DE102014210950A1 - PV module with concentrator optics and use of transparent, filled polymer networks for concentric optics - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft PV-Module mit Konzentratoroptik, die eine Solarzelle und mindestens eine Optik zur Konzentrierung der einfallenden Solarstrahlung sowie gegebenenfalls mindestens eine Ankopplungsschicht zwischen optischen Komponenten bzw. Optik und Solarzelle aufweisen, wobei die Optik und/oder die Ankopplungsschicht ein transparentes, gefülltes Polymernetzwerk, z. B. gefülltes Silikon, enthält oder aus diesem besteht. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung von transparenten, gefüllten Polymernetzwerken zur Herstellung von optischen Komponenten für PV-Module oder Leuchtdioden.The invention relates to PV modules with concentrator optics, which have a solar cell and at least one optical system for concentrating the incident solar radiation and optionally at least one coupling layer between optical components or optics and solar cell, wherein the optics and / or the coupling layer is a transparent, filled polymer network, z. B. filled silicone, contains or consists of this. Furthermore, the invention relates to the use of transparent, filled polymer networks for the production of optical components for PV modules or light-emitting diodes.
Description
Die Erfindung betrifft PV-Module mit Konzentratoroptik, die eine Solarzelle und mindestens eine Optik zur Konzentrierung der einfallenden Solarstrahlung sowie gegebenenfalls mindestens eine Ankopplungsschicht zwischen optischen Komponenten bzw. Optik und Solarzelle aufweisen, wobei die Optik und/oder die Ankopplungsschicht ein transparentes, gefülltes Polymernetzwerk, z. B. gefülltes Silikon, enthält oder aus diesem besteht. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung von transparenten, gefüllten Polymernetzwerken zur Herstellung von optischen Komponenten für PV-Module oder Leuchtdioden.The invention relates to PV modules with concentrator optics, which have a solar cell and at least one optical system for concentrating the incident solar radiation and optionally at least one coupling layer between optical components or optics and solar cell, wherein the optics and / or the coupling layer is a transparent, filled polymer network, z. B. filled silicone, contains or consists of this. Furthermore, the invention relates to the use of transparent, filled polymer networks for the production of optical components for PV modules or light-emitting diodes.
In der konzentrierenden Photovoltaik (engl. Concentrated PV, CPV) werden kostengünstige Optiken eingesetzt, um Solarstrahlung auf hocheffiziente, aber teure Solarzellen zu konzentrieren. CPV-Systeme müssen der Sonne nachgeführt werden, da nur die Direktstrahlung konzentriert werden kann. Insgesamt ist die Stromerzeugung durch CPV wettbewerbsfähig an Standorten mit hoher Direktstrahlung.In Concentrated Photovoltaics (CPV), cost-effective optics are used to concentrate solar radiation on highly efficient, but expensive solar cells. CPV systems must track the sun, as only direct radiation can be concentrated. Overall, power generation by CPV is competitive at sites with high direct radiation.
Konzentrierende Optiken können ein- oder mehrstufig aufgebaut sein. Eine Primäroptik, auch als Primärkonzentrator-Optik-Element (PKE) bezeichnet, konzentriert die einfallende Solarstrahlung auf eine Solarzelle. Um die Konzentration oder die Akzeptanz/Toleranz (z. B. gegenüber Nachführ-, Justage- und Montagefehler, Aberrationen der Pimäroptik oder Circumsolarstrahlung) zu erhöhen, werden in manchen Systemen zwei- oder mehrstufige Optiken eingesetzt. Die zweite Stufe, eine Sekundäroptik (engl. secondary optical element, SOE) kann dabei als massiv-dielektrischer Körper ausgeformt sein, der durch Lichtbrechung oder interne Totalreflexion an Grenzflächen die gewünschte optische Funktion erfüllt. Der Begriff Sekundäroptik sei im Folgenden so verstanden, dass er zweite oder höhere Konzentratoroptik-Stufen einschließen soll. Nach der letzten Konzentratorstufe empfängt obengenannte Solarzelle das Sonnenlicht und wandelt es in elektrische Energie um.Concentrating optics can be constructed in one or more stages. A primary optic, also referred to as primary concentrator optics element (PKE), concentrates the incident solar radiation on a solar cell. In order to increase the concentration or the acceptance / tolerance (eg with respect to tracking, adjustment and assembly errors, aberrations of the pima-optics or circumsolar radiation), in some systems two- or multi-stage optics are used. The second stage, a secondary optical element (SOE), can be formed as a solid-dielectric body, which fulfills the desired optical function by refraction of light or total internal reflection at interfaces. The term secondary optics is understood below to include second or higher concentrator optics stages. After the last stage of the concentrator, the above-mentioned solar cell receives the sunlight and converts it into electrical energy.
