DE102017203382A1

DE102017203382A1 - Anordnung von Solarzellen mit kurvenförmigen Kanten

Info

Publication number: DE102017203382A1
Application number: DE102017203382.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Derkacs; Daniel Aiken; Clay McPheeters; Lei Yang
Original assignee: Solaero Technologies Corp
Current assignee: Solaero Technologies Corp
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2017-09-07
Also published as: US20160260855A1

Abstract

Solarzellen können dadurch erhalten werden, dass man einen im wesentlichen kreisförmigen Solarzellenwafer in Teile aufteilt, die geradlinige und bogenförmige Kanten aufweisen, welche sodann kombiniert werden zur Bildung von Solarzellenanordnungen. Die Solarzellen können auf unterschiedliche Weise angeordnet werden, beispielsweise mit geraden Kanten anstoßend gegen gerade Kanten der benachbarten Solarzellen oder mit den Solarzellen in einer Reihe mit mindestens einer geradlinigen Kante, die sich unter einem Winkel zwischen 50 und 70 Grad in jedweder Richtung der Reihe erstreckt.

Description

Hintergrund der Offenbarung
1. Gebiet der Offenbarung
Diese Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet der photovoltaischen Leistungsvorrichtung und insbesondere auf Anordnungen diskreter Solarzellen.
2. Beschreibung verwandter Technik
Photovoltaische Vorrichtungen wie beispielsweise photovoltaische Module oder CIC (Solar Cell + Interconnects + Coverglass, das heißt Solarzelle + Zwischenverbindungen + Abdeckglas) Vorrichtungen umfassen eine oder mehrere individuelle Solarzellen, angeordnet zur Erzeugung von elektrischer Leistung ansprechend auf die Bestrahlung durch Sonnenlicht. Manchmal sind die individuellen oder einzelnen Solarzellen rechteckig, oftmals quadratisch. Photovoltaische Module, Anordnungen und Vorrichtungen einschließlich einer oder mehrerer Solarzellen können auch im wesentlichen rechteckig sein, beispielsweise basierend auf einer Anordnung von einzelnen Solarzellen. Für Anordnungen von im wesentlichen kreisförmigen Solarzellen ist es bekannt, dass ein Nachteil der Lichteffizienz bei Verwendung auf der Oberfläche, auf der die Solarzellen angebracht werden, auftritt und zwar infolge des Raumes, der nicht durch die kreisförmigen Solarzellen abgedeckt wird, und zwar wegen des Raumes, der zwischen benachbarten Solarzellen infolge ihrer kreisförmigen Konfiguration vorhanden ist (siehe beispielsweise US Patente Nr. 4,235,643 und 4,321,417 ).
Solarzellen werden jedoch oft aus kreisförmigen oder im wesentlichen kreisförmigen Wafers hergestellt. Beispielsweise sind Solarzellen für Raumanwendungen typischerweise Multijunction-Solarzellen aufgewachsen auf im wesentlichen kreisförmige Wafers. Diese kreisförmigen Wafers sind manchmal Wafer mit 100 Millimeter oder 150 Millimeter Durchmesser. Wie oben erläutert sind für die Anordnung in einer Solaranordnung (im folgenden auch als Solarzellenanordnung bezeichnet) im wesentlichen kreisförmige Solarzellen, oftmals nicht die beste Option infolge ihres niedrigen Anordnungspackungsfaktors, der die Gesamtkosten der photovoltaischen Anordnung oder Paneele erhöht und eine Ineffizienz des verfügbaren Raumes zur Folge hat, wobei bemerkt sei, dass die im wesentlichen kreisförmigen Solarzellen aus im wesentlichen kreisförmigen Wafers hergestellt werden, um die Verschwendung von Wafermaterial zu vermeiden und demzufolge die Solarzellenkosten zu minimieren. Der bevorzugte Formungsfaktor für eine Solarzelle für Raumanwendungen ist ein Rechteck, wie beispielsweise ein Quadrat, welches für eine Fläche eines rechteckigen Paneels aus einer Anordnung von Solarzellen besteht, die 100 Prozent ausfüllen (im folgenden wird diese Situation als ein ”Packungsfaktor” von 100 Prozent bezeichnet), und zwar unter der Annahme, dass kein Raum zwischen benachbarten rechteckigen Solarzellen vorhanden ist. Wenn jedoch ein einziger kreisförmiger Wafer in ein einziges Rechteck geteilt wird, so ist die Waferausnutzung niedrig. Dies hat Abfall zur Folge. Dies ist in 1 veranschaulicht, wo gezeigt ist, wie konventionellerweise aus einem kreisförmigen Solarzellen-Wafer 100 eine rechteckige Solarzelle 1000 erhalten wird, und zwar unter Zurücklassung des Restes des Wafers als Abfall 1001. Diese rechteckige Solarzelle 1000 kann sodann Seite an Seite mit anderen rechteckigen Solarzellen 1000 angeordnet werden, die von anderen Wafern erhalten wurden, wodurch die effiziente Nutzung der Oberfläche, auf der die Solarzelle angeordnet wird (das heißt ein hoher Packungsfaktor erreicht wird): ein großes W/m²-Verhältnis kann erhalten werden, welches abhängig von dem Substrat auch ein hohes W/kg-Verhältnis aufweisen kann, was von großer Wichtigkeit für Raumanwendungen ist. Das heißt, dicht gepackte Solarzellen, ohne jedweden Raum zwischen den benachbarten Solarzellen wird im allgemeinen bevorzugt und insbesondere bei Anwendungen, bei denen W/m² und/oder W/kg wichtige Aspekte sind, die zu beachten sind. Dies umfasst Weltraumanwendungen wie beispielsweise Solarleistungsvorrichtungen für Satelliten.
