DE102014223298B4

DE102014223298B4 - Optische Anordnung und Photovoltaikmodul, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendungen hiervon

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Publication number: DE102014223298B4
Application number: DE102014223298.8A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Hornung; Peter Nitz; Peter Kiefel; Tobias Schmid; Thomas Schmidt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2034-11-15
Also published as: DE102014223298A1

Abstract

Optische Anordnung enthaltenda) eine Glaskugel (A) oder eine Glashalbkugel (A) aus Glas, das zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist;b) eine planparallele Glasplatte (B) aus Glas, das zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist, wobei die Glasplatte (B) auf einer ersten Seite der Glasplatte (B) über einen ersten Bereich mit der Glaskugel (A) oder einer planen Seite der Glashalbkugel (A) verbunden und optisch angekoppelt ist; undc) ein Halbleiterbauelement (E) mit einer optisch aktiven Fläche, wobei die optisch aktive Fläche des Halbleiterbauelements (E) über einen zweiten Bereich mit einer zweiten Seite der Glasplatte (B), die der ersten Seite der Glasplatte (B) gegenüber liegt, verbunden und optisch angekoppelt ist; wobei der erste Bereich ein erstes optisch transparentes, festes Koppelmedium (C) enthält oder daraus besteht und der zweite Bereich ein zweites optisch transparentes, festes Koppelmedium (C) enthält oder daraus besteht, wobei das erste und zweite Koppelmedium (C, C) identisch oder verschieden sind und das erste und zweite Koppelmedium (C, C) zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent sind, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Glasplatte (B) dergestalt lateral zum Halbleiterbauelement (E) positioniert ist, dass ein imaginäres Lot von dem Mittelpunkt der Glaskugel (A) oder der Glashalbkugel (A) auf die Ebene, die von der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) aufgespannt wird, die planparallele Glasplatte (B) durchdringt oder zumindest einen seitlichen Rand der Glasplatte (B) kontaktiert, wobei das imaginäre Lot nicht exakt die geometrische Mitte der planparallelen Glasplatte (B) durchdringt, wodurch eine asymmetrische Anordnung der Glasplatte (B) vorliegt, die so ausgestaltet ist, dass ausreichend Platz für Bond-Drähte zur elektrischen Vorderseitenkontaktierung des Halbleiterbauelements (E) zur Verfügung steht.

Description

Es wird erfindungsgemäß eine optische Anordnung bereitgestellt, die eine kostengünstige Alternative zu einer optischen Domlinsen-Anordnung darstellt. Die optische Anordnung weist eine Glaskugel oder eine Glashalbkugel und eine planparallele Glasplatte aus optisch transparentem Glas und ein Halbleiterbauelement mit optisch aktiver Fläche auf. Die erste Seite der Glasplatte ist über einen ersten Bereich mit der Glaskugel oder Glashalbkugel verbunden und optisch angekoppelt, während die optisch aktive Fläche des Halbleiterbauelements über einen zweiten Bereich mit einer zweiten, gegenüberliegenden Seite der Glasplatte verbunden und optisch angekoppelt ist. Der erste und der zweite Bereich enthalten jeweils ein optisch transparentes, festes Koppelmedium oder bestehen daraus. Ferner werden Verfahren zur Herstellung der optischen Anordnung und der Herstellung eines Photovoltaikmoduls mit der optischen Anordnung, als auch Verwendungsmöglichkeiten hiervon, vorgeschlagen.
In der hochkonzentrierenden Photovoltaik (HCPV, CPV) wird das direkte Sonnenlicht durch Optiken vielhundertfach auf eine kleine hocheffiziente Solarzelle konzentriert. Die erste optische Konzentratorstufe (Primärkonzentrator) ist oft eine Fresnel-Linse oder ein Parabolspiegel. Häufig werden auch noch eine oder mehrere weitere Konzentratorstufen eingesetzt. Die letzte dieser weiteren optischen Konzentratorstufen ist dabei oft direkt optisch an die Solarzelle angekoppelt. Eine mögliche Ausgestaltung dieses letzten optischen Bauteils im Konzentrator ist die Domlinse.
Die optische Wirkung einer Domlinse beruht auf der Lichtbrechung an ihrer Eintrittsapertur. Unter rein optischen Gesichtspunkten ist in der Regel eine asphärische Oberfläche zu bevorzugen, aber durch eine geeignet gewählte sphärische Oberfläche lassen sich oft auch sehr gute optische Eigenschaften des Konzentratorsystems erreichen. Wichtige optische Qualitätskriterien sind die optische Effizienz, der Akzeptanzwinkel und die Homogenität der Bestrahlung der Solarzelle.
Aufgrund der hohen UV-Bestrahlung und der thermischen Belastung der Sekundäroptik in einem CPV-Modul wird bevorzugt Glas als Material für die letzte Konzentratorstufe verwendet. Bisher werden Domlinsen aus Glas im Blankpressprozess hergestellt. Die optisch aktive Oberfläche kann dabei sphärisch, rotationssymmetrisch asphärisch oder eine dreidimensionale Freiform sein. Die Unterseite der Optik wird mit einem Koppelmedium (optischer Kleber) an die Solarzelle optisch angekoppelt und mechanisch angeklebt. Als Koppelmedium kann z.B. ein transparentes Silikon eingesetzt werden.
Die Herstellung von Glas-Domlinsen z.B. in einem Blankpressprozess ist ein relativ kostenintensiver Produktionsprozess. Als günstigere Alternative zu Domlinsen aus Glas werden Domlinsen aus Silikon verwendet, die allerdings höhere optische Verluste durch Absorption insbesondere im infraroten Spektralbereich verursachen. Zudem bestehen größere Unsicherheiten, ob die UV-Stabilität beim Einsatz als Sekundäroptiken in einem CPV-Modul für eine Betriebsdauer von 20 bis 30 Jahren ausreichend ist.
Als weitere kostengünstige Alternative werden Glaskugeln an Stelle der Domlinsen eingesetzt. Sie bieten jedoch wesentliche Einschränkungen in der Geometrie, weil der Kugeldurchmesser gleichzeitig die Krümmung der Eintrittsapertur und ihren Abstand zur Solarzelle festlegt. Um dieses Problem zu umgehen, wird im Stand der Technik ein mit der Solarzelle verbundener Abstandshalter eingesetzt, dessen Struktur die Glaskugel zentriert und damit korrekt positioniert. Dieser Abstandshalter kann elektrisch leitfähig sein, um gleichzeitig als elektrische Kontaktierung der Solarzelle zu dienen (siehe z.B. US 2014 / 0 034 127 A1 ). Mit einem solchen Abstandshalter entsteht zwischen Glaskugel und Solarzelle ein Spalt, der mit dem optischen Koppelmedium gefüllt ist (z.B. Silikon).
Die meisten optischen Kleber, insbesondere Silikone, die in dem Spalt zwischen Glaskugel und Solarzelle eingesetzt werden, besitzen jedoch im infraroten Spektralbereich Absorptionsbanden, die bei langem Lichtweg innerhalb vom Koppelmedium relevante optische Verluste verursachen. Auch ein Vergilben des Koppelmediums durch intensive UV-Bestrahlung führt bei langen Lichtwegen im Koppelmedium zu hohen optischen Verlusten.
Die US 2003 / 0 016 452 A1 offenbart einfache, kostengünstige und langlebige Mehrelement-Linsensysteme, die eine Glasmikrokugel umfassen, die an eine ebene Oberfläche einer Glashalbkugel gebunden ist. Di US 2013 / 0 146 120 A1 offenbart ein Photovoltaikmodul vom Konzentratortyp, enthaltend primäre Linsenelemente, sekundäre sphärische Linsenelemente und Solarzellen, wobei jeweils primäre Linsenelemente so positioniert sind, dass sie Licht durch das darauf befindliche sekundäre Linsenelement auf die jeweiligen Solarzellen konzentrieren.
Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Anordnung bereitzustellen, die gegenüber Anordnungen mit echten Domlinsen einfacher, schneller und kostengünstiger produziert werden kann und gegenüber bekannten optischen Anordnungen mit Glaskugeln verbesserte Transmissionseigenschaften aufweist, insbesondere eine geringere Absorption im IR-Bereich und eine höhere Langzeitstabilität gegenüber UV-Strahlung.
Die Aufgabe wird gelöst durch die optische Anordnung gemäß Anspruch 1, das konzentrierende Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 17, das Verfahren zur Herstellung der optischen Anordnung gemäß Anspruch 18, das Verfahren zur Herstellung des konzentrierenden Photovoltaikmoduls gemäß Anspruch 19 und die Verwendung der optischen Anordnung gemäß Anspruch 20. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird eine optische Anordnung bereitgestellt, enthaltend