Als transparente Dielektrika, aus denen konzentrierende Optiken hergestellt werden können, werden unter anderem ganz oder teilweise vernetzte oder auch amorphe Materialien oder Polymere, z. B. Gläser oder transparente Kunststoffe, eingesetzt. Ein wichtiges Beispiel dieser Materialgruppe sind die transparenten Alkylsiloxane, die aufgrund ihrer Langlebigkeit selbst bei erhöhter Bestrahlung hervorragend für die konzentrierende Photovoltaik sowohl als Primär- als auch als Sekundäroptiken geeignet sind. So werden z. B. Fresnel-Linsen aus transparentem Silikon auf Glas (engl. silicone an glass, SOG) als Primäroptiken eingesetzt oder spritzgegossene massive Körper aus transparentem Silikon als Sekundäroptiken untersucht.As transparent dielectrics from which concentrating optics can be produced, inter alia, completely or partially crosslinked or amorphous materials or polymers, for. As glasses or transparent plastics used. An important example of this material group are the transparent alkyl siloxanes, which, due to their longevity, are highly suitable for concentrating photovoltaics, both as primary and secondary optics, even with increased irradiation. So z. For example, Fresnel lenses made of transparent silicone on glass (English: silicone on glass, SOG) are used as primary optics or injected injection-molded solid body made of transparent silicone as secondary optics examined.
Darüber hinaus kann eine Sekundäroptik an die empfangene Solarzelle vorzugsweise optisch angekoppelt werden, was typischerweise durch einen optisch transparenten Kleber erfolgt, der neben der optischen Ankopplung durch einen geeigneten Brechungsindex gleichzeitig eine Haftung der Sekundäroptik an der Zelle ermöglicht. Auch in einer solchen optischen Ankoppelschicht können entsprechende transparente Polymernetzwerke eingesetzt werden. So kann die Sekundäroptik derzeit z. B. mittels einer Polydimetylsiloxan-Schicht auf der Solarzellenoberfläche fixiert und optisch angekoppelt werden.In addition, a secondary optics can preferably be optically coupled to the received solar cell, which typically takes place by means of an optically transparent adhesive which, in addition to the optical coupling by means of a suitable refractive index, simultaneously enables adhesion of the secondary optics to the cell. In such an optical coupling layer corresponding transparent polymer networks can be used. So the secondary optics currently z. B. are fixed by means of a polydimetylsiloxane layer on the solar cell surface and optically coupled.
Beim Einsatz von Silikonen in massiven Sekundäroptiken mit typischen Dimensionen z. B. von mehreren Millimetern ,Dicke' (Lichtweg) führen die spektralen Absorptionsbanden des Silikons zu einer Bulk-Absorption der konzentrierten Strahlung in einem Spektralbereich, der bei Mehrfach-Stapelsolarzllen im Bereich der im Stapel tief liegenden Zellen (sog. ,bottom cells', die sensitiv im Bereich der langwelligen sichtbaren bis nah-infraroten Strahlung sind) liegt. Aktuelle Untersuchungen weisen darauf hin, dass diese Absorptionen und die damit verbundene Reduktion des Photostroms der tief liegenden Zelle den Einsatz von Silikon-Sekundäroptiken in Verbindung mit Vierfach-Stapelzellen unter Umständen verbieten oder zumindest eine spezielle Anpassung der Zellen erforderlich machen.When using silicones in massive secondary optics with typical dimensions z. B. of several millimeters, thickness' (light path), the spectral absorption bands of the silicone lead to a bulk absorption of the concentrated radiation in a spectral range, which in Mehrfach-Stapelelsolarzllen in the range of deep cells in the stack (so-called. which are sensitive in the range of long-wave visible to near-infrared radiation). Recent studies indicate that these absorptions and the associated reduction in the photocurrent of the low-lying cell may prohibit the use of silicone secondary optics in combination with quadruple stack cells or may require at least a special adaptation of the cells.