Weltraumanwendungen benutzen häufig hocheffiziente Solarzellen, einschließlich Multijunction-Solarzellen und/oder III/V-Verbindungshalbleiter-Solarzellen. Hocheffiziente Solarzellenwafer sind oftmals teuer in der Herstellung. Somit wurde konventionellerweise auf diesem Gebiet der Abfall als ein Preis dafür angesehen, um einen hohen Packungsfaktor zu erreichen, wobei dieser Abfall der Abfall ist, der das Ergebnis des Zerschneidens der rechteckigen Solarzellen aus dem im wesentlichen kreisförmigen Solarzellen-Wafer ist, was beträchtliche Kosten verursachen kann.
Somit könnte die Option der Verwendung im Wesentlichen kreisförmiger Solarzellen entsprechend im wesentlichen den kreisförmigen Solarzellenwafers zur Erzeugung eines Arrangements oder einer Anordnung von Solarzellen in einigen Fällen eine interessante Option werden. Es gibt zwischen der maximalen Ausnutzung des ursprünglichen Wafermaterials und dem Packungsfaktor einen Ausgleich. 2 zeigt wie kreisförmige Wafers gemäß einem Layout für maximale Raumausnutzung gepackt sein können, und zwar einen Packungsfaktor in der Größenordnung von 84 Prozent erhalten. Dies hat zur Folge, dass weniger Wafermaterial verschwendet wird als in dem Fall der in 1 gezeigten Option, aber auch eine wenig effiziente Ausnutzung der Oberfläche, auf der die Solarzellen angebracht werden, und zwar in Folge des niedrigeren Packungsfaktors. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei dieser Art von Layout das Muster eine gestaffelte Verteilung zeigt wie diese schematisch durch das Hexagon 2000 veranschaulicht ist, (und zwar mit den unterbrochenen Linien in 2), was nicht optimal ist für die Erzeugung einer rechteckigen Anordnung aus Solarzellen. Die Tatsache, dass unterschiedliche Reihen von Solarzellen in Beziehung zueinander versetzt sind, bedeutet, dass die Anordnung der Solarzellen nicht genau den Kanten oder Grenzen einer rechteckigen Paneele oder Platte entspricht. Dies hat eine ineffiziente Ausnutzung des Raums auf der Paneele oder Platte zur Folge.
3 veranschaulicht schematisch eine weitere Lösung des Standes der Technik, wo eine oktogonale Solarzelle 1002 (auch bekannt als eine ”quadratische Solarzelle mit abgeschnittenen Ecken”) erzeugt aus einem kreisförmigen Wafer 100 verwendet wird. 3 zeigt, wie die Solarzelle 1002 in ein Quadrat D passt. Quadrateinheiten sind brauchbar für Gebäudeanordnungen, da sie gedreht werden können, was den Zusammenbau vereinfacht, ohne das Anordnungsmuster zu stören. 3 veranschaulicht, wie eine Quadrateinheit aus einer quadratischen Solarzelle abgeleitet wird mit abgestumpften Ecken. Diese Lösungsmöglichkeit repräsentiert eine verbesserte Waferausnutzung verglichen mit der Möglichkeit der 1, da der Abfall 101 des Wafermaterials kleiner ist (häufig Waferausnutzung in der Größenordnung von 70 bis 80 Prozent wird erreicht), aber es erreicht nur einen mäßigen Packungsfaktor, beispielsweise in der Größenordnung von 85 bis 95 Prozent.
Zusammenfassung der Offenbarung
Ein erster Aspekt der Offenbarung bezieht sich auf eine Solarzellenanordnung, die eine Vielzahl von Solarzellen aufweist, wobei jede Solarzelle der Vielzahl von Solarzellen geformt ist als ein Teil eines Kreises, wobei der Teil ein Oberflächengebiet entsprechend nicht mehr als 50 Prozent des Oberflächengebietes des Kreises umfasst und nicht weniger als 25 Prozent des Oberflächengebietes des Kreises. Das heißt, beispielsweise hat jede Solarzelle ein Oberflächengebiet, das nicht größer als die Hälfte des Oberflächengebietes des ursprünglichen kreisförmigen Solarzellenwafers, aber nicht kleiner als ein Viertel davon. Der Teil hat mindestens zwei gekrümmte bzw. kurvenförmige Kanten und mindestens zwei gradlinige Kanten, wobei jede der kurvenförmigen Kanten einen Teil besitzt, der die Form eines Bogens eines Umfangs des Kreises aufweist.