a) eine Glaskugel oder eine Glashalbkugel aus Glas, das zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist;
b) eine planparallele Glasplatte aus Glas, das zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist, wobei die Glasplatte auf einer ersten Seite der Glasplatte über einen ersten Bereich mit der Glaskugel oder einer planen Seite der Glashalbkugel verbunden und optisch angekoppelt ist; und
c) ein Halbleiterbauelement mit einer optisch aktiven Fläche, wobei die optisch aktive Fläche des Halbleiterbauelements über einen zweiten Bereich mit einer zweiten Seite der Glasplatte, die der ersten Seite der Glasplatte gegenüber liegt, verbunden und optisch angekoppelt ist;

Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich ein erstes optisch transparentes, festes Koppelmedium enthält oder daraus besteht und der zweite Bereich ein zweites optisch transparentes, festes Koppelmedium enthält oder daraus besteht, wobei das erste und zweite Koppelmedium identisch oder verschieden sind und das erste und zweite Koppelmedium zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent sind. Ferner ist die Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Glasplatte dergestalt lateral zum Halbleiterbauelement positioniert ist, dass ein imaginäres Lot von dem Mittelpunkt der Glaskugel oder der Glashalbkugel auf die Ebene, die von der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements aufgespannt wird, die planparallele Glasplatte durchdringt oder zumindest einen seitlichen Rand der Glasplatte kontaktiert, wobei das imaginäre Lot nicht exakt die geometrische Mitte der planparallelen Glasplatte durchdringt, wodurch eine asymmetrische Anordnung der Glasplatte vorliegt, die so ausgestaltet ist, dass ausreichend Platz für Bond-Drähte zur elektrischen Vorderseitenkontaktierung des Halbleiterbauelements zur Verfügung stehen.
Unter den Begriffen „Glaskugel“ und „Glashalbkugel“ werden auch Glaskugeln bzw. Glashalbkugeln verstanden, die im Rahmen von Produktionsungenauigkeiten nicht vollkommen rund an ihrer Kugelseite bzw. flach an der flachen Seite der Glashalbkugel sind. Vielmehr sind alle Glaskugeln bzw. Glashalbkugeln umfasst, die auf der Kugelseite der Glaskugel bzw. Glashalbkugel eine im Wesentlichen runde Fläche aufweisen und auf der flachen Seite der Glashalbkugel eine im wesentlichen flache Fläche aufweisen, solange durch die strukturelle Abweichung die optischen Eigenschaften der Glaskugel bzw. Glashalbkugel erhalten bleiben.
Die optische Anordnung hat nahezu dieselbe optische Wirkung wie eine vollständig aus Glas bestehende Domlinse auf einem photovoltaischen Element. Ein wichtigster Vorteil der Erfindung ist die Verwendung deutlich ökonomischerer Bauteile als blankgepresste Glas-Domlinsen, deren Herstellung sehr aufwändig ist. Im Gegensatz zu Glas-Domlinsen können Glaskugeln und Glasplatten sehr schnell, einfach und auch kostengünstig produziert werden. Durch Teilen einer Glaskugel in zwei Hälften lassen sich aus einer Glaskugel zwei Halbkugeln erzeugen, die ebenfalls in der erfindungsgemäßen optischen Anordnung verwendet werden können und wodurch die Produktionskosten aufgrund der niedrigeren Materialkosten unter Umständen noch weiter gesenkt werden können.
Bevorzugt ist erfindungsgemäße optische Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskugel oder Glashalbkugel, die planparallele Glasplatte, das erste Koppelmedium und das zweite Koppelmedium im gesamten VIS-Bereich optisch transparent sind. Bei geeigneter Wahl der Glassorte für die Glaskugeln bzw. Glashalbkugeln sind die optischen Verluste durch Absorption deutlich geringer als bei einer Sekundäroptik, die z.B. vollständig aus Silikon besteht (z.B. Silikon-Domlinse). Desweiteren hat die erfindungsgemäße Anordnung im Gegensatz zu einer Sekundäroptik, die vollständig aus Silikon besteht, den Vorteil, dass die höchsten Lichtkonzentrationen in Glas auftreten, also im Gegensatz zu Silikon in einem Material mit geringer Empfindlichkeit gegen ultraviolette Strahlung und hoher Temperatur. Dadurch ist die Langzeitstabilität der erfindungsgemäßen Anordnung deutlich erhöht. Die optischen Verluste werden ebenfalls durch die planparallele Glasplatte in der erfindungsgemäßen Anordnung reduziert, weil der Lichtweg überwiegend im Glas verläuft. Daher weist die erfindungsgemäße Anordnung weniger optische Verluste auf als eine Sekundäroptik, die nur eine Glaskugel, aber keine Glasplatte, aufweist.
Zudem bietet die Erfindung die Möglichkeit einer genauen Positionierung der Sekundäroptiken bei der Montage. Diese Positionierung kann z.B. über mechanische Anschläge erfolgen. Bei einer blankgepressten Domlinse aus Glas müsste dafür ein zusätzlicher, hochpräziser Rand im Presswerkzeug vorgesehen werden, womit mechanische Anschläge hier kompliziert zu realisieren sind, mehr Zeit in Anspruch nehmen und höhere Kosten verursachen.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskugel, die Glashalbkugel, die planparallele Glasplatte, das erste Koppelmedium und/oder zweite Koppelmedium zumindest auch in einem Teil des IR-Bereichs und/oder UV-Bereichs optisch transparent ist. Unter IR-Bereich wird eine Strahlungswellenlänge von 0,78 µm bis 10³ µm verstanden, wobei für die erfindungsgemäße optische Anordnung insbesondere das nahe IR mit einer Strahlungswellenlänge von 0,78 µm bis 3 µm relevant ist. Unter VIS-Bereich wird eine Strahlungswellenlänge von >380 nm bis <780 nm verstanden und unter UV-Bereich eine Strahlungswellenlänge von 100 nm bis 380 nm, wobei für die erfindungsgemäße optische Anordnung insbesondere das nahe und mittlere UV mit einer Strahlungswellenlänge von zusammen 280 nm bis 380 nm relevant sind.
Unter optisch transparent wird insbesondere verstanden, dass die Glaskugel, die Glashalbkugel, die planparallele Glasplatte, das erste Koppelmedium und/oder zweite Koppelmedium weniger als 30 %, bevorzugt weniger als 10 %, des auftreffenden Lichts absorbiert und/oder dass die Glaskugel, die Glashalbkugel, die planparallele Glasplatte, das erste Koppelmedium und/oder zweite Koppelmedium im oben genannten IR-, VIS-, und/oder UV-Bereich einen Absorptionskoeffizienten von weniger als 75 m^-1, bevorzugt weniger als 25 m^-1, besitzt.
Insbesondere enthält das erste und/oder zweite Koppelmedium ein optisch transparentes, festes anorganisches Polymer, bevorzugt Silikon, oder besteht daraus.
Die optische Anordnung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Radius der Glaskugel oder Glashalbkugel mindestens so groß ist wie die kürzeste Entfernung vom Rand der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements zu dem Punkt auf der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements, der den größten minimalen Abstand zu allen Punkten auf dem Rand der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements aufweist. Anders ausgedrückt kann der Radius der Glas(halb-)kugel mindestens so groß sein wie der Radius des größtmöglichen Kreises, der vollständig in die optisch aktive Fläche des Halbleiterbauelements einbeschrieben werden kann. Bevorzugt ist der Radius der Glaskugel oder Glashalbkugel mindestens so groß ist wie die größte Entfernung von dem Rand der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements zu dem Punkt auf der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements, der den kleinsten maximalen Abstand zu allen Punkten auf dem Rand der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements aufweist. Anders ausgedrückt ist der Radius der Glas(halb-)kugel bevorzugt mindestens so groß wie der Radius des kleinstmöglichen Kreises, der um die optisch aktive Fläche des Halbleiterbauelements herumgelegt werden kann und dessen Mittelpunkt auf der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements liegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform befindet sich Mittelpunkt der Glaskugel oder Glashalbkugel im Wesentlichen senkrecht über dem Flächenschwerpunkt der aktiven Fläche des Halbleiterbauelements.
Die optisch aktive Fläche des Halbleiterbauelements, die damit verbundene und optisch angekoppelte Seite der Glasplatte, und gegebenenfalls die plane Seite der Glashalbkugel, sind in einer bevorzugten Ausgestaltungsform im Wesentlichen parallel zueinander.
Mindestens ein Teil der Oberfläche der

a) Glaskugel oder der Glashalbkugel, bevorzugt ein Teil der Oberfläche, der nur auf einer Halbkugel der Glaskugel angeordnet ist und/oder ein Teil der Oberfläche auf der flachen Seite der Glashalbkugel; und/oder
b) planparallelen Glasplatte, bevorzugt einer zu der Glaskugel oder Glashalbkugel gerichteten Oberfläche der planparallelen Glasplatte, und/oder einer zu dem Halbleiterbauelement gerichteten Oberfläche;