Während massive Silikon-Sekundäroptiken bei Dreifach-Stapelsolarzellen noch eingesetzt werden können, ist der Einsatz mit den noch effizienteren Vierfach-Zellen in naher Zukunft unter Umständen also mit signifikanten Nachteilen verbunden.While massive silicone secondary optics can still be used in triple-stacked solar cells, their use with even more efficient quadruple cells in the near future may be associated with significant disadvantages.
SOG-Primäroptiken zeigen aufgrund der stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glas und Silikon eine Deformation der Fresnellinsenstruktur bei starken Temperaturänderungen. Diese führt zu einer Verschlechterung der fokussierenden Eigenschaften, und damit zu einer Reduktion des Ertrages des CPV-Systems. Die Fokussierung kann auf eine Temperatur optimiert werden, aber im Tages- oder Jahreszeitlichen Temperaturgang eines Systems im Feld führen diese Effekte prinzipiell zu Reduktionen im Ertrag. Dieser Nachteil ist grundsätzlicher Natur bei den eingesetzten Materialien und deren Ausdehnungskoeffizienten.Due to the very different thermal expansion coefficients of glass and silicone, SOG primary optics show a deformation of the Fresnel lens structure under severe temperature changes. This leads to a deterioration of the focusing properties, and thus to a reduction of the yield of the CPV system. The focus can be optimized to a temperature, but in the day or seasonal temperature response of a system in the field, these effects lead in principle to reductions in yield. This disadvantage is fundamental in the materials used and their expansion coefficients.
Um die optischen Fresnel-Verluste bei der dielektrischen Ankopplung von optischen Bauteilen, bzw. optischem Bauteil und Solarzelle, gering zu halten, sollte der Brechungsindex der entsprechenden Ankoppelschicht nahe der Mitte zwischen den beiden Brechungsindizes der angrenzenden Schichten liegen. Die Brechzahl liegt bevorzugt etwas unterhalb der Hälfte des Brechzahl-Abstandes zwischen den beiden Optiken; eine Verbesserung wird aber auch bereits erzielt wenn die Brechzahl der Ankoppelschicht zwischen den Brechungsindices der beiden anzukoppelnden Optiken (hier: Sekundäroptik und Solarzelle) liegt. Das finale Optimum wäre hier nicht nur im Kontext der Brechzahlen von Sekundäroptik und oberstem Eintrittsmaterial der Solarzelle, sondern auch im Kontext der Multilayer-Antireflexbeschichtung der Solarzelle selbst zu ermitteln.In order to minimize the optical Fresnel losses in the dielectric coupling of optical components or optical component and solar cell, the refractive index of the corresponding coupling layer should be close to the middle between the two refractive indices of the adjacent layers. The refractive index is preferably slightly below half the refractive index distance between the two optics; But an improvement is already achieved when the refractive index of the Coupling layer between the refractive indices of the two optics to be coupled (here: secondary optics and solar cell) is located. The final optimum would not only be determined here in the context of the refractive indices of secondary optics and top entry material of the solar cell, but also in the context of the multilayer antireflection coating of the solar cell itself.
Ausgehend von dieser im Stand der Technik bekannten Problematik war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Konzentratoroptiken bereitzustellen, insbesondere für PV-Module, die verbesserte thermomechanische Eigenschaften bei vergleichbaren oder verbesserten optischen Eigenschaften aufweisen.Starting from this problem known in the prior art, it was the object of the present invention to provide concentrator optics, in particular for PV modules, which have improved thermomechanical properties with comparable or improved optical properties.