Es wurde festgestellt, dass diese Anordnung gestattet, dass Solarzellen zur Bildung einer Anordnung mit relativ hohem Packungsfaktor gepackt werden können, wobei gleichzeitig relativ wenig Abfall an Wafermaterial auftritt, das heißt es ergibt sich eine relativ hohe Waferausnutzung. Beispielsweise kann ein im wesentlichen kreisförmiger Solarzellenwafer grundsätzlich in einige wenige Teile aufgeteilt werden, wie beispielsweise in zwei Teile oder Hälften, und zwar durch Schneiden entsprechend dem Durchmesser des im wesentlichen kreisförmigen Wafers. Jeder dieser zwei Halbkreise oder ähnlichem kann mit einem zusätzlichen geradlinigen Teil durch Abschneiden desselben versehen werden, bevor oder nach der Unterteilung des ursprünglichen Wafers. Beispielsweise kann ein kreisförmiger Solarzellenwafer an zwei diametral entgegengesetzten Positionen abgeschnitten werden entsprechend einer Sehne an einem Radialabstand von wenigen Millimetern von der Kante des Wafers, beispielsweisem mit einem Radialabstand von weniger als 10 Millimeter im Falle eines 100 Millimeter-Wafers. Wenn der anfängliche Solarzellenwafer bereits einen geraden Teil entsprechend seinem Umfang aufweist, kann es ausreichend sein, nur einen zusätzlichen geradlinigen Teil durch Abschneiden vorzusehen, um beide Solarzellen vorzusehen wie beispielsweise beide Halbleitersolarzellen mit zwei geradlinigen Kanten, die zwei bogenförmige Kanten trennen.
Durch Unterteilen des Wafers in eine relativ kleine Anzahl von diskreten Solarzellen und ohne Verzichten von Material benachbart zu der kreisförmigen oder im wesentlichen kreisförmigen Kante des Solarzellenwafers (mit Ausnahme des kleinen Segments des Kreises, der abgeschnitten ist) kann eine hohe Waferausnutzung erreicht werden. Solarzellen, die auf diese Weise erhalten wurden, können sodann kombiniert werden, um eine Anordnung vorzusehen mit einem relativ hohen Packungsfaktor, beispielsweise mit einem Packungsfaktor in der Größenordnung von beispielsweise 90 Prozent, wobei mehr als beispielsweise 96 Prozent des Wafermaterials verwendet wird. Auch ist es vorteilhaft, dass die Solarzellen relativ groß sind (beispielsweise repräsentiert jede Solarzelle mehr als 30 Prozent oder mehr als 40 Prozent oder nahe 50 Prozent der Waferoberfläche insofern als die Anzahl der Zwischenverbindungen reduziert werden kann und die damit verbundenen Kosten, und zwar verglichen mit beispielsweise der Situation, bei der ein Wafer in eine große Anzahl von kleinen Solarzellen unterteilt wird. Das heißt, die Unterteilung des Solarzellenwafers in eine begrenzte Anzahl von Solarzellen mit bogenförmigen Kanten und geraden Kanten kann dabei helfen ein geeignetes Gleichgewicht zu schaffen zwischen hohem Packungsfaktor, begrenztem Wafermaterialabfall und einer relativ begrenzten Anzahl von Zwischenverbindungen der Solarzellen.
In einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung sind zwei der geradlinigen Kanten parallel. Beispielsweise kann ein Solarzellenwafer an zwei diametral entgegengesetzten Enden abgeschnitten werden und sodann unterteilt werden entlang seines Durchmessers parallel mit den abgeschnittenen Kanten, so dass die sich ergebenden Solarzellen zwei parallele geradlinige Kanten besitzen.
In einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung ist eine dieser geradlinigen Kanten länger als eine weitere der geradlinigen Kanten. Beispielsweise kann die längere geradlinige Kante den Durchmesser eines im wesentlichen keilförmigen Solarzellenwafers entsprechen, wohingegen die kürzere geradlinige Kante einer Sehne des Kreises repräsentiert durch den Solarzellenwafer entsprechen kann.
In einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung sind die Solarzellen in Reihen und Spalten angeordnet, und zwar eine Anordnung von Solarzellen bildend, wobei die Spalten sich in einer ersten Richtung erstrecken, die Solarzellen in einer ersten Spalte angeordnet sind mit der längeren geradlingen Kante vor der kürzeren geradlinigen Kante in einer ersten Richtung, wobei die Solarzellen in einer zweiten Spalte benachbart zur ersten Spalte angeordnet sind mit der längeren geradlinigen Kante nach der kürzeren geradlinigen Kante in der ersten Richtung. Das heißt, die Solarzellen in einer Spalte können beispielsweise ”Oberseite nach unten” angeordnet werden verglichen mit der Solarzelle in der benachbarten Spalte. Diese Möglichkeit hat sich als geeignet herausgestellt für im wesentlichen halbkreisförmige abgeschnittene Solarzellen, die, wenn sie auf diese Weise angeordnet sind, gestatten, dass die Spalten teilweise überlappen, wodurch eine effektive Ausnutzung des Raumes erfolgt.
In einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung sind die kurvenförmigen Kanten voneinander getrennt, und zwar durch gerade Kanten.
Die geraden Kanten können angeordnet sein, um an geraden Kanten der benachbarten Solarzellen in der Anordnung anzustoßen.
In einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung entspricht eine erste geradlinige Kante der geradlinigen Kanten einem Durchmesser eines Kreises. Dies ist typischerweise der Fall, wenn ein im wesentlichen kreisförmiger Solarzellenwafer in zwei Hälften geteilt wird.
In einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung sind mindestens einige der Solarzellen derart angeordnet, dass eine ihrer geraden Kanten gegen eine gerade Kante einer ersten benachbarten Solarzelle anstößt und mit einer anderen eher geraden Kante an einer geraden Kante einer zweiten benachbarten Solarzelle anstößt. In einigen Ausführungsbeispielen hilft dies bei der Maximierung des Packungsfaktors der Solarzellenanordnung.
In einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung sind die Solarzellen in Reihen und Spalten angeordnet und bilden eine Anordnung von Solarzellen, wobei die Reihen sich in einer ersten Richtung und die Spalten sich in einer zweiten Richtung erstrecken, wobei die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung verläuft. In einigen Ausführungsbeispielen erstreckt sich mindestens eine der geraden Kanten in einer dritten Richtung, wobei die dritte Richtung unter einem Winkel zur ersten Richtung verläuft, wobei der Winkel größer als 50 Grad ist und kleiner als 70 Grad. Es wurde gefunden, dass dies bei der Maximierung des Packungsfaktors hilfreich sein kann, insbesondere von großen rechteckigen Paneelen (Platten). Wenn beispielsweise im wesentlichen halbkreisförmige Solarzellen in einer rechteckigen Solarzellenanordnung verwendet werden, so kann deren Anordnung mit der größten geradlinigen Kante – wie beispielsweise einer den Durchmesser des ursprünglichen im wesentlichen kreisförmigen Solarzellenwafer entsprechenden – einen Winkel von zwischen 50 und 70 Grad bezüglich einer der Seiten des Rechtecks aufweisen anstelle des parallelen oder senkrechten Verlaufs zu dieser Seite, was hilfreich sein kann, um den Packungsfaktor zu erhöhen, insbesondere für große rechteckige Paneele. Der örtliche Packungsfaktor kann etwas kleiner sein entsprechend den Kanten der Anordnung, aber dies wird ausgeglichen durch einen höheren örtlichen Packungsfaktor innerhalb der Paneele. Diese Lösung kann besonders für große Solarzellenanordnungen attraktiv sein, die eine große Anzahl von Solarzellen aufweisen.
In einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung sind die Solarzellen angeordnet zur Bildung einer Anordnung, die eine Vielzahl von Spalten und Reihen von Solarzellen, wobei jede Spalte eine Vielzahl von Solarzellen aufweist und jede Reihe eine Vielzahl von Solarzellen aufweist, wobei die Anordnung der Solarzellen in eine parallelogrammförmige Platte passt mit einem Füllfaktor von nicht weniger als 89 Prozent, beispielsweise mit mehr als 90 Prozent. Wie oben erklärt, ermöglicht es die Erfindung einen hohen Packungsfaktor mit einer relativ hohen Waferausnutzung zu kombinieren, und zwar ohne die große Anzahl von Zwischenverbindungen zu erfordern, die notwendig sind, wenn ein Solarzellenwafer in sehr viele kleine Solarzellen aufgeteilt wird, wie beispielsweise in Solarzellen, deren jede eine Oberfläche von weniger als 10% der Waferoberfläche besitzt.
In einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung sind die Solarzellen III-V Verbindungshalbleiter Multijunction Solarzellen. Die relativ hohen Kosten dieser Art von Solarzellen bedeutet, dass eine hohe Waferausnutzung besonders wichtig sein kann.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung bezieht sich auf eine Solarzellenanordnung, die eine Vielzahl von Solarzellen aufweist, wobei jede Solarzelle der Vielzahl von Solarzellen als ein Teil eines Kreises geformt ist, wobei der Teil mindestens eine kurvenförmige Kante aufweist mit einer Form eines Bogens eines Umfangs des Kreises, wobei der Teil ferner mindestens eine geradlinig Kante aufweist, wobei der Teil ein Oberflächengebiet entsprechend nicht mehr als 50% eines Oberflächengebiets des Kreises besitzt und nicht weniger als 25% des Oberflächengebiets des Kreises, wobei die Solarzellen in Reihen und Spalten angeordnet sind, und zwar eine Anordnung von Solarzellen bildend, wobei die Reihen sich in einer ersten Richtung und die Spalten sich in einer zweiten Richtung erstrecken, wobei die zweite Richtung unter einem Winkel gegenüber der ersten Richtung verläuft, wobei der Winkel kleiner als 90 Grad ist.
Traditionell sind Solarzellen häufig in Anordnungen angeordnet, in denen Spalten und Reihen sich mit 90 Grad bezüglich einander erstrecken. Jedoch wurde herausgefunden, dass die Anordnung von Reihen und Spalten mit einem Winkel von weniger als 90 Grad helfen kann, den Packungsfaktor zu erhöhen, wenn Solarzellen mit im wesentlichen kreisförmig geformten Kanten verwendet werden. Insbesondere wurde herausgefunden, dass dies dazu dienen kann, den Packungsfaktor in Korrespondenz mit den Kanten der Anordnung zu erhöhen. Die Anordnung von Solarzellen kann in einigen Ausführungsbeispielen gut in ein Parallelogramm passen.
In einigen Ausführungsbeispielen ist jede Solarzelle im wesentlichen wie ein Halbkreis geformt.