Die untere, Richtung Glasplatte weisende Hälfte der Glaskugel oder die plane Seite der Glashalbkugel (sowie alle Oberflächen der Glasplatte) können aufgeraut, d.h. optisch matt, sein oder Oberflächendefekte (Kratzer) enthalten, ohne die optische Funktion des Bauteils wesentlich zu beeinträchtigen. Der Grund hierfür ist, dass diese Oberflächen entweder mit dem Koppelmedium benetzt werden oder optisch inaktiv sind. Bevorzugt sind die Oberflächen jedoch glatt. Auch Defekte an den Kanten der Glasbauteile (z.B. Verrundungen oder Ausmuschelungen) beeinträchtigen die Funktion zumeist nicht wesentlich und können toleriert werden.
Die Glasplatte ist planparallel und aus optisch transparentem Glas. Bevorzugt ist ihre Oberfläche unstrukturiert. Möglich sind jedoch auch Strukturen auf oder in der Glasplattenoberfläche, beispielsweise um zu vermeiden, dass Licht auf die Leiterbahnen auf der aktiven Solarzellenoberfläche fällt (sog. „prismatic cover“), oder zur elektrischen Kontaktierung der Solarzelle.
Der Radius der Glas(halb-)kugel entspricht insbesondere dem gewünschten Krümmungsradius der Eintrittsapertur der optischen Anordnung. Ein wesentlicher Vorteil der optischen Anordnung ist, dass über die Dicke der Glasplatte der Abstand zwischen Glas(halb-)kugel und Halbleiterbauelement festgelegt werden kann. Es ist somit nicht nötig, die Glas(halb-)kugel über einen weiteren Abstandshalter (z.B. einen leitfähigen Rahmen) zu stützen. Der Abstand wird gemäß der gewünschten optischen Eigenschaften der optischen Anordnung gewählt. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die planparallele Glasplatte eine Dicke auf, die maximal das 1,6-fache des Radius der Glaskugel oder maximal das 2,6-fache des Radius der Glashalbkugel beträgt und/oder weist die planparallele Glasplatte eine Dicke von ≥ 0,1 mm, bevorzugt ≥ 0,2 mm, auf.
Die planparallele Glasplatte kann auf der dem Halbleiterbauelement zugewandten Seite eine gesamte Fläche aufweisen, die ≥ 60%, bevorzugt > 100%, der gesamten, optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements ist.
Ferner kann die planparallele Glasplatte auf der der Glas(halb-)kugel zugewandten Seite eine gesamte Fläche aufweisen, die größer als die Fläche eines Kreises mit dem Radius der Glas(halb-)kugel ist. Die planparallele Glasplatte weist insbesondere zumindest bereichsweise eine Fläche auf, die über den Rand der Glaskugel oder Glashalbkugel hinausgeht. Bevorzugt bietet diese Fläche eine Angriffsfläche für eine Greifvorrichtung (z.B. einen Vakuumsauger) und/oder enthält eine Positionierhilfe, insbesondere einen mechanischer Anschlag, eine optische Markierung und/oder ein Bilderkennungssystem, oder besteht daraus. Diese Ausgestaltungsform hat den Vorteil, dass die Ränder oder die Oberfläche der Glasplatte zum Greifen der Verbindung aus Glas(halb-)kugel und Glasplatte zur Verfügung stehen. Folglich ergibt sich dadurch eine leichtere Handhabung gegenüber einer Glasdomlinsen-Anordnung d.h. es kann eine einfachere und präzisiere Justierung der Glasplatte, bzw. der Verbindung aus Glas(halb-)kugel und Glasplatte, auf dem Halbleiterbauelement erfolgen. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform stellt die Fläche, die über den Rand der Glaskugel oder Glashalbkugel hinausgeht, eine Positionierhilfe dar oder enthält diese. Die Glasplatte ist demnach so gestaltet, dass die über den Rand der Glaskugel oder Glashalbkugel hinausgehende Fläche genutzt werden kann, um die Glasplatte, bzw. die Verbindung aus Glas(halb-)kugel und Glasplatte, auf dem Halbleiterbauelement zu positionieren. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem der Rand der Glasplatte und/oder eine optische Markierung auf der Glasplatte an mindestens einer weiteren externen Positionierhilfe, z.B. einem mechanischen Anschlag und/oder einer optischen Markierung (insbesondere in Verbindung mit einem Bilderkennungssystem), ausgerichtet wird.
Erfindungsgemäß ist die planparallele Glasplatte dergestalt lateral zum Halbleiterbauelement positioniert, dass ein imaginäres Lot von dem Mittelpunkt der Glaskugel oder der Glashalbkugel auf die Ebene, die von der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements aufgespannt wird, die planparallele Glasplatte durchdringt oder zumindest einen seitlichen Rand der Glasplatte kontaktiert, wobei das imaginäre Lot nicht exakt die geometrische Mitte der planparallelen Glasplatte durchdringt (asymmetrische Platzierung der Glasplatte), wodurch eine asymmetrische Anordnung der Glasplatte vorliegt, die so ausgestaltet ist, dass ausreichend Platz für Bond-Drähte zur elektrischen Vorderseitenkontaktierung des Halbleiterbauelements zur Verfügung steht. Diese asymmetrische Anordnung kann so gestaltet sein, dass gleichzeitig ausreichend Platz für Bond-Drähte zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements und Ränder der Glasplatte zum Greifen der Verbindung aus Glas(halb-)kugel und Glasplatte zur Verfügung stehen. Damit wird beispielsweise eine Vorderseitenkontaktierung des Halbleiterbauelements möglich, die bei symmetrischer Platzierung der Glasplatte nur mit einer sehr kleinen Glasplatte möglich wäre. Alternative Möglichkeiten zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements sind beispielsweise eine rückseitige Kontaktierung oder die Verbindung über auf die Unterseite der Glasplatte aufgebrachte elektrische Leiterbahnen.