Diese Aufgabe wird durch das PV-Modul mit Konzentratoroptik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In Anspruch 9 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.This object is achieved by the PV module with concentrator optics with the features of claim 1. Claim 9 discloses uses according to the invention. The other dependent claims show advantageous developments.
Erfindungsgemäß wird ein PV-Modul mit Konzentratoroptik bereitgestellt, das eine Solarzelle und mindestens eine Optik zur Konzentrierung der einfallenden Solarstrahlung aufweist. Das erfindungsgemäße PV-Modul ist dadurch gekennzeichnet, dass die Optik ein transparentes, gefülltes Polymernetzwerk enthält oder aus diesem besteht. ,Transparent' bedeutet hier, dass das Bulk-Material im Wellenlängenbereich der in CPV-Systemen verwertbaren Solarstrahlung möglichst geringe bzw. keine signifikanten und dominierenden Absorptionen oder Reflexionen (Streuung/Remissionen) aufweist.According to the invention, a PV module with concentrator optics is provided which has a solar cell and at least one optic for concentrating the incident solar radiation. The PV module according to the invention is characterized in that the optic contains or consists of a transparent, filled polymer network. 'Transparent' here means that the bulk material in the wavelength range of the solar radiation that can be used in CPV systems has the lowest or no significant and dominant absorption or reflection (scattering / remission).
Vorzugsweise ist das Polymernetzwerk ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silikonelastomeren, Ionomeren, Ethylenvinylacetat und Kombinationen hiervon. Das Polymernetzwerk enthält bevorzugt mindestens einen darin nanodispergierter Füllstoff.Preferably, the polymer network is selected from the group consisting of silicone elastomers, ionomers, ethylene vinyl acetate, and combinations thereof. The polymer network preferably contains at least one nanodispersed filler therein.
Im Falle eines Silikonelastomers ist dieses vorzugsweise ein Polyalkylsiloxan, insbesondere Polydimethylsiloxan.In the case of a silicone elastomer, this is preferably a polyalkylsiloxane, in particular polydimethylsiloxane.
Im Falle eines Ionomers ist dieses bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ionomeren Copolymeren aus Ethylen und einer α,β-ungesättigten Carbonsäure oder einem Carbonsäureanhydrid dieser Carbonsäure, insbesondere Ethylen-Methacrylsäure-(co)polymere, wobei die Ionomere vorzugsweise Carbonsäuregruppen enthalten, die mit Metallionen ausgewählt aus der Gruppe Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Zink zumindest teilweise neutralisiert sind.In the case of an ionomer, this is preferably selected from the group consisting of ionomeric copolymers of ethylene and an α, β-unsaturated carboxylic acid or a carboxylic anhydride of this carboxylic acid, in particular ethylene-methacrylic acid (co) polymers, wherein the ionomers preferably contain carboxylic acid groups with Metal ions selected from the group of sodium, potassium, calcium, magnesium, zinc are at least partially neutralized.
Typischerweise bestehen die Füllstoffe an sich aus einem Material, das im hier relevanten Spektralbereich transparent ist (und keine zusätzlichen Absorptionen verursacht).Typically, the fillers themselves are made of a material that is transparent in the spectral region of interest (and does not cause additional absorption).
Der Füllstoff ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus oxidischen, nitridischen und carbidischen Metall- und Halbmetallverbindungen sowie Mischungen hiervon. Hierzu zählen insbesondere Aluminiumoxid (in der alpha-, gamma-, delta- und theta-Modifikation sowie Mischungen aus zwei oder mehreren der genannten Modifikationen), Zirkoniumdioxid, yttriumdotiertes Zirkoniumdioxid, Titandioxid (als Rutil, Anatas oder Brookit und in Mischung von zwei oder drei der genannten Modifikationen), Siliziumdioxid (auch als Mischoxid mit Aluminiumoxid und/oder Titandioxid), Antimonoxid, Zinkoxid, Ceroxid, Eisenoxide, Palladiumdioxid, sowie Mischoxide von wenigsten zwei der genannten Verbindungen.The filler is preferably selected from the group consisting of oxidic, nitridic and carbidic metal and semimetal compounds and mixtures thereof. These include, in particular, aluminum oxide (in the alpha, gamma, delta and theta modification and mixtures of two or more of the modifications mentioned), zirconium dioxide, yttrium-doped zirconium dioxide, titanium dioxide (as rutile, anatase or brookite and in a mixture of two or three the aforementioned modifications), silicon dioxide (also as mixed oxide with aluminum oxide and / or titanium dioxide), antimony oxide, zinc oxide, cerium oxide, iron oxides, palladium dioxide, and mixed oxides of at least two of the compounds mentioned.