In einigen Ausführungsbeispielen hat jede Solarzelle mindestens zwei gerade Kanten. Beispielsweise kann jede Solarzelle eine gerade Kante entsprechend dem Durchmesser des ursprünglich im wesentlichen kreisförmigen Solarzellenwafer entsprechen und eine weitere geradlinige Kante entspricht einer Sehne des Kreises. Diese Art eines zugeschnittenen Halbkreises gestattet ein gutes Gleichgewicht zwischen dem Packungsfaktor und der Waferausnutzung. In einigen Ausführungsbeispielen sind die zwei geradlinigen Kanten parallel zueinander. In einigen Ausführungsbeispielen sind zwei der geradlinigen Kanten parallel, eine der zwei parallelen geradlinigen Kanten ist dabei länger als die andere der zwei parallelen geradlinigen Kanten. Wie erklärt, können beispielsweise die Solarzellen als zugeschnittene Halbkreise geformt sein.
In einigen Ausführungsbeispielen ist jede der Solarzellen im wesentlichen als ein Sektor des Kreises geformt entsprechend einem Drittel des Kreises. Es wurde festgestellt, dass diese Art von Solarzellen es ermöglicht einen hohen Packungsfaktor zu erreichen, wobei der Abfall an Wafermaterial minimiert wird.
In einigen Ausführungsbeispielen beträgt der Winkel zwischen 45 Grad und 80 Grad wie beispielsweise 55 Grad und 70 Grad. Es wurde festgestellt, dass die Reihen und Spalten, die sich mit diesem Winkel bezüglich einander strecken im Packungsfaktor optimieren können, wenn er die Solarzellen als wesentliche Sektoren eines Kreises geformt sind, wie beispielsweise geformt als Halbkreise oder zugeschnittene Halbkreise.
In einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung ist die Anordnung der Solarzellen als ein Parallelogramm geformt, das an einer rechteckigen oder paralellogrammförmigen Platte bzw. Paneele anhaftet.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung bezieht sich auf eine Solarzellenanordnung, die eine Vielzahl von Solarzellen aufweist, wobei jede Solarzelle der Vielzahl von Solarzellen als ein Teil eines Kreises geformt ist, wobei der Teil mindestens eine kurvenförmige Kante und mindestens zwei geradlinige Kante aufweist, und wobei der Teil ferner ein Oberflächengebiet entsprechend nicht mehr als 50 Prozent eines Oberflächengebietes des Kreises nicht weniger als 25 Prozent des Oberflächengebiets des Kreises umfasst, wobei die geradlinigen Kanten unter einem Winkel von annähernd 120 Grad bezüglich einander verlaufen. In einigen Ausführungsbeispielen kann dies erreicht werden durch Unterteilung eines im wesentlichen kreisförmigen Wafers in drei im wesentlichen identische Teile, wobei jeder einem Sektor des Kreises entspricht. In einigen Ausführungsbeispielen kann die kreisförmige Bogenkante zusätzlich zugeschnitten sein, um weitere geradlinige Kanten hinzuzufügen. Es wurde befunden, dass diese Art von Solarzellen zur Bildung einer Solarzellenanordnung mit einem relativ hohen Packungsfaktor angeordnet werden kann. In einigen Ausführungsbeispielen ist jede der Solarzellen wie der Sektor eines Kreises geformt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur Vervollständigung der Beschreibung und zum Vorsehen eines besseren Verständnisses der Offenbarung wird ein Satz von Zeichnungen vorgesehen. Diese Zeichnungen bilden einen integralen Teil der Beschreibung und veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Offenbarung, die nicht als den Bereich der Offenbarung einschränkend verstanden werden sollten, sondern als Beispiele dafür wie die Offenbarung ausgeführt werden kann. Die Zeichnungen umfassen die folgenden Figuren:
1 veranschaulicht schematisch eine Anordnung gemäß dem Stand der Technik zur Erzeugung einer dicht gepackten Solarzellenanordnung aus quadratischen Solarzellen erhalten aus einem kreisförmigen Solarzellenwafer.
2 veranschaulicht schematisch wie Solarzellen gepackt sind, um einen maximalen Packungsfaktor zu erhalten, und zwar unter Verwendung einer abgestuften Anordnung von Solarzellen in einer Anordnung von Solarzellen oder in einer Solarzellenanordnung.
3 veranschaulicht schematisch eine weitere Anordnung gemäß dem Stand der Technik basierend auf der Verwendung quadratischer Solarzellen mit zugeschnittenen Ecken erhalten aus einem kreisförmigen Wafer.
4 veranschaulicht schematisch wie ein im wesentlichen kreisförmiger Solarzellenwafer in zwei im wesentlichen halbkreisförmige Solarzellen mit zugeschnittenen Bögen unterteilt werden kann und wie derartige Solarzellen zur Bildung von Solarzellenanordnungen kombiniert werden können.
5A veranschaulicht schematisch den Effekt des Winkels θ in einer Solarzellenanordnung geformt als ein Parallelogramm hinsichtlich der Kosten pro Watt der Paneele und des Transports.
5B veranschaulicht schematisch den Effekt des Winkels θ in einer Solarzellenanordnung geformt in einem Parallelogramm und zwar auf die Packungsdichte.
Die 6A bis 6C veranschaulichen schematisch ein Ausführungsbeispiel basierend auf der Verwendung von Solarzellen geformt als Kreissektoren, wobei jeder annähernd einem Drittel des Solarzellenwafers entspricht.