Glas(halb-)kugel und Glasplatte können sich direkt berühren, müssen dies aber nicht. Zumeist wird ein dünner Film des Koppelmediums auch an der engsten Stelle zwischen Glas(halb-)kugel und Glasplatte bestehen. Dieser Abstand wird durch den Produktionsprozess bedingt und nicht durch etwaige am Produkt verbleibende mechanische Abstandshalter definiert. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist das erste und/oder zweite Koppelmedium somit zumindest bereichsweise als Film ausgestaltet, wobei der Film insbesondere eine Dicke von weniger als 500 µm, bevorzugt 0,01 µm bis 500 µm, besonders bevorzugt 0,1 µm bis 400 µm, ganz besonders bevorzugt 1,0 µm bis 300 µm, aufweist.
Gleichwohl kann die Dicke des Koppelmediums zwischen Glas(halb-)kugel und Glasplatte bei der Festlegung der Dicke der Glasplatte berücksichtigt werden, um eine gewünschte Höhe der aus Glas(halb-)kugel und Glasplatte resultierenden Linse zu erreichen. Auch der mit Koppelmedium gefüllte Abstand zwischen Glasplatte und Halbleiterbauelement kann bei der Festlegung der Dicke der Glasplatte berücksichtigt werden.
Die optische Anordnung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Bereich, der das erste optisch transparente, feste Koppelmedium enthält oder daraus besteht eine Querschnittsfläche aufweist, die ≥ 70% der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements beträgt. Hierbei ist die Querschnittsfläche des Koppelmediums durch eine Schnittebene definiert, die parallel zur Ebene der Glasplatte in einem Abstand von einer Monolage Koppelmedium (z.B. 1 nm) von der Glasplatte in Richtung Glaskugel oder Glashalbkugel beabstandet ist. Enthält das Koppelmedium optisch transparentes, festes Silikon oder besteht daraus, so ist hier eine Monolage dieses Silikons gemeint. Die Querschnittsfläche kann hierbei größer als die Fläche der Glasplatte sein.
Ferner kann der Bereich, der das zweite optisch transparente, feste Koppelmedium enthält oder daraus besteht eine Querschnittsfläche aufweisen, die ≥ 100% der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements beträgt. Hierbei ist die Querschnittsfläche des Koppelmediums durch eine Schnittebene definiert, die parallel zur Ebene der Glasplatte in einem Abstand von einer Monolage Koppelmedium (z.B. 1 nm) von der Glasplatte in Richtung Halbleiterbauelement beabstandet ist. Die Querschnittsfläche kann hierbei größer als die Fläche der Glasplatte sein.
Die aktive Fläche des Halbleiterbauelements kann eine elektrische Leitungsbahn, eine Schutzschicht, eine Antireflexionsschicht, eine lichtlenkende Mikrostruktur und/oder eine prismatische Abdeckung aufweisen, über welche insbesondere die planparallele Glasplatte verbunden und optisch angekoppelt ist. Damit erfolgt die optische Ankopplung hier nicht direkt an das Halbleitermaterial, sondern an die auf seine Oberfläche aufgebrachte Elemente bzw. Schichten.
Das Halbleiterbauelement kann über Bond-Drähte elektrisch kontaktiert sein und/oder rückseitig ohne Bond-Drähte kontaktiert sein. Das Halbleiterbauelement kann auf einem Substrat immobilisiert sein. Die rückseitige Kontaktierung erfolgt in diesem Fall bevorzugt durch elektrischen Kontakt mit dem Substrat.
Das Halbleiterbauelement kann eine Leuchtdiode, lichtempfindliche Diode oder Solarzelle sein. Bevorzugt ist das Halbleiterbauelement eine Solarzelle, besonders bevorzugt eine Mehrfachsolarzelle, insbesondere eine Mehrfachsolarzelle, die Verbindungshalbleiter aus Elementen der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems enthält.
Ferner wird ein konzentrierendes Photovoltaikmodul bereitgestellt, umfassend mindestens eine, bevorzugt mehr als eine, erfindungsgemäße optische Anordnung. Die mindestens eine, bzw. mehr als eine, optische Anordnung kann auf einem Träger immobilisiert sein. Bei dem Träger kann es sich um einen flachen Träger handeln. Es kann auf dem Träger ein Array an erfindungsgemäßen optischen Anordnungen angeordnet sein. Die mindestens eine erfindungsgemäße optische Anordnung kann dabei durch weitere Bauteile und/oder Zwischenschichten vom Träger beabstandet sein (z.B. mindestens eine als Wärmesenke dienende Schicht).
Darüberhinaus wird ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung vorgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:

a) Verbinden einer Glaskugel oder eine Glashalbkugel mit einer ersten Seite einer planparallelen Glasplatte über ein erstes flüssiges oder gelartiges Koppelmedium, wodurch die Glaskugel oder Glashalbkugel optisch an die planparallele Glasplatte angekoppelt wird, wobei die Glaskugel, Glashalbkugel und Glasplatte aus Glas besteht, das zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist und das erste Koppelmedium zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist;
b) Verbinden einer zweiten Seite der Glasplatte, die der ersten Seite der Glasplatte gegenüber liegt, mit einer optisch aktiven Fläche eines Halbleiterbauelements über ein zweites flüssiges oder gelartiges Koppelmedium, wodurch die Glasplatte optisch an die optisch aktive Fläche des Halbleiterbauelements angekoppelt wird, wobei die planparallele Glasplatte (B) dergestalt lateral zum Halbleiterbauelement (E) positioniert wird, dass ein imaginäres Lot von dem Mittelpunkt der Glaskugel (A) oder der Glashalbkugel (A) auf die Ebene, die von der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) aufgespannt wird, die planparallele Glasplatte (B) durchdringt oder zumindest einen seitlichen Rand der Glasplatte (B) kontaktiert, wobei das imaginäre Lot nicht exakt die geometrische Mitte der planparallelen Glasplatte (B) durchdringt, wodurch eine asymmetrische Anordnung der Glasplatte (B) vorliegt, die so ausgestaltet ist, dass ausreichend Platz für Bond-Drähte zur elektrischen Vorderseitenkontaktierung des Halbleiterbauelements (E) zur Verfügung steht, wobei das zweite Koppelmedium zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist; und
c) Aushärten des ersten und/oder zweiten flüssigen oder gelartigen Koppelmediums zu einem festen Koppelmedium;

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zuerst Schritt a) und anschließend Schritt b) oder zuerst Schritt b) und anschließend Schritt a) durchgeführt wird. Schritt c) kann jeweils nach den einzelnen Schritten a) und b) oder erst nach Durchführung beider Schritte a) und b) bzw. b) und a) durchgeführt werden.
Auf die Glas(halb-)kugel und/oder die planparallele Glasplatte kann vor oder nach ihrer Assemblierung eine Antireflexionsschicht aufgebracht werden.
Desweiteren wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen konzentrierenden Photovoltaikmoduls bereitgestellt. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass

i) vor oder in Schritt a) des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung die Glaskugel oder Glashalbkugel der mindestens einen optischen Anordnung mithilfe mindestens einer Positionierhilfe auf der planparallelen Glasplatte der mindestens einen optischen Anordnung angeordnet wird, wobei es sich bei der Positionierhilfe bevorzugt um mindestens einen mechanischen Anschlag und/oder mindestens eine optische Markierung handelt, insbesondere in Verbindung mit einem Bilderkennungssystem; und/oder
ii) vor oder in Schritt b) des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung die planparallele Glasplatte der mindestens einen optischen Anordnung mithilfe mindestens einer Positionierhilfe auf der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements angeordnet wird, wobei es sich bei der Positionierhilfe bevorzugt um mindestens einen mechanischen Anschlag auf dem Träger und/oder mindestens eine optische Markierung auf dem Träger handelt, insbesondere in Verbindung mit einem Bilderkennungssystem.

Es wird zudem die Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung in einem konzentrierenden Photovoltaiksystem vorgeschlagen. Ferner kann die optische Anordnung als Kollimatorlinse und/oder Auskoppeloptik für eine Hochleistungs-LED oder UV-LED verwendet werden, die Leuchtdiode (LED) stellt dann das Halbleiterbauelement der erfindungsgemäßen Anordnung dar.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten spezifischen Ausgestaltungsformen einschränken zu wollen.