Weiterhin bevorzugt sind auch Indiumzinnoxid, Antimonzinnoxid. Zweckmäßige anorganische Partikel umfassen auch Materialien vom Spinelltyp, wie Aluminium-, Eisen-, Chrom-, Titan- und Cobaltspinelle.Also preferred are indium tin oxide, antimony tin oxide. Useful inorganic particles also include spinel type materials such as aluminum, iron, chromium, titanium and cobalt spinels.
Außerdem sind auch keramische Partikel wie Bornitrid, Borcarbid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid sowie deren Mischungen von Interesse. Alle genannten Verbindungen können auch als Mischverbindungen (wie z. B. Mischoxide) und/oder Mischungen von wenigstens zwei Verbindungen von Nutzen sein. Auch der gemeinsame Einsatz von ein oder mehreren Mischverbindungen in Mischung mit einer oder mehreren Verbindungen kann bevorzugt sein.In addition, ceramic particles such as boron nitride, boron carbide, silicon carbide, silicon nitride and mixtures thereof are of interest. All of these compounds may also be useful as mixed compounds (such as mixed oxides) and / or mixtures of at least two compounds. Also, the joint use of one or more mixed compounds in admixture with one or more compounds may be preferred.
Ebenso sind aber auch Füllstoffe auf anderer Basis, wie z. B. Bariumsulfat oder Bariumtitanat geeignet.Likewise, but also fillers on other bases, such. As barium sulfate or barium titanate suitable.
Der Füllstoff sollte vorzugsweise nicht nur transparent sein im relevanten Spektralbereich, sondern durch Einbringen des Füllstoffes sollten auch keine unerwünschten Reflexions- bzw. Remissionsverluste hervorgerufen werden, die durch Streuung entstehen können. Dies wird vermieden, indem Füllstoffe nanodispergiert eingebracht werden: sind die eingebrachten Füllstoffe (Teilchen oder Domänen) klein gegenüber der Wellenlänge der relevanten Strahlung und zudem homogen dispergiert, so werden sie von einer Lichtwelle nicht ,aufgelöst' und die Welle wird nicht gestreut. Stattdessen ,sieht' die elektromagnetische Welle ein homogenes Medium mit einem effektiven Brechungsindex, der zwischen den Brechungsindices des Polymernetzwerks und des Füllstoffes liegt. Dieser effektive Brechungsindex kann mittels verschiedener effektiv-Medium-Theorien berechnet werden. In einer einfachen Näherung lässt sich der resultierende effektive Brechungsindex neff als gewichtet gemittelter Brechungsindex der Komponenten Polymernetzwerk (nP) und Füllstoff (nF) beschreiben, wobei als Wichtungsfaktoren die Volumanteile des Polymernetzwerks (VAP) und des Füllstoffs (VAF) dienen:
Bei Verwendung von mehr als zwei Komponenten (z. B. Matrix als Mischung verschiedener Polymernetzwerk-Komponenten, oder Verwendung mehrerer Füllstoffe) wird diese Gleichung entsprechend erweitert.Using more than two components (eg, matrix as a mixture of different polymer network components, or using multiple fillers) extends this equation accordingly.
Somit lässt sich der Brechungsindex durch Zugabe eines Füllstoffes gezielt einstellen.Thus, the refractive index can be adjusted specifically by adding a filler.
Um hohe Volumenanteile des Füllstoffes zu erzielen kann es u. U. zielführend sein, keinen monodispersen Füllstoff (einheitliche Teilchengröße) zu verwenden, sondern multidisperse Mischungen oder Füllstoffe einzusetzen.To achieve high volume fractions of the filler it may u. U. be effective, not to use a monodisperse filler (uniform particle size), but to use multidisperse mixtures or fillers.
