, und zwar mit Silber oder einem anderen hochreflektierenden Material. In einigen Fällen kann die reflektierende Beschichtung durch eine Passivierungsbeschichtung, wie beispielsweise SiO₂ geschützt sein, um das sekundäre optische Element 104 gegenüber Oxidation, Beschlag (Oxydschicht) oder Korrosion zu schützen.
Der Körper 112 des sekundären optischen Elements 104 besitzt eine oder mehrere Befestigungsanschlüsse oder Arme 114 und zwar zur Anbringung des Körpers 112 an einem Bügel 116 über eine oder mehrere Befestigungsvorrichtungen 118. Der Bügel 116 ist vorgesehen zur Befestigung des sekundären optischen Elements 104 an einer Wärmefalle 120, und zwar über eine oder mehrere Befestigungsvorrichtungen 122. Der Bügel 116 ist thermisch leitend, so dass die durch das sekundäre optische Element 104 während des Betriebs geleitete Wärmeenergie zur Wärmefalle 120 übertragen werden kann, und verteilt wird. Wie in dieser Implementierung gezeigt, besitzt das optische Element 104 vier Reflektionswände. In anderen Implementierungen können unterschiedliche Formen (beispielsweise dreiseitig zur Bildung eines Dreiecksquerschnitts) verwendet werden. Das sekundäre optische Element 104 kann aus Metall, Plastik oder Glas oder anderen Materialien hergestellt sein.
In einem Ausführungsbeispiel, wie in 2 gezeigt, ist eine Konzentriervorrichtung 106 zwischen der Austrittsöffnung 107 des sekundären optischen Elements 104 und der Solarzelle 102 angeordnet. Die Konzentriervorrichtung oder der Konzentrator 106 besteht vorzugsweise aus Glas und besitzt einen optischen Einlass 108 und einen optischen Auslass oder Ausgang 110. In einem Ausführungsbeispiel ist die Konzentriervorrichtung 106 aus solidem oder festem Glas hergestellt. Die Konzentriervorrichtung 106 verstärkt das aus dem zweiten optischen Element 104 austretende Licht und leitet das verstärkte Licht zur Solarzelle 102 hin. In einigen Implementierungen besitzt die Konzentriervorrichtung 106 einen im Allgemeinen quadratischen Querschnitt, der sich vom Einlass oder Eingang 108 zum Auslass oder Ausgang 110 hin verjüngt. In einigen Implementierungen ist der optische Eingang 108 der Konzentriervorrichtung 106 quadratförmig und zwar ungefähr 2 cm × 2 cm und der optische Ausgang 110 ist ungefähr 0,9 cm × 0,9 cm. Die Dimensionen der Konzentriervorrichtung 106 können sich je nach Konstruktion des Solarzellenmoduls und des Empfängers ändern. Beispielsweise sind in einigen Implementierungen die Dimensionen oder Abmessungen des optischen Ausgangs 110 annähernd die gleichen wie die Dimensionen der Solarzelle 102. In einem Ausführungsbeispiel ist die Konzentrationsvorrichtung 106 eine 2X Konzentrationsvorrichtung. Die Bodenoberfläche der Konzentrationsvorrichtung 106 kann direkt an der oberen Oberfläche bzw. der Oberseite der Solarzelle 102 angebracht sein, und zwar unter Verwendung eines Klebemittels, wie beispielsweise eines Silikonklebemittels. Die Solarzelle 102 wandelt das ankommende Sonnenlicht direkt in Elektrizität um, und zwar durch den fotovoltaischen Effekt.
Eine Bypassdiode 124 ist parallel zur Solarzelle 102 geschaltet. In einigen Implementierungen ist die Diode 124 eine Halbleitervorrichtung, wie beispielsweise eine Schottky Bypassdiode oder ein epitaxial gewachsener p-n-Übergang (p-n junction). Für die Zwecke der Veranschaulichung ist die Bypassdiode 124 eine Schottky Bypassdiode. Die externen Verbindungsanschlüsse 125 und 127 sind vorgesehen zur Verbindung der Solarzelle 102 und der Diode 124 mit anderen Vorrichtungen, beispielsweise benachbarten Solarzellenempfängern (nicht gezeigt).