1 zeigt eine Schemazeichnung eines vertikalen Schnitts durch eine erfindungsgemäße optische Anordnung aus Glaskugel A, Glasplatte B, Halbleiterbauelement E und Koppelmedien C₁ und C₂ . Das Halbleiterbauelement ist in diesem Beispiel über Bond-Drähte D elektrisch kontaktiert.
2 zeigt eine Schemazeichnung des Blicks von oben auf die optische Anordnung in 1. Dargestellt sind Glaskugel A, Glasplatte B, Halbleiterbauelement E und Koppelmedien C₁ und C₂ . Das Halbleiterbauelement ist in diesem Beispiel über Bond-Drähte D elektrisch kontaktiert. In dieser Ansicht nicht direkt sichtbare Kanten sind gestrichelt eingezeichnet.
3 zeigt eine Schemazeichnung eines vertikalen Schnitts durch eine nicht erfindungsgemäße optische Anordnung aus Glaskugel A, Glasplatte B, Halbleiterbauelement E und Koppelmedium C. Das Halbleiterbauelement ist in diesem Beispiel über Bond-Drähte D elektrisch kontaktiert.
4 zeigt eine Schemazeichnung eines vertikalen Schnitts durch eine nicht erfindungsgemäße optische Anordnung aus Glaskugel A, Glasplatte B, Halbleiterbauelement E und Koppelmedien C₁ und C₂ . Das Halbleiterbauelement ist in diesem Beispiel nur rückseitig elektrisch kontaktiert und besitzt daher keine Bond-Drähte.
5 zeigt eine Schemazeichnung zur Veranschaulichung der Ebene Z, in der die Bestimmung der Querschnittsfläche des mit Koppelmedium gefüllten Bereichs zwischen Glaskugel und Glasplatte durchgeführt wird. Die Ebene Z kann sich in einem Abstand von 1 nm parallel zu Glasplatte befinden.
6 zeigt eine Schemazeichnung zur Platzierung der Glaskugel auf der Glasplatte mit Hilfe von einem mechanischen Anschlag K für die Glaskugel und mechanischen Anschlägen L für die Glasplatte. Dargestellt ist eine Seitenansicht, die Aufsicht ist in 7 dargestellt.
7 zeigt eine Schemazeichnung zur Platzierung der Glaskugel auf der Glasplatte mit Hilfe von einem mechanischen Anschlag K für die Glaskugel und mechanischen Anschlägen L für die Glasplatte. Dargestellt ist die Aufsicht auf die in 6 dargestellte Anordnung.
8 zeigt eine Schemazeichnung zur Positionierung der Verbindung aus Glaskugel und Glasplatte auf einer Solarzelle mit Hilfe von mechanischen Anschlägen L' neben der Solarzelle. Die Anschläge sitzen relativ zur Glaskugel an den gleichen Positionen wie beim Zusammenfügen der Glaskugel mit der Glasplatte (6). Dargestellt ist eine Seitenansicht, die Aufsicht ist in 9 dargestellt.
9 zeigt eine Schemazeichnung zur Positionierung der Verbindung aus Glaskugel und Glasplatte auf einer Solarzelle mit Hilfe von mechanischen Anschlägen L' neben der Solarzelle. Die Anschläge sitzen relativ zur Glaskugel an den gleichen Positionen wie beim Zusammenfügen der Verbindung aus Glaskugel und Glasplatte (7). Dadurch ist eine genaue Positionierung des Mittelpunkts der Glaskugel relativ zur Solarzelle auch bei unpräzisem Zuschnitt der Glasplatte gewährleistet. Dargestellt ist die Aufsicht auf die in 8 dargestellte Anordnung.
10 zeigt eine Schemazeichnung des Lichtwegs durch die Verbindung aus Glaskugel und Glasplatte als Sekundäroptik in einem Konzentrator-Photovoltaikmodul umfassend eine nicht erfindungsgemäße optische Anordnung. Die Verbindung sorgt in der dargestellten Ausführung für eine homogene Bestrahlung der aktiven Fläche der Solarzelle. Als gestrichelte Linien ist der Lichtweg bei korrekter Positionierung der Solarzelle relativ zur primären Konzentratorstufe und bei korrekter Ausrichtung des Systems auf den Stand der Sonne dargestellt. Als gepunktete Linien ist der Fall einer relativ zur Primäroptik verschobenen Solarzelle oder schräg auf das Modul einfallenden Sonnenlichts schematisch eingezeichnet. Die Verteilung der Bestrahlungsstärke auf der Solarzelle ist in beiden Fällen weitgehend gleich und homogen. Die Lichtbrechung an den Grenzflächen zwischen Glas und optischem Koppelmedium ist in der Regel so gering, dass die optische Funktion kaum beeinflusst wird.
11 zeigt eine Schemazeichnung eines vertikalen Schnitts durch eine erfindungsgemäße Anordnung aus Glashalbkugel A, Glasplatte B, Halbleiterbauelement E und Koppelmedien C₁ und C₂ . In diesem Beispiel wird eine Halbkugel aus Glas anstelle der Glaskugel eingesetzt. Die Glasplatte ist entsprechend dicker.

Beispiel 1 - Herstellung der optischen Anordnung
Die erfindungsgemäße optische Anordnung kann mit einer einzelnen Glaskugel (A in 1, 2, 3 und 4) hergestellt werden, die optisch an eine planparallele Glasplatte (B) angekoppelt wird, die wiederum optisch an ein Halbleiterbauelement (E, z.B. Solarzelle) angekoppelt wird. Alternativ kann an Stelle der Glaskugel eine Halbkugel aus Glas (A in 11) verwendet werden, wobei die plane Seite der Halbkugel zur Glasplatte zeigt.
Als optisches Koppelmedium und gleichzeitig mechanischer Kleber zur Verbindung der Glaskugel oder Glashalbkugel mit der Glasplatte und der Glasplatte mit dem Halbleiterbauelement kann ein optisch transparentes, im Endprodukt festes Material eingesetzt werden. Bevorzugt wird hierfür ein optisch transparentes Silikon verwendet. Zur optischen Ankopplung der Glas(halb-)kugel an die Glasplatte und zur optischen Ankopplung der Glasplatte an das Halbleiterbauelement können das gleiche Material (C in 3) oder unterschiedliche Materialien (C₁ und C₂ in 1, 2, 4 und 11) verwendet werden.
Falls erforderlich können die Glasoberflächen vor oder während der Produktion der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ganz oder teilweise vorbehandelt oder beschichtet werden, um die Haftung zwischen Glas und Koppelmedium zu erhöhen. Eine Antireflexionsschicht kann vor oder nach dem Zusammensetzen auf die Glas(halb-)kugel oder die planparallele Glasplatte aufgebracht werden. Außerdem kann das Halbleiterbauelement elektrische Leitungsbahnen, Schutzschichten, Antireflexionsschichten und/oder lichtlenkende Mikrostrukturen (ein sogenanntes „prismatic cover“) auf seiner Oberfläche besitzen, so dass die optische Ankopplung nicht direkt an das Halbleitermaterial erfolgt, sondern an die auf seine Oberfläche aufgebrachte Elemente und Schichten.
Der Radius der Glas(halb-)kugel entspricht dem gewünschten Krümmungsradius der Domlinseneintrittsapertur. Über die Dicke der Glasplatte wird der Abstand zwischen Glas(halb-)kugel und Halbleiterbauelement festgelegt. Dieser Abstand wird gemäß der gewünschten optischen Eigenschaften der Domlinse gewählt. Er beträgt z.B. maximal das 1,6-fache des Kugelradius bei Verwendung einer Glaskugel. Bei Einsatz einer Halbkugel aus Glas beträgt der Abstand z.B. maximal das 2,6-fache des Radius der Halbkugel. Die Glasplatte hat hier mindestens eine Stärke von 0,1 mm.
Glas(halb-)kugel und Glasplatte können sich direkt berühren, müssen dies aber nicht. Zumeist wird ein dünner Film des Koppelmediums auch an der engsten Stelle zwischen Glas(halb-)kugel und Glasplatte verbleiben (siehe auch 1, 3, 4 und 11). Dieser Abstand wird durch den Produktionsprozess bedingt und nicht durch am Produkt verbleibende mechanische Abstandshalter definiert. Gleichwohl kann die Dicke des Koppelmediums zwischen Glas(halb-)kugel und Glasplatte bei der Festlegung der Dicke der Glasplatte berücksichtigt werden, um eine gewünschte Höhe dieser beiden Elemente zu erreichen. Auch der mit Koppelmedium gefüllte Abstand zwischen Glasplatte und Halbleiterbauelement sollte bei der Festlegung der Dicke der Glasplatte berücksichtigt werden.
In der optischen Anordnung kann die Glasplatte relativ zur aktiven Fläche des Halbleiterbauelements beliebig lateral positioniert werden (2), überdeckt dabei jedoch vorteilhafterweise mindestens den Punkt des kleinsten Abstands zwischen Glaskugel und aktiver Fläche des Halbleiterbauelements bzw. den Mittelpunkt der planen Fläche der Glashalbkugel. Die erfindungsgemäße asymmetrische Platzierung der Glasplatte ermöglicht es beispielsweise, ausreichend Platz für Bond-Drähte zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements zu lassen (1 und 2).
Beispiel 2 - Herstellungsverfahren konzentrierendes Photovoltaikmodul
Ein bevorzugtes Verfahren zu Herstellung und Montage der Domlinsen für den Einsatz in einem konzentrierenden Photovoltaikmodul besteht darin, die Glasplatte vor dem Einbau an einer Positionierhilfe, z.B. einem mechanischen Anschlag, zu platzieren (6 und 7, mit L bezeichnete Struktur). Anschließend wird die Glas(halb-)kugel über das Koppelmedium optisch an die Glasplatte angekoppelt und dabei, z.B. mit Hilfe eines mechanischen Anschlags (6 und 7, mit K bezeichnete Struktur), präzise relativ zur Positionierhilfe für die Glasplatte platziert. Im Photovoltaikmodul werden relativ zur Solarzelle an den Positionen, die denen der Positionierhilfen für die Glasplatte entsprechen, ebenfalls Positionierhilfen, z.B. mechanische Anschläge, benötigt (8 und 9, mit L' bezeichnete Struktur). Anhand dieser Positionierhilfen ist dann eine präzise Positionierung der Verbindung der Glas(halb-)kugel und Glasplatte relativ zur Solarzelle möglich. Ein präziser Zuschnitt der Glasplatte ist dabei nicht erforderlich (in 7 und 9 angedeutet). An Stelle eines mechanischen Anschlags können beispielsweise auch optische Markierungen verwendet werden, an denen die Kanten der Glasplatte oder Markierungen auf der Glasplatte über ein Bilderkennungssystem ausgerichtet werden.

Claims

Optische Anordnung enthaltend a) eine Glaskugel (A) oder eine Glashalbkugel (A) aus Glas, das zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist; b) eine planparallele Glasplatte (B) aus Glas, das zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist, wobei die Glasplatte (B) auf einer ersten Seite der Glasplatte (B) über einen ersten Bereich mit der Glaskugel (A) oder einer planen Seite der Glashalbkugel (A) verbunden und optisch angekoppelt ist; und c) ein Halbleiterbauelement (E) mit einer optisch aktiven Fläche, wobei die optisch aktive Fläche des Halbleiterbauelements (E) über einen zweiten Bereich mit einer zweiten Seite der Glasplatte (B), die der ersten Seite der Glasplatte (B) gegenüber liegt, verbunden und optisch angekoppelt ist; wobei der erste Bereich ein erstes optisch transparentes, festes Koppelmedium (C₁) enthält oder daraus besteht und der zweite Bereich ein zweites optisch transparentes, festes Koppelmedium (C₂) enthält oder daraus besteht, wobei das erste und zweite Koppelmedium (C₁, C₂) identisch oder verschieden sind und das erste und zweite Koppelmedium (C₁, C₂) zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent sind, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Glasplatte (B) dergestalt lateral zum Halbleiterbauelement (E) positioniert ist, dass ein imaginäres Lot von dem Mittelpunkt der Glaskugel (A) oder der Glashalbkugel (A) auf die Ebene, die von der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) aufgespannt wird, die planparallele Glasplatte (B) durchdringt oder zumindest einen seitlichen Rand der Glasplatte (B) kontaktiert, wobei das imaginäre Lot nicht exakt die geometrische Mitte der planparallelen Glasplatte (B) durchdringt, wodurch eine asymmetrische Anordnung der Glasplatte (B) vorliegt, die so ausgestaltet ist, dass ausreichend Platz für Bond-Drähte zur elektrischen Vorderseitenkontaktierung des Halbleiterbauelements (E) zur Verfügung steht.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskugel (A), die Glashalbkugel (A), die planparallele Glasplatte (B) aus Glas, das erste Koppelmedium (C₁) und/oder das zweite Koppelmedium (C₂) im gesamten VIS-Bereich optisch transparent ist.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskugel (A), die Glashalbkugel (A), die planparallele Glasplatte (B) aus Glas, das erste Koppelmedium (C₁) und/oder das zweite Koppelmedium (C₂) auch zumindest in einem Teil des IR-Bereichs und/oder UV-Bereichs optisch transparent ist.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Koppelmedium (C₁, C₂) ein optisch transparentes, festes anorganisches Polymer enthält oder daraus besteht.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der Glaskugel (A) oder Glashalbkugel (A) mindestens so groß ist wie die kürzeste Entfernung vom Rand der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) zu dem Punkt auf der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E), der den größten minimalen Abstand zu allen Punkten auf dem Rand der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) aufweist.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Mittelpunkt der Glaskugel (A) oder Glashalbkugel (A) senkrecht über dem Flächenschwerpunkt der aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) befindet.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch aktive Fläche des Halbleiterbauelements (E) und die damit verbundene und optisch angekoppelte Seite der Glasplatte (B) parallel zueinander sind.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Oberfläche der a) Glaskugel (A) oder der Glashalbkugel (A) und/oder ein Teil der Oberfläche auf der flachen Seite der Glashalbkugel (A); und/oder b) planparallelen Glasplatte (B) und/oder einer zu dem Halbleiterbauelement (E) gerichteten Oberfläche der planparallelen Glasplatte (B); zumindest bereichsweise eine Oberflächenstrukturierung aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus aufgerautem Glas, chemisch funktionalisiertem Glas, plasmabehandeltem Glas und/oder beschichtetem Glas.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Glasplatte (B) eine Dicke aufweist, die maximal das 1,6-fache des Radius der Glaskugel (A) oder das maximal 2,6-fache des Radius der Glashalbkugel (A) beträgt und/oder die planparallele Glasplatte (B) eine Dicke von ≥ 0,1 mm aufweist.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Glasplatte (B) auf der dem Halbleiterbauelement (E) zugewandten Seite eine gesamte Fläche aufweist, die ≥ 60% der gesamten, optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) ist.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Glasplatte (B) auf der der Glaskugel (A) oder Glashalbkugel (A) zugewandten Seite eine gesamte Fläche aufweist, die größer als die Fläche eines Kreises mit dem Radius der Glaskugel (A) oder Glashalbkugel (A) ist.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Koppelmedium (C₁, C₂) zumindest bereichsweise als Film ausgestaltet ist.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, der das erste optisch transparente, feste Koppelmedium (C₁) enthält oder daraus besteht eine Querschnittsfläche aufweist, die ≥ 70% der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) beträgt, wobei die Querschnittsfläche durch eine Schnittebene definiert ist, die parallel zur Ebene der Glasplatte (B) in einem Abstand von einer Monolage Koppelmedium (C₁) in Richtung Glaskugel (A) oder eine Glashalbkugel (A) von der Glasplatte (B) beabstandet ist.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, der das zweite optisch transparente, feste Koppelmedium (C₂) enthält oder daraus besteht eine Querschnittsfläche aufweist, die ≥ 100% der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) beträgt, wobei die Querschnittsfläche durch eine Schnittebene definiert ist, die parallel zur Ebene der Glasplatte (B) in einem Abstand von einer Monolage an Koppelmedium (C₂) in Richtung Halbleiterbauelement (E) von der Glasplatte (B) beabstandet ist.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Fläche des Halbleiterbauelements (E) eine elektrische Leitungsbahn (D), eine Schutzschicht, eine Antireflexionsschicht, eine lichtlenkende Mikrostruktur und/oder eine prismatische Abdeckung aufweist.
Optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (E) eine Leuchtdiode, lichtempfindliche Diode oder Solarzelle ist.
Konzentrierendes Photovoltaikmodul umfassend mindestens eine optische Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend die Schritte: a) Verbinden einer Glaskugel (A) oder eine Glashalbkugel (A) mit einer ersten Seite einer planparallelen Glasplatte (B) über ein erstes flüssiges oder gelartiges Koppelmedium (C₁), wodurch die Glaskugel (A) oder Glashalbkugel (A) optisch an die planparallele Glasplatte (B) angekoppelt wird, wobei die Glaskugel (A), Glashalbkugel (A) und Glasplatte (B) aus Glas besteht, das zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist und das erste Koppelmedium (C₁) zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist; b) Verbinden einer zweiten Seite der Glasplatte (B), die der ersten Seite der Glasplatte (B) gegenüber liegt, mit einer optisch aktiven Fläche eines Halbleiterbauelements (E) über ein zweites flüssiges oder gelartiges Koppelmedium (C₂), wodurch die Glasplatte (B) optisch an die optisch aktive Fläche des Halbleiterbauelements (E) angekoppelt wird, wobei die planparallele Glasplatte (B) dergestalt lateral zum Halbleiterbauelement (E) positioniert wird, dass ein imaginäres Lot von dem Mittelpunkt der Glaskugel (A) oder der Glashalbkugel (A) auf die Ebene, die von der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) aufgespannt wird, die planparallele Glasplatte (B) durchdringt oder zumindest einen seitlichen Rand der Glasplatte (B) kontaktiert, wobei das imaginäre Lot nicht exakt die geometrische Mitte der planparallelen Glasplatte (B) durchdringt, wodurch eine asymmetrische Anordnung der Glasplatte (B) vorliegt, die so ausgestaltet ist, dass ausreichend Platz für Bond-Drähte zur elektrischen Vorderseitenkontaktierung des Halbleiterbauelements (E) zur Verfügung steht, wobei das zweite Koppelmedium (C₂) zumindest in einem Teil des VIS-Bereichs optisch transparent ist; und c) Aushärten des ersten und/oder zweiten flüssigen oder gelartigen Koppelmediums (C₁, C₂) zu einem festen Koppelmedium (C₁, C₂); dadurch gekennzeichnet, dass zuerst Schritt a) und anschließend Schritt b) oder zuerst Schritt b) und anschließend Schritt a) durchgeführt wird und Schritt c) jeweils nach den einzelnen Schritten a) und b) oder erst nach Durchführung beider Schritte a) und b) durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines konzentrierenden Photovoltaikmoduls gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass i) vor oder in Schritt a) des Verfahrens gemäß Anspruch 18 die Glaskugel (A) oder Glashalbkugel (A) der mindestens einen optischen Anordnung mithilfe mindestens einer Positionierhilfe (K) auf der planparallelen Glasplatte (B) der mindestens einen optischen Anordnung angeordnet wird; und/oder ii) vor oder in Schritt b) des Verfahrens gemäß Anspruch 18 die planparallele Glasplatte (B) der mindestens einen optischen Anordnung mithilfe mindestens einer Positionierhilfe (L, L') auf der optisch aktiven Fläche des Halbleiterbauelements (E) angeordnet wird.
Verwendung der optischen Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 in einem konzentrierenden Photovoltaiksystem oder als Kollimatorlinse und/oder Auskoppeloptik für eine Hochleistungs-LED oder UV-LED.