Die Vermischung von Polymernetzwerk und Füllstoff geschieht üblicherweise vor der Vernetzung und kann prinzipiell mechanisch erfolgen, da die Ausgangsstoffe am Beispiel Polydimethylsiloxan als Polymernetzwerk und Siliziumdioxid als Füllstoff in ihrer Oberfläche ähnlich sind und sich deswegen vermischen lassen. Eine Synthese hierfür ist
Für einen hohen Füllgehalt unter Einhaltung optischer Transparenz ist eine Synthese bevorzugt, bei der Tetraethoxylsilan (TEOS) in einem Sol-Gel-Prozess ein mit Silica gefülltes Netzwerk aus Polydimetylsiloxan in-situ erzeugt wird. Dieses Verfahren kann vor, nach Vernetzung oder als Vernetzungsschritt selbst eingesetzt werden. Die Synthese ist in
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Optik eine Primäroptik ist. Die Primäroptik weist dabei bevorzugt (bei typischen Betriebstemperaturen der betreffenden Optik) einen Brechungsindex bei der Natrium D Linie im Bereich von 1,3 und 1,6, besonders bevorzugt von 1,4 bis 1,5 auf.A preferred embodiment provides that the optics is a primary optic. The primary optic preferably has (at typical operating temperatures of the optical system in question) a refractive index in the sodium D line in the range of 1.3 and 1.6, more preferably from 1.4 to 1.5.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das PV-Modul eine Sekundäroptik aufweist, wobei zwischen Solarzelle und Sekundäroptik mindestens eine Ankopplungsschicht angeordnet ist. Die Sekundäroptik weist (bei den typischen Betriebstemperaturen der betreffenden Optik) vorzugsweise einen Brechungsindex bei der Natrium D-Linie im Bereich von 1,35 bis 1,6 auf.A further preferred embodiment provides that the PV module has a secondary optics, wherein at least one coupling layer is arranged between the solar cell and the secondary optics. The secondary optic preferably has a refractive index at the sodium D-line in the range of 1.35 to 1.6 (at the typical operating temperatures of the subject optics).
Um für den Einsatz als Ankopplungsschicht für hoch brechende SOE (n_D > 1.5) geeignet zu sein und die hierfür gegebenen Bedingungen hinsichtlich des Brechungsindex zu erfüllen, sind für die genannten Polymernetzwerke mit vergleichsweise niedrigen Brechungsindices (n_D < 1.5) hochbrechende Füllstoffe oder hohe Volumenanteile des Füllstoffes bevorzugt, wobei das Gebot der möglichst hohen Transparenz natürlich weiterhin zu beachten ist und hier ein geeigneter, optimaler Mittelweg anzustreben ist. Für die Materialien der Füllstoffe für die Ankopplungsschicht sind die gleichen Materialien geeignet, die zuvor für die Optiken genannt wurden.In order to be suitable for use as a coupling layer for high-refractive SOE (n_D> 1.5) and to meet the given conditions with respect to the refractive index, high refractive fillers or high volume fractions of the filler are for the said polymer networks with comparatively low refractive indices (n_D <1.5) Of course, the requirement of the highest possible level of transparency must of course continue to be observed and a suitable, optimal middle course should be sought here. For the materials of the fillers for the coupling layer, the same materials that were previously mentioned for the optics are suitable.
Die Ankopplungsschicht besitzt vorzugsweise einen Brechungsindex im Bereich zwischen dem effektiven Brechungsindex der Solarzelle (bzw. der auf den eigentlichen Halbleiter-Zellen möglicherweise befindlichen weiteren optischen Schichten) und dem effektiven Brechungsindex der Sekundäroptik.The coupling layer preferably has a refractive index in the range between the effective refractive index of the solar cell (or the additional optical layers possibly located on the actual semiconductor cells) and the effective refractive index of the secondary optics.