Detaillierte Beschreibung
4 zeigt wie ein im wesentlichen kreisförmiger Solarzellenwafer 400 mit einem geraden Kantenteil 401 mit einem weiteren geradlinigen Kantenteil 405 versehen werden kann, und zwar durch sein Zuschneiden entgegengesetzt zu dem ersten geradlinigen Kantenteil 401, wobei ein Teil des Wafermaterials 405a entfernt wird.
Im nächsten Schritt wird der Wafer in zwei Solarzellen 410 und 411 unterteilt, und zwar durch Zerschneiden des Wafers entsprechend seinem Durchmesser parallel mit den geradlinigen Kanten 401 und 405. Auf diese Weise werden zwei im wesentlichen identische Solarzellen 410 und 411 erhalten. Die Solarzelle 410 weist zwei parallele geradlinige Kanten 401 und 402 auf, von denen eine länger ist als die andere. Die zwei geradlinigen Kanten 401 und 402 sind voneinander durch zwei gekrümmte Kante 403 und 404 getrennt, wobei jede einem Bogen des kreisförmigen Kantenteils des ursprünglichen Wafers 400 entspricht. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Wafer auf andere Weise zerschnitten werden. Es ist klar, dass das Oberflächengebiet jeder Solarzelle 410 und 411 kleiner als 50 Prozent des Oberflächengebiets des Kreises entsprechend des kreisförmigen Bogenkantenteils des ursprünglichen Wafers ist, aber nicht kleiner als 25 Prozent des Oberflächengebiets des Kreises. Das Teilen des Wafers in eine kleine Anzahl von relativ großen Solarzellen kann manchmal bevorzugt sein, um die Anzahl der Zwischenverbindungen benötigt zur Erzeugung einer Solarzellenanordnung mit einer gegebenen Fläche von Solarzellenmaterial zu minimieren. Das heißt, wohingegen die Unterteilung eines Solarzellenwafers in eine sehr große Anzahl von kleinen Solarzellen einen hohen Packungsfaktor und eine hohe Waferausnutzung gestatten kann, kann die Verwendung größerer Solarzellen vorteilhaft sein, da weniger Solarzellen miteinander verbunden werden müssen, wodurch die Kosten der Zwischenverbindung der Solarzellen minimiert werden.
4 veranschaulicht schematisch wie Solarzellen (erhalten wie oben beschrieben) in Anordnungen kombiniert werden können, um Solarzellenanordnungen mit unterschiedlichen Layouts zu bilden.
In einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung hat eine Solarzellenanordnung 450 eine rechteckige Form, in der die Solarzellen 410 und 411 derart angeordnet sind, dass in jeder Spalte der Solarzellenanordnung eine kürzere gerade Kante der Solarzelle an eine längere gerade Kante einer weiteren Solarzelle anstößt. Die Solarzellen in benachbarten Spalten sind derart angeordnet, dass die Solarzellen 410 und 411 in einer Spalte angeordnet sind mit der kürzeren geradlinigen Kante nach der längeren geradlinigen Kante in einer ersten Richtung beispielsweise einer sich vertikal vom Boden der Anordnung erstreckenden Richtung, wohingegen die Solarzellen 412, 413 in der anderen Spalte angeordnet sind mit ihrer kürzeren geradlinigen Kante vor der längeren geradlinigen Kante in der gleichen Richtung. Wie in der 4 gezeigt liefert die eine Solarzellenanordnung 450, in der die Spalten partiell ineinander greifen, wodurch ein ziemlich guter Packungsfaktor vorgesehen wird. Mit halbkreisförmigen Solarzellen wird ein Packungsfaktor in der Größenordnung von 84 Prozent erhalten, wobei dieser aber beträchtlich durch Zuschneiden der Halbkreise wie beschrieben erhöht werden kann. Wenn beispielsweise ein 100 Millimeter Wafer auf 6 Millimeter (in Radialrichtung) zugeschnitten wird, gestatten die sich ergebenden Solarzellen geformt als zugeschnittene Halbkreise einen Packungsfaktor von mehr als 89 Prozent bei Anordnung in der Solarzellenanordnung 450, wobei die Waferausnutzung oberhalb von 97 Prozent liegt.
Eine zweite Solarzellenanordnung 460 hat die Form eines Parallelogramms. In diesem veranschaulichten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Reihen in einer ersten Richtung 461 (hier in der horizontalen Richtung) und die Spalten erstrecken sich in einer zweiten Richtung 462 unter einem Winkel θ zur ersten Richtung. Dieser Winkel kann vorzugsweise zwischen 45 und 80 Grad liegen, noch bevorzugter zwischen 55 und 70 Grad. Es wurde befunden, dass dann, wenn die Solarzellen als perfekte Halbkreise geformt sind, ein Winkel von ungefähr 60 Grad bevorzugt werden kann, wobei ein Packungsfaktor von mehr als 90 Prozent vorgesehen wird, wohingegen dann, wenn die Solarzellen als Halbkreise, aber mit einer abgeschnittenen Kante parallel zur längsten Kante verwendet werden, der optimale Winkel in der Größenordnung von 45 Grad liegen kann. Diese Anordnung liefert einen noch höheren Packungsfaktor und sieht gleichzeitig sehr niedrigen Abfall an Wafermaterial vor. Grundsätzlich wird nur das Wafermaterial 405a, das vom Wafer abgeschnitten wird, als Abfall anfallen.
Die Anordnung der Solarzelle mit den längsten geradlinigen Kanten unter einem Winkel θ zwischen 45 und 80 Grad gegenüber einer Seite der Solarzellenanordnung, wie beispielsweise zwischen 55 und 70 Grad, wird auch in der Solarzellenanordnung 470 verwendet, aber in diesem Fall hat die Solarzellenanordnung eine rechteckige Form. Hier kann der Gesamtpackungsfaktor sehr gut sein, insbesondere im Falle einer großen Solarzellenanordnung mit einer großen Anzahl von Solarzellen in jeder Spalte und Reihe. Der örtliche Packungsfaktor ist nicht sehr hoch entsprechend mit den Kanten der Solarzellenanordnung, aber höher weg von den Kanten. Somit kann dieses Layout sehr attraktiv sein für große Solarzellenanordnungen und einen guten Gesamtpackungsfaktor liefern.
5A veranschaulicht schematisch, wie die Gesamtpaneelenkosten pro Watt (linke Vertikalachse) und die gesamten ”Launch”-Kosten bzw. Transportkosten (rechte Vertikalachse) sich mit dem Winkel θ (die Horizontalachse) verändern können, und zwar im Falle der Solarzellenanordnung 460, das heißt der Solarzellenanordnung geformt wie ein Parallelogramm und wo die Spalten sich in einer Richtung einen Winkel θ formend erstrecken mit den Reihen, und wo die längsten geraden Kanten der im wesentlichen halbkreisförmigen Solarzellen sich parallel mit der Richtung der Spalten erstrecken. Dies wird durch Kostenreduktion in Prozent ausgedrückt, und zwar verglichen mit der traditionellen Lösung unter Verwendung einer Solarzelle mit geschnittenen Ecken, ausgeschnitten aus dem Wafer. 5B zeigt den Einfluss des Winkels θ auf den Paneelenpackungsfaktor. Der Paneelenpackungsfaktor hat einen wesentlichen Einfluss auf die gesamten ”Launch”-Kosten pro Watt, da ein hoher Packungsfaktor das Watt/Gewichtsverhältnis verbessert. Es ist klar, dass die besten Resultate für einen Winkel θ irgendwo zwischen 55 und 70 Grad erhalten werden.
Die 6A–6C veranschaulichen schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein im wesentlichen kreisförmiger Solarzellenwafer in drei im wesentlichen identische Teile 601, 602, 603 aufgeteilt, wobei jeder Teil einen Sektor des Kreises ein Drittel des Kreises repräsentierend entspricht. Das heißt, jede Solarzelle umfasst zwei geradlinige Kanten, die sich unter einem Winkel von annähernd 120 Grad zueinander erstrecken. Diese Anordnung nützt das Wafermaterial ausgezeichnet aus und gestattet einen vernünftigen Packungsfaktor, wenn die Solarzellen in einer rechteckigen Anordnung 650, wie in 6B gezeigt angeordnet werden. Wenn jedoch eine Anordnung vorgesehen wird, die geeignet ist, um in ein Parallelogramm 660 zu passen mit Spalten, die sich unter einem Winkel θ kleiner als 90 Grad bezüglich der Reihen erstrecken, so wird ein besserer Packungsfaktor erhalten. Dies ist in 6C gezeigt, wo die Reihen sich in einer ersten Richtung 661 und die Spalten sich in einer zweiten Richtung 662 und einem Winkel θ bezüglich der ersten Richtung derart erstrecken, dass die sich ergebende Anordnung von Solarzellen die Form eines Parallelogramms besitzt.
Der in diesem Dokument genannte Packungsfaktor ist im allgemeinen der örtliche Packungsfaktor, der in vielen Ausführungsbeispielen sich unterscheiden kann von dem Gesamtpackungsfaktor der Solarzellenanordnung, und zwar beispielsweise infolge eines niedrigeren örtlichen Packungsfaktors in Korrespondenz mit den Kanten der Anordnung (beispielsweise in Folge der Größe und/oder Form der Anordnung) und/oder infolge des Vorhandenseins anderer Komponenten auf der Solarzellenanordnung.
In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck ”Solarzelle” auf eine Solarzelle, die ein integraler Teil eines Solarzellenwafers ist, und nicht auf eine Solarzelle, die aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Teilen besteht.
Bezugnahmen auf Reihen und Spalten einer Anordnung werden nicht bezüglich einer speziellen Orientierung der Reihen und Spalten gemacht, beispielsweise Reihen sind nicht notwendigerweise horizontal orientiert und Spalten sind nicht notwendigerweise vertikal orientiert. Vielmehr beziehen sich die Bezugnahmen auf Reihen und Spalten auf Solarzellen, angeordnet in mehr oder weniger regelmäßigen Mustern, wobei Gruppen von Solarzellen identifiziert werden können, in denen die Solarzellen nacheinander angeordnet sind. Eine Gruppe von Solarzellen, in der die Solarzellen nacheinander in einer Richtung angeordnet sind, kann als eine Spalte angesehen werden und eine Gruppe von Solarzellen, der die Solarzellen nacheinander in einer unterschiedlichen Richtung angeordnet sind, kann als eine Spalte angesehen werden.