Die Funktionalität der Bypassdiode 124 kann bewertet werden durch die Betrachtung von Mehrfachsolarzellen 102, die in Serie geschaltet sind. Jede Solarzelle 102 kann als eine Batterie angesehen werden, wobei die Kathode jeder der Dioden 124 mit der positiven Klemme der assoziierten ”Batterie” der Anode jeder der Dioden 124 verbunden ist mit dem negativen Anschluss oder der negativen Klemme der assoziierten ”Batterie”. Wenn einer der in Serie geschalteten Solarzellenempfänger 100 beschädigt oder abgeschaet wird, so wird dessen Spannungsausgangsgröße reduziert oder eliminiert (beispielsweise auf unterhalb einer Schwellenspannung, assoziiert mit der Diode 124). Daher wird die zugehörige Diode 124 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und ein Bypassstrom fließt nur durch diese Diode 124 (und nicht durch die Solarzelle 102). Auf diese Weise setzen nicht beschädigte oder nicht abgeschattete Solarzellenempfänger 100 die Elektrizitätserzeugung aus der durch diese Solarzellen empfangenen Solarenergie fort. Wenn die Bypassdiode 124 nicht vorhanden wäre, so würde im Wesentlichen die gesamte durch die anderen Solarzellenempfänger erzeugte elektrische Energie durch den abgeschatteten oder beschädigten Solarzellenempfänger laufen, diesen zerstören und eine offene Schaltung innerhalb beispielsweise der Panele oder Anordnung erzeugen. Der Solarzellenempfänger 100 weist auch ein Keramiksubstrat 126 auf, wie beispielsweise ein Aluminiumsubstrat zur Anbringung der Solarzelle 102 und der Wärmefalle 120 zur Verteilung der durch die Solarzelle 102 während des Betriebs erzeugten Wärme.
2 veranschaulicht die Solarzelle 102 und das Keramiksubstrat 126 im Einzelnen. Das Keramiksubstrat 126 besitzt metallisierte obere und untere Oberflächen 128 und 130. Die beiden Oberflächen 128 und 130 des Keramiksubstrats 126 sind metallisiert um die Wärmeübertragungskapazität des Keramiksubstrats 126 zu erhöhen, was den Solarzellenempfänger 100 in die Lage versetzt, in adäquaterer Weise schnell Temperaturänderungen zu verarbeiten, die infolge von abrupten Änderungen in den Solarzellenbetriebsbedingungen auftreten. Beispielsweise erzeugt die Solarzelle 102 Wärmeenergie, wenn Licht in Elektrizität umgewandelt wird. Dadurch, dass sowohl die oberen als auch die unteren Oberflächen 128 und 130 des Keramiksubstrats metallisiert sind, wird für eine schnellere Übertragung der Wärmeenergie von der Solarzelle 102 zur Wärmefalle 120 zur Verteilung gesorgt. Der entgegengesetzte Zustand tritt dann auf, wenn die Solarzelle 102 plötzlich abgeschattet wird. Das heißt, die Solarzelle 102 beendet die Elektrizitätserzeugung und kühlt sich schnell ab, was auch für das sekundäre optische Element 104 gilt. Die metallisierten oberen und unteren Oberflächen 128 und 130 des Keramiksubstrats 126 verhindern, dass die Solarzelle 102 zu schnell abkühlt, und zwar durch Übertragung von Wärmeenergie von der Wärmefalle 120 zur Solarzelle 102, und abhängig von den thermischen Bedingungen auch zu dem sekundären optischen Element 104. Die erhöhte Wärmetransferkapazität des Solarzellenempfängers 100 reduziert die Stressgröße, die auf die Zwischenschicht zwischen Solarzelle 102 und Keramiksubstrat 126 während der schnellen Temperaturänderungen übertragen wird, was eine zuverlässige Solarzellen-zu-Substrat Zwischenschicht oder Interface sicherstellt.
Die metallisierte Oberfläche oder Oberseite 128 des Keramiksubstrats 126 ist in Kontakt mit der Solarzelle 102 und besitzt gesonderte leitende Regionen oder Zonen 132 und 134 zum Vorsehen isolierter elektrisch leitender Pfade zur Solarzelle 102. Die erste leitende Zone 132 sieht einen elektrischen Anodenkontaktpunkt für die Solarzelle 102 vor, und die zweite leitende Zone 134 sieht einen elektrischen Kathodenkontaktpunkt für die Solarzelle 102 vor. Die Solarzelle 102 besitzt eine leitende untere Oberfläche oder Unterseite 136, die in 2 nicht zu sehen ist, die aber in dem Querschnitt der 3 dargestellt ist, wobei diese Oberfläche an der ersten leitenden Zone 132 positioniert und mit dieser verbunden ist, und zwar der leitenden Zone 132 der metallisierten oberen Oberfläche 128 des Keramiksubstrats 126. Die entgegengesetzt liegende obere Oberfläche oder Oberseite 138 der Solarzelle 102 besitzt eine leitende Kotaktfläche 140, die verbunden ist mit der zweiten leitenden Zone 134 des Keramiksubstrats 126.
In einem Ausführungsbeispiel bildet die leitende Unterseite 136 der Solarzelle 102 einen Anodenanschluss der Solarzelle 102 und die leitende Kontaktfläche 104, angeordnet an der Oberseite 138 der Solarzelle 102 bildet einen Kathodenanschluss. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die leitende Unterseite 136 der Solarzelle 102 an der ersten leitenden Zone 132 des Keramiksubstrats 126 positioniert und elektrisch isoliert gegenüber der zweiten leitenden Zone 134 um den ordnungsgemäßen Betrieb der Solarzelle 102 sicherzustellen. In einem Ausführungsbeispiel ist die erste leitende Zone 132 des Keramiksubstrats 126 an mindestens drei Seiten durch die zweite leitende Zone 134 um eine Umfangszone des Keramiksubstrats 126 umgeben.
In einem Ausführungsbeispiel ist die leitende Kontaktfläche 140 an der Oberseite 138 der Solarzelle 102 angeordnet, und nimmt den Umfang der Solarzelle 102 ein. In einigen Implementierungen kann die obere leitende Kontaktfläche oder Kontaktzone 140 kleiner oder größer sein um die gewünschte Verbindungsart zu erreichen. Beispielsweise kann die obere leitende Kontaktfläche oder Zone 140 nur eine, zwei oder drei Seiten (oder Teile davon) der Solarzelle 102 berühren. In einigen Implementierungen ist die obere leitende Kontaktfläche 140 so klein wie möglich gemacht, um die Fläche zu maximieren, die Solarenergie in Elektrizität umwandelt, wobei noch immer eine elektrische Verbindung aufrechterhalten wird. Obwohl die speziellen Dimensionen der Solarzelle 102 sich abhängig von der Anwendung ändern, sind Standarddimensionen ungefähr 1 cm². Beispielsweise kann ein Satz von Standarddimensionen Folgendes vorsehen: insgesamt 12,58 mm × 12,58 mm, ungefähr 0,160 mm Dicke und eine gesamte aktive Fläche von ungefähr 108 mm². Beispielsweise ist für eine Solarzelle 102 mit annähernd 12,58 mm × 12,58 mm die obere leitende Kontaktfläche 140 ungefähr 0,98 mm breit und die aktive Fläche kann ungefähr 10 mm × 10 mm betragen.
Die obere leitende Kontaktfläche 140 der Solarzelle 102 kann aus einer Vielzahl von leitenden Materialien gebildet sein, beispielsweise Kupfer, Silber und/oder goldbeschichtetes Silber. In diesen Implementierungen ist es die n-leitende Kathoden-(d. h. Emitter-)Seite der Solarzelle 102, diejenige die das Licht empfängt und demgemäß ist die obere leitende Kontaktfläche 140 auf der Kathodenseite der Solarzelle 102 angeordnet. In einem Ausführungsbeispiel ist die obere leitende Kontaktfläche 140 der Solarzelle 102 drahtverbunden mit der zweiten leitenden Zone 134 der metallisierten Oberfläche oder oberen Oberfläche 128 des Keramiksubstrats 126 über einen oder mehrere Verbindungsdrähte 142.
Die Bypassdiode koppelt die erste leitende Zone 132 der metallisierten Oberseite 128 des Keramiksubstrats 126 mit der zweiten leitenden Zone 134. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Kathodenanschluss der Bypassdiode 124 mit dem Anodenanschluss der Solarzelle 102 über die erste leitende Zone 132 des Keramiksubstrats 126 verbunden und ein Anodenanschluss der Bypassdiode 124 ist elektrisch verbunden mit dem Kathodenanschluss der Solarzelle 102 über die zweite leitende Zone 134 des Keramiksubstrats 126. Der Anodenanschluss der Solarzelle 102 wird durch die untere leitende Oberfläche 136 der Solarzelle 102, wie oben beschrieben, gebildet und ist in 2 nicht sichtbar, aber im Querschnitt der 3. Der Kathodenanschluss der Solarzelle 102 wird durch die obere leitende Kontaktfläche 140 der Solarzelle 102 geformt, wie dies oben beschrieben wurde. Die externen Verbindungsanschlüsse 125 und 127, angeordnet auf der metallisierten oberen Oberfläche oder Oberseite 128 des Keramiksubstrats 126, sehen die elektrische Kopplung einer Vorrichtung mit der Solarzelle 102 und der Bypassdiode 124 vor. Bei einigen Implementierungen entsprechen die Verbinder oder Verbindungsanschlüsse 125 und 127 den Anoden- und Kathodenanschlüssen und sind ausgelegt um (nicht gezeigte) Buchsenanschlüsse zur Verbindung mit benachbarten Solarzellenempfängern zu akzeptieren.
Die Oberseite 128 des Keramiksubstrats 126 kann metallisiert sein, und zwar durch Anbringung von Metallisierungsschichten 132 und 134 am Substrat. In einem Ausführungsbeispiel sind Löcher 144 in den Metallisierungsschichten 132 und 134 gebildet. 2 zeigt das Keramiksubstrat 126 mit zwei Metallisierungsschichten 132 und 134 und zwar angebracht an der oberen Substratoberfläche 128 (die untere metallisierte Oberfläche kann in 2 nicht gesehen werden, ist aber in dem Querschnitt der 3 sichtbar). Die Metallisierungsschichten 132 und 134 sind an der Oberseite 128 des Keramiksubstrats 126 angebracht, und zwar durch eine Hochtemperatur-Reaktionsverbindung (reactive bonding) oder einer anderen Art des Verbindungsprozesses. Die Unterseite 130 des Keramiksubstrats 126 kann in ähnlicher Weise metallisiert und an der Wärmefalle 120 angebracht sein.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Solarzelle 102, des Keramiksubstrats 126 und der Wärmefalle 120 des Solarzellenempfängers 100 entlang der X-X' in 1 bezeichneten Linie. Das sekundäre optische Element 104, die Lichtkonzentrationsvorrichtung 106 und die Anschlüsse 125, 127 sind zur Vereinfachung der Veranschaulichung in 3 nicht gezeigt. Die oberen und unteren Oberfläche 128 und 130 des Keramiksubstrats 126 sind metallisiert. Die obere metallisierte Oberfläche 128 des Substrats 126 besitzt gesonderte leitende Zonen 132 und 134 zum Vorsehen elektrisch isolierter Anoden- und Kathodenanschlüsse oder Verbindungen zur Solarzelle, wie oben beschrieben.
Die Solarzelle 102 besitzt eine leitende Unterseite 136, verbunden mit der leitenden Zone 132 der metallisierten Oberseite oder oberen Oberfläche 128 des Keramiksubstrats 126. In einem Ausführungsbeispiel bildet die leitende Unterseite 136 der Solarzelle 102 den Anodenanschluss der Solarzelle 102 und die leitende Kontaktfläche 140, angeordnet an der Oberseite 138 der Solarzelle 102, bildet den Kathodenanschluss der Solarzelle 102. Die leitende Unterseite 136 der Solarzelle 102 ist auf der ersten leitenden Zone 132 der metallisierten Oberseite 128 des Keramiksubstrats 126 angeordnet und elektrisch isoliert von der zweiten leitenden Zone 134, um den ordnungsgemäßen Betrieb der Solarzelle 102 zu gewährleisten.
Die untere Seite 130 des Keramiksubstrats 126 besitzt auch eine metallisierte Schicht 148, die mit der Wärmefalle 120 verbunden ist, und zwar mit einem hochthermisch leitenden Befestigungsmedium 150, wie beispielsweise metall-gefülltem Epoxikleber oder einem Lötmittel. Die Anfüllung eines Epoxiklebemittels mit Metall erhöht die thermische Leitfähigkeit der Zwischenfläche (Interface) zwischen dem Keramiksubstrat 126 der Wärmefalle 126, was weiter die Wärmecharakteristika des Solarzellenempfängers 100 verbessert. In einem Ausführungsbeispiel ist das hochthermisch leitende Befestigungsmedium 150 ein metallgefülltes Epoxiklebemittel mit einer Dicke t_epoxy von an nähernd 1 bis 3 mil. Das metallgefüllte Epoxiklebemittel kann auf der unteren metallisierten Oberfläche 130 des Keramiksubstrats 126, der Wärmefalle 120 oder beiden angebracht sein und wird dann ausgehärtet, um die Wärmefalle 120 mit dem Substrat 126 zu verbinden. In einem Ausführungsbeispiel ist die Wärmefalle 120 eine einstückige extrudierte Aluminiumwärmefalle, wie in 1 gezeigt.
Der Solarzellenempfänger 100 kann hergestellt werden durch Vorsehen des metallisierten Keramiksubstrats 126 und durch Verbindung der leitenden Unterseite 136 der Solarzelle 102 mit der ersten leitenden Zone 132 der metallisierten Oberseite 128 des Substrats 126. Die leitende Kontaktfläche 140, angeordnet an der Oberseite 138 der Solarzelle 102 ist mit der zweiten leitenden Zone 134 der metallisierten Oberseite 128 des Keramiksubstrats 126 verbunden, und zwar über einen oder mehrere Verbindungsdrähte 142. Die Wärmefalle 120 ist mit der unteren metallisierten Oberfläche 130 des Keramiksubstrats 126 mit dem metallgefüllten Epoxiklebemittel 150 verbunden.
4 veranschaulicht einen Querschnitt der Solarzelle 102 des Keramiksubstrats 126 und der Wärmefalle 120 des Solarzellenempfängers 100 entlang der Line X-X' in 1, und zwar nach der Verbindung der Lichtkonzentriervorrichtung 106 mit der Oberseite 138 der Solarzelle 102 mittels eines geeigneten lichtdurchlässigen Klebemittels 151. Nach der Anbringung der Lichtkonzentriervorrichtung 106 wird die Solarzelle 102 durch eine Einkapselung oder ein Einkapselungsmittel 152 umgeben, wobei ein Ausführungsbeispiel des Einkapselungsmittels auf Silikon basierend vorgesehen sein kann. Das Einkapselungsmittel wird über dem gesamten Teil des Keramiksubstrats 126 die Solarzelle 102 umgebend angebracht, und zwar einschließlich über der Zone zwischen der Wärmefalle 120 und der metallisierten Unterseite 130 des Keramiksubstrats 126 und auch wahlweise über der Diode 124, wobei sodann das Einkapselungsmittel oder die Einkapselung durch Wärme oder ein anderen Prozess ausgehärtet wird.

Claims

Eine Solarzellenempfänger-Subanordnung zur Verwendung in einem konzentrierenden Solarsystem, welches Solarenergie auf eine Solarzelle konzentriert, und zwar um einen Faktor von 1000 oder mehr zur Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität, wobei Folgendes vorgesehen ist: ein, einen optischen Kanal definierendes optisches Element, ein Solarzellenempfänger, der Folgendes aufweist: einen Träger; eine Solarzelle, angebracht auf dem Träger, benachbart zum optischen Element und in dem optischen Pfad des optischen Kanals, wobei die Solarzelle eine oder mehrere III-V Verbindungshalbleiterschichten aufweist und in der Lage ist, oberhalb 20 Watt Gleichstromspitzenleistung zu erzeugen; und eine Einkapselung bzw. ein Einkapselungsmittel welches den Träger, die Solarzelle und mindestens einen Teil der Außenseite des optischen Elements einkapselt.
Solarzellen-Subanordnung nach Anspruch 1, wobei die Einkapselung eine auf Silikon basierende Einkapselung ist.
Solarzellen-Subanordnung nach Anspruch 1, wobei ferner eine Diode auf dem Träger angebracht ist und mit einem Körper und einem Anodenanschluss und einem Kathodenanschluss, wobei die Diode parallel zur Solarzelle geschaltet ist.
Solarzellen-Subanordnung nach Anspruch 3, wobei ferner eine die Diode abdeckende Einkapselung vorgesehen ist.
Solarzellen-Subanordnung nach Anspruch 3, wobei ferner erste und zweite elektrische Kontakte auf dem Träger angebracht sind, und parallel mit der Solarzelle und Diode geschaltet sind.
Solarzellen-Subanordnung nach Anspruch 1, wobei die Solarzelle Dimensionen von ungefähr 1 cm × 1 cm besitzt.
Solarzellen-Subanordnung nach Anspruch 1, wobei ferner ein transparentes Klebemittel vorgesehen ist, und zwar angeordnet zwischen dem optischen Element und der Solarzelle.
Solarzellen-Subanordnung nach Anspruch 1, wobei das optische Element ein Vergrößerungselement ist.
Solarzellen-Subanordnung nach Anspruch 1, wobei die Solarzelle eine Triple-Junction-Solarzelle ist.
Solarzellen-Subanordnung nach Anspruch 1, wobei der Träger ein Keramiksubstrat ist, und zwar mit ersten und zweiten entgegengesetzt liegenden metallisierten Oberflächen.