Spritzgegossene Sekundäroptiken aus Silikonelastomeren können sehr kostengünstig hergestellt werden und bieten sich damit für den Einsatz in der konzentrierenden Photovoltaik an. Solarzellen für die konzentrierende Photovoltaik werden sukzessive weiterentwickelt. Dabei ist eine Entwicklung hin zu Zellen mit höherer (Umwandlungs-)Effizienz die Erhöhung der Anzahl von Teilzellen in Mehrfach-Stapelsolarzellen. Derzeit sind Dreifachzellen Stand der Technik, Vierfachzellen werden untersucht und voraussichtlich bald kommerzialisiert. Wie bereits oben beschrieben, können sich die Absorptionsbanden klassischer Silikone beim Einsatz als massive Sekundäroptik in Verbindung mit Vierfach-Stapelzellen negativ auf das Gesamtsystem auswirken oder zumindest spezielle Anpassungen der Zellen erforderlich machen. Der Einsatz der erfindungsgemäßen transparenten, gefüllten Polymernetzwerke, insbesondere gefüllten transparenten Silikonen, als Sekundäroptik in Verbindung mit Vierfachzellen verspricht kosteneffiziente und gleichzeitig hoch (Umwandlungs-)effiziente CPV-Systeme herstellen zu können und damit die Stromgestehungskosten der konzentrierenden Photovoltaik zu reduzieren.Injection-molded secondary optics made of silicone elastomers can be produced very inexpensively and are therefore suitable for use in concentrating photovoltaics. Solar cells for concentrating photovoltaics will be successively developed further. In this case, a trend towards cells with higher (conversion) efficiency is the increase in the number of sub-cells in multi-stack solar cells. Currently, triple cells are state of the art, quadruple cells are under investigation and expected to be commercialized soon. As already described above, the absorption bands of classical silicones when used as massive secondary optics in combination with quadruple stack cells can have a negative effect on the overall system or at least make special adjustments to the cells necessary. The use of the transparent, filled polymer networks according to the invention, in particular filled transparent silicones, as secondary optics in combination with quadruple cells promises to be able to produce cost-efficient and at the same time high (conversion) efficient CPV systems and thus to reduce the electricity production costs of the concentrating photovoltaics.
Primäroptiken auf Silikon-Basis weisen gegenüber anderen Primärkonzentratoren (z. B. massive Fresnelllinsen(-platten) aus PMMA) eine Vielzahl von Vorteilen auf. Nachteil ist jedoch der Temperaturgang der optischen Performance, der die Effizienz im System im Feld reduziert und begrenzt. Die erfindungsgemäßen können hier den Temperaturgang reduzieren und somit die Effizienz der Konzentratoroptik im Feld verbessern.Silicone-based primary optics have a number of advantages over other primary concentrators (eg PMMA solid Fresnel (PMMA) lenses). Disadvantage, however, is the temperature gradient of the optical performance, the efficiency reduced and limited in the system in the field. The invention can here reduce the temperature response and thus improve the efficiency of the concentrator optics in the field.
Gleichzeitig ist zu erwarten, dass die Verarbeitbarkeit vergleichbar oder besser ist als die von klassischen Silikonen für SOG, so dass die Herstellkosten vergleichbar oder geringer sein sollten. Die erfindungsgemäßen Primäroptiken aus transparenten, gefüllten Polymernetzwerken können so die Stromgestehungskosten der konzentrierenden Photovoltaik reduzieren.At the same time, it is expected that the processability is comparable or better than that of classical silicones for SOG, so that the production costs should be comparable or lower. The primary optics of transparent, filled polymer networks according to the invention can thus reduce the electricity production costs of the concentrating photovoltaic.
Ein gezielt stufenlos einstellbarer Brechungsindex von transparenten, gefüllten Polymernetzwerken für die optische Ankopplung von optischen Komponenten bzw. von Sekundäroptik zu Solarzelle senkt darüber hinaus auftretende optische Verluste (Reflexionsverluste/Index-Matching).A specifically infinitely adjustable refractive index of transparent, filled polymer networks for the optical coupling of optical components or from secondary optics to solar cell also reduces occurring optical losses (reflection losses / index matching).