Insofern sollte der Ausdruck ”weist auf” als eine Ableitungen (wie beispielsweise ”aufweisend” usw.) nicht verstanden werden in einem ausschließlichen Sinne, das heißt sollten nicht interpretiert werden als die Möglichkeit ausschließend, dass das, was beschrieben und definiert ist, auch andere Elemente, Schritt usw. aufweisen kann.
Die Offenbarung ist offensichtlich nicht auf das spezielle Ausführungsbeispiel bzw. die speziellen Ausführungsbeispiele, die hier beschrieben wurden, beschränkt, sondern umfasst auch jedwede Variation, die von einem Fachmann ins Auge gefasst werden könnten (beispielsweise bezieht sich dies auf die Wahl der Materialien, der Abmessungen, der Komponenten, der Konfiguration usw. Der Rahmen der Offenbarung wird durch die Ansprüche definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4235643 [0002]
US 4321417 [0002]

Claims

Eine Solarzellenanordnung, die eine Vielzahl von Solarzellen (410, 411, 412, 413) aufweist, wobei jede Solarzelle der Vielzahl von Solarzellen geformt ist als ein Teil eines Kreises, wobei der Teil ein Oberflächengebiet besitzt entsprechend nicht mehr als 50 Prozent eines Oberflächengebiets des Kreises und nicht weniger als 25 Prozent des Oberflächengebiets des Kreises, wobei der Teil mindestens zwei gerade Kanten (401, 402) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil mindestens zwei kurvenförmige Kanten (403, 404) aufweist, deren jede eine Form eines Bogens des Kreises besitzt.
Die Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei zwei der geraden Kannten (401, 402) parallel verlaufen.
Die Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine der geraden Kanten (402) eine längere gerade Kante ist, und die andere gerade Kante (401) eine kürzere gerade Kante ist.
Die Solarzellenanordnung nach Anspruch 3, wobei die Solarzellen in Reihen und Spalten angeordnet sind, die eine Anordnung von Solarzellen bilden, wobei die Spalten sich in einer ersten Richtung erstrecken, wobei die Solarzellen (410, 411) in einer ersten Spalte angeordnet sind mit der längeren geraden Kante vor der kürzeren geraden Kante in der ersten Richtung, wobei die Solarzellen (412, 413) in der zweiten Spalte benachbart zur ersten Spalte angeordnet sind mit der längeren geraden Kante nach der kürzeren geraden Kante in der ersten Richtung.
Die Solarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gekrümmten Kanten (403, 404) gesondert voneinander sind durch die geraden Kanten (401, 402).
Die Solarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste der geradlinigen Kanten (402) einem Durchmesser des Kreises entspricht.
Die Solarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Solarzellen in Reihen und Spalten angeordnet sind, und zwar eine Anordnung von Solarzellen bildend, wobei die Reihen sich in der ersten Richtung und die Spalten in einer zweiten Richtung erstrecken, und wobei ferner die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung verläuft, wobei mindestens eine der geraden Kanten sich in einer dritten Richtung erstreckt, wobei die dritte Richtung unter einem Winkel θ zur ersten Richtung verläuft, wobei der Winkel größer als 50 Grad und kleiner als 70 Grad ist.
Die Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Solarzellen in Reihen und Spalten angeordnet sind, und zwar eine Anordnung der Solarzellen bildend, wobei die Reihen sich in einer ersten Richtung (461) und die Spalten sich in einer zweiten Richtung (462) erstrecken, und wobei ferner die zweite Richtung unter einem Winkel θ gegenüber der ersten Richtung verläuft und der Winkel zwischen 45 Grad und 80 Grad ist.
Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenanordnung, wobei folgendes vorgesehen ist: Vorsehen einer Vielzahl von Solarzellenwafern (400), wobei jeder Solarzellenwafer eine Kante besitzt, geformt als ein Bogen eines Kreises; Teilen jedes der Solarzellenwafer in mindestens zwei Solarzellen (410, 411), wobei jede der Solarzellen als ein Teil des Kreises geformt ist, und der Teil ein Oberflächengebiet aufweist, entsprechend nicht mehr als 50 Prozent des Oberflächengebietes des Kreises und nicht weniger als 25 Prozent des Oberflächengebietes des Kreises, wobei der Teil ferner mindestens zwei gerade Kanten (401, 402) aufweist; und Anordnen der Solarzellen auf einem Träger zur Erzeugung der Solarzellenanordnung (450, 460, 470), dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilung der Solarzellenwafer (400) in Solarzellen (410, 411) derart ausgeführt wird, dass der Teil mindestens zwei kurvenförmige Kanten (403, 404) besitzt, deren jede eine Form eines Bogens des Kreises aufweist.
Die Solarzellenanordnung nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Anordnens der Solarzellen (410, 411, 412, 413) auf dem Träger ausgeführt wird durch Anordnen der Solarzellen in einer Anordnung in einer Vielzahl von Spalten und Reihen von Solarzellen, wobei jede Spalte eine Vielzahl von Solarzellen aufweist und jede Reihe eine Vielzahl von Solarzellen aufweist, wobei die Anordnung der Solarzellen in ein Parallelogramm passt mit einem Füllfaktor von nicht weniger als 89 Prozent.