Im Bereich der Sekundäroptiken kann die Bulk-Absorption von Silikonen (oder anderen transparenten Polymernetzwerken) durch erfindungsgemäßes Füllen reduziert werden. Darüber hinaus ist es denkbar, dass auch andere optische oder thermomechanische Eigenschaften (z. B. UV-Stabilität, Verarbeitbarkeit, Oberflächeneigenschaften wie Klebrigkeit) verbessert werden. Damit können z. B. Sekundäroptiken aus Silikon (gefüllt) auch in Kombination mit effizienteren Vierfach-Stapelzellen einfacher und mit höherem Nutzen eingesetzt werden.In the field of secondary optics, the bulk absorption of silicones (or other transparent polymer networks) can be reduced by filling in accordance with the invention. In addition, it is conceivable that other optical or thermomechanical properties (eg UV stability, processability, surface properties such as tackiness) are also improved. This can z. As secondary silicone (filled) can be used in combination with more efficient quadruple stack cells easier and with greater benefits.
Im Bereich der Primäroptiken kann die thermische Ausdehnung von Silikonen (oder anderen transparenten Polymernetzwerken) reduziert werden, da die meist anorganischen Füllstoffe typischerweise eine geringere thermische Ausdehnung aufweisen als das Polymernetzwerk. Darüber hinaus ist es denkbar, dass auch andere optische oder thermomechanische Eigenschaften (z. B. UV-Stabilität, Verarbeitbarkeit, Oberflächeneigenschaften wie Klebrigkeit) verbessert werden. So können Primäroptiken hergestellt werden, die gegenüber SOG nach dem Stand der Technik reduzierte Temperaturänderungen im optischen Verhalten aufweisen und somit den Ertrag eines CPV-Kraftwerkes erhöhen.In the field of primary optics, the thermal expansion of silicones (or other transparent polymer networks) can be reduced since most inorganic fillers typically have a lower thermal expansion than the polymer network. In addition, it is conceivable that other optical or thermomechanical properties (eg UV stability, processability, surface properties such as tackiness) are also improved. Thus, primary optics can be produced which, compared with SOG according to the prior art, have reduced temperature changes in the optical behavior and thus increase the yield of a CPV power plant.
Bei der Verwendung von Leuchtdioden wird oft eine Optik unmittelbar an die Leuchtdiode angekoppelt (oder die Leuchtdiode direkt in einer transparenten Masse vergossen). Auch hier können erfindungsgemäß transparente, gefüllte Polymernetzwerke (Silikone) gewinnbringend eingesetzt werden, wobei sie entweder als Ankoppelschicht z. B. zu einer Optik aus Glas (analog zu einer massiven SOE aus Glas in der CPV) oder als Optikelement bzw. Vergussmasse (analog zu einer direkt mit der PV-Zelle vergossenen SOE in der CPV) eingesetzt werden.When using light-emitting diodes, optics are often coupled directly to the light-emitting diode (or the light-emitting diode is cast directly in a transparent mass). Again, according to the invention transparent, filled polymer networks (silicones) can be used profitably, either as a coupling layer z. B. to a lens made of glass (analogous to a solid SOE made of glass in the CPV) or as an optical element or potting compound (analogous to a cast directly with the PV cell SOE in the CPV) are used.
Erfindungsgemäß wird ebenso die Verwendung als transparent gefülltes Silikon zur Herstellung von optischen Komponenten für PV-Module oder Leuchtdioden bereitgestellt.The invention also provides the use as a transparent filled silicone for the production of optical components for PV modules or light-emitting diodes.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- E. G. Rochow, Silicium und Silicone, Springer-Verlag, 1987, S. 125 ff. [0025] EG Rochow, Silicon and Silicone, Springer-Verlag, 1987, p. 125 et seq. [0025]
- L. Dewimille et al., Synthesis, structure and morphology of poly(dimethylsiloxane) networks filled with in situ generated silica particles, Polymer 46 (2005), S. 4135–4143 [0026] Dewimille et al., Synthesis, structure and morphology of poly (dimethylsiloxane) networks filled with in situ generated silica particles, Polymer 46 (2005), pp. 4135-4143 [0026]
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |