DE19756234A1 - Kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle - Google Patents

Kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarbatterie und insbesondere eine Solarbatteriekühlanordnung.
Im allgemeinen neigt eine Solarzelle dazu, eine verrin­ gerte Energieerzeugungsfähigkeit zu haben, wenn ihre Tempe­ ratur ansteigt. Wenn zum Beispiel die Temperatur einer So­ larzelle auf bis zu 100°C ansteigt, nimmt ihre Energieer­ zeugungsfähigkeit im Vergleich zu der Energieerzeugungsfä­ higkeit bei 25°C um ungefähr 60% ab. Es sind daher herkömm­ licherweise verschiedene Solarzellenkühlverfahren vorge­ schlagen worden, um ein Abfallen der Energieerzeugung zu unterdrücken und um die Lebensdauer zu verbessern. Ein der­ artiges Solarzellenkühlverfahren ist in der veröffentlich­ ten, japanischen Patentschrift Hei 5-83881 offenbart. Diese Veröffentlichung lehrt das Verfahren, gemäß einem System mit Kühlmantel ein Solarzellenbauteil in Wasser zu tauchen. In diesem Beispiel wird ein Solarmodul dadurch gebildet, daß Solarzellen angeordnet werden und anschließend das Zwischenprodukt mit einem wasserdichten Harz überzogen wird. Es ist daher bekannt, daß die Solarzellen indirekt über das Harz gekühlt werden.
Um Jahre, in denen Energie zurückgewonnen wird, oder eine Amortisationsdauer (d. h., Jahre, in denen die für die Herstellung eines Solarmoduls verwendete Energie als er­ zeugte Leistung wiedergewonnen werden kann) zu verringern und um die Kosten für die Herstellung eines Energieerzeugungssystems, in das eine Solarzelle eingebaut ist, zu verringern, ist erst seit kurzer Zeit viel Aufmerksamkeit auf das lichtsammelnde Solarmodul gerichtet worden, das das Sonnenlicht unter Verwendung eines Kondensors sammelt, wobei somit die auf eine Solarzelle einfallende Lichtmenge erhöht und der Flächenbedarf von teuren Solarzellen verringert wird. In einer derartigen lichtsammelnden Solarmoduleinheit ist es schwierig, in dem herkömmlichen Verfahren eine ausreichende Kühlwirkung zu erreichen, weil die Temperatur der Solarzelle mit einer Erhöhung des Lichtkonzentrationsgrades bedeutend ansteigt. Um die Solarzelle effektiv und wirkungsvoll zu kühlen, kann die Solarzelle direkt mit einem Kühlmittel gekühlt werden. Ein Verfahren zum direkten Kühlen einer Solarzelle ist in Fig. 5 gezeigt. Es wird auf Fig. 5 bezug genommen, wobei die Solarzelle 10 an dem Träger 100 ausgeformt ist. Die erzeugte Energie wird von den an der hinteren Fläche der Solarzelle 10 ausgeformten Elektroden 12 über die Busleitungen 102 entnommen. Um die Umrandung der lichtaufnehmenden Fläche der Solarzelle 10 sind dammähnli­ che, verstärkte Abschnitte 14 ausgeformt. Das Dichtungsmit­ tel 104, wie zum Beispiel ein Epoxidharz, dichtet Flächen ab, die sich von dem verstärkten Abschnitt 14 zu dem Träger 100 erstrecken und es wird in den Spalt zwischen der Solar­ zelle 10 und dem Träger 100 gefüllt. Sogar wenn die Solar­ zelle 10 mit einem Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasser, di­ rekt gekühlt wird, hindert das Dichtungsmittel das Kühlmit­ tel daran, auf die Elektrode 12 zu fließen. Als Ergebnis kann verhindert werden, daß die Elektrode korrodiert. Der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Si­ lizium oder einem die Solarzelle 10 bildenden Material und dem Dichtungsmittel 104 bewirkt, daß sich das Dichtungsmit­ tel 104 von der Solarzelle 10 löst. Es ist bekannt, daß dieses Lösen auftritt, wenn die Solarzelle zwei bis sechs Jahre lang verwendet wird. Daher gibt es das Problem, daß das Kühlmittel von der Verbindungsstelle bzw. Grenzfläche zwischen der Solarzelle 10 und dem Dichtungsmittel 104 zu der Elektrode 12 läuft, wobei somit die Elektrode 12 kor­ rodiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben er­ wähnten Probleme zu lösen. Darüberhinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine sehr zuverlässige, kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle vorzusehen, deren einschlie­ ßende bzw. abdichtende Eigenschaft bei Verwendung über ei­ nen langen Zeitraum aufrechterhalten bleibt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine kühlmitte­ leinschließende Anordnung für eine Solarzelle ein Platten­ bauteil auf, das durch ein Anodenverbindungsverfahren mit dem Umrandungsabschnitt der Solarzelle verbunden ist, wobei das Plattenbauteil einen Kühlmitteldurchlaß ausformt. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die kühlmitteleinschlie­ ßende Anordnung desweiteren einen dammähnlichen, verstärk­ ten Abschnitt auf, der um den Umrandungsabschnitt der So­ larzelle herum angeordnet ist. Der dammähnliche, verstärkte Abschnitt ist durch ein Anodenverbindungsverfahren mit dem Plattenbauteil verbunden. Gemäß der kühlmitteleinschließen­ den Anordnung der vorliegenden Erfindung ist der dammähnli­ che, verstärkte Abschnitt wenigstens an der lichtaufnehmen­ den Fläche oder an der hinteren Fläche der Solarzelle ange­ ordnet. Gemäß der kühlmitteleinschließenden Anordnung der vorliegenden Erfindung weist der Kühlmitteldurchlaß ein transparentes Bauteil auf, das an dem Plattenbauteil ange­ bracht ist, so daß es die Solarzelle bedeckt. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die kühlmitteleinschließende Anordnung desweiteren einen Wasserbehälter auf, der zu dem Kühlmitteldurchlaß benachbart angeordnet und mit dem Kühl­ mitteldurchlaß integral ausgeformt ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevor­ zugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht, die eine kühlmitte­ leinschließende Anordnung für eine Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 eine Perspektivansicht, die die kühlmittelein­ schließende Anordnung für eine Solarzelle in Fig. 1 dar­ stellt;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht, die eine kühlmitte­ leinschließende Anordnung für eine Solarzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar­ stellt;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht, die eine kühlmitte­ leinschließende Anordnung für eine Solarzelle gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
Fig. 5 eine Darstellung, die die Anordnung zum direkten Kühlen der lichtaufnehmenden Fläche eine Solarzelle mit ei­ nem Kühlmittel zeigt.
Als nächstes wird unterhalb eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in bezug auf die beigefügte Zeich­ nung beschrieben. Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die die kühlmitteleinschließende bzw. kühlmitteleinkapselnde Anordnung für eine Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Es wird auf Fig. 1 bezug genommen, wobei die Solarzelle 10 aus einem p- oder n-Sili­ ziumwafer mit einer Dicke von 300 bis 700 µm gebildet ist. Insbesondere ist der die lichtaufnehmende Fläche 11 bilden­ de Abschnitt dünner gemacht.
Das Dünnermachen wird deshalb gemacht, damit der beweg­ liche Abstand von Ladungsträgern, die durch das auf die lichtaufnehmende Fläche 11 einfallende Sonnenlicht erzeugt werden, bis auf 50 bis 100 µm verringert wird, so daß eine erhöhte Ladungsträgerlebensdauer und ein verringerter Wi­ derstand realisiert werden können. Wenn der Abschnitt, an dem die lichtaufnehmende Fläche 11 ausgeformt ist, dünner hergestellt ist, kann in diesem Fall das einfallende Licht nicht in ausreichender Weise eingefangen werden, so daß sich der fotoelektrische Wirkungsgrad verringert. Aus die­ sem Grund ist an der lichtaufnehmenden Fläche 11 eine pyra­ midenförmige oder umgekehrtpyramidenförmige Struktur 16 ausgeformt, um das Licht in ausreichender Weise einzufan­ gen. In der Solarzelle 10 ist darüber hinaus der Abschnitt 11, an dem die lichtaufnehmende Fläche 11 ausgeformt ist, dünn ausgeformt, der Dammabschnitt ist um die lichtaufneh­ mende Fläche 11 herum stehengelassen und wirkt als der ver­ stärkte Abschnitt 14, um die mechanische Festigkeit der So­ larzelle 10 zu verbessern.
Um die Ladungsträgerlebensdauer zu verlängern, ist die Störstellenkonzentration des die Solarzelle 10 bildenden Siliziumwafers auf einen niedrigen Wert, zum Beispiel auf einige 10 bis 200 Ωcm, festgelegt. An der rückwärtigen Fläche der lichtaufnehmenden Fläche 11 sind abwechselnd n-Diffusionsschichten und p-Diffusionsschichten angeordnet, um pn-Übergange zu bilden. An den pn-Übergängen sind je­ weils positive Elektroden und negative Elektroden ausge­ formt. An der Oberfläche der Solarzelle 10 ist ein Schutz­ film 18 ausgeformt, der aus einer Siliziumoxidschicht oder einem Nitridfilm gebildet wird. Die obere Seite des ver­ stärkten Abschnitts 14 der Solarzelle 10 hat eine sehr glatte Spiegeloberfläche.
An der ebenen bzw. planierten, oberen Fläche des ver­ stärkten Abschnitts 14 ist ein Plattenbauteil 20 aus Glas angeordnet. Dieses Plattenbauteil 20 ist mit der oberen Seite des verstärkten Abschnitts 14 unter Verwendung eines Anodenverbindungsverfahrens verbunden. Es ist eine rechtwinklige Öffnung 42 ausgeformt, die der lichtaufnehmenden Fläche 11 der Solarzelle entspricht.
Wenn für das Plattenbauteil 20 Pyrex®-Glas verwendet wird, wird das Anodenverbinden ausgeführt, wobei die Tempe­ ratur der Solarzelle und des Plattenbauteils 20 auf 350 bis 450°C erhöht wird und anschließend eine Spannung von 300 bis 1000 V angelegt wird. Unter diesen Bedingungen erfor­ dert der Schutzfilm 18 mit einer vergrößerten Dicke ein Verbindungsverfahren mit einer höheren Temperatur und unter einer höheren Spannung. Wenn der Schutzfilm 18 eine Dicke von 3000 Ångström bzw. 300 nm oder weniger hat, kann der Verbindungsvorgang unter den oben erwähnten Bedingungen durchgeführt werden. Beim Anodenverbindungsvorgang werden Na⁺-Ionen in dem negativen elektrischen Feld bei einer ge­ ringeren Temperatur als der Schmelzpunkt von Glas oder ei­ nes Siliziumwafers angezogen, während sie sich in einem Glas bewegen, wobei sie somit schließlich die Grenzfläche zwischen dem Plattenbauteil 20 und der oberen Seite des verstärkten Abschnitts 14 erreichen. An der Grenzfläche ist eine Raumladungsschicht ausgeformt. Anschließend reagieren die in dem Schutzfilm 18 vorhandenen Siliziumatome mit den sich in dem Glas bewegenden Na⁺-Ionen. Dieses chemische Verbinden gestattet es, daß eine hohe Haftfestigkeit er­ zielt wird.
Ein transparentes Bauteil 22, das aus transparentem Harz wie zum Beispiel Akrylharz oder Glas hergestellt ist, bedeckt das Plattenbauteil 20. Das transparente Bauteil 22 ist an dem Kontaktabschnitt 24 angeklebt oder angeschweißt, um einen Kühlmitteldurchlaß 25 zu bilden. Von der Solar­ zelle wird Hitze abgezogen, wobei ein Kühlmittel durch den Kühlmitteldurchlaß 25 zirkuliert. In diesem Fall steht das Kühlmittel mit der Solarzelle 10 über die Öffnung 42 direkt in Kontakt, wobei somit eine direkte Kühlwirkung vorgesehen wird. Der Kontaktabschnitt 24 kann weggelassen werden, wo­ bei das Plattenbauteil 20 mit dem transparenten Bauteil 22 integral ausgeformt ist.
Fig. 2 ist eine Perspektivansicht, die eine kühlmitte­ leinschließende Anordnung für eine Solarzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Es wird auf Fig. 2 be­ zug genommen, wobei das Kühlmittel in dem transparenten Bauteil 22 über die Kühlmittelleitungen 26 und 28 zirku­ liert und die Solarzelle 10 direkt kühlt.
In der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist der verstärkte Abschnitt 14 durch einen Anodenverbin­ dungsvorgang mit dem Plattenbauteil 20 fest verbunden. Weil der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glas und dem Silizium gering ist, löst sich der ver­ stärkte Abschnitt 14 bei sich wiederholenden Temperaturän­ derungen nicht von dem Plattenbauteil 20. Gemäß der vorlie­ genden Ausführungsform wird hauptsächlich ein (nicht ge­ zeigter) Kondensor verwendet, um das Sonnenlicht 30 zu sam­ meln. Sogar wenn kräftige, sammelfähige Lichtstrahlen, die von dem Kondensor gesammelt werden, eingestrahlt werden, verschlechtert sich der verbundene Abschnitt, wo die obere Seite des verstärkten Abschnitts 14 und das Plattenbauteil 20 verbunden sind, nicht wesentlich. Es ist zum Beispiel nachgewiesen worden, daß das kontinuierliche Bestrahlen mit Licht von 10 W/cm2 (das entspricht 100fach konzentriertem Licht) über einen Zeitraum von 10 000 Stunden die hermeti­ sche Eigenschaft des verbundenen Abschnitts nicht völlig beeinflußt.
Fig. 3 zeigt eine kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird auf Fig. 3 bezug genommen, wobei das transparente Bauteil 22 Wandungen 32 aufweist, die mit dem Plattenbauteil 20 in Kontakt stehen. Der Spalt ist mit einer Gummidichtung 34 abgedichtet. Aus der Solar­ zelle 10, dem Plattenbauteil 20 und der Wandung 32 des transparenten Bauteils 22 ist ein Kühlmitteldurchlaß 25 ausgeformt.
In der vorliegenden Ausführungsform hat das transpa­ rente Bauteil 22 die in Fig. 3 gezeigte Anordnung. Der un­ tere Plattenabschnitt 36 erstreckt sich zu dem Plattenbau­ teil 20 hin. Das Plattenbauteil 20 ist an dem unteren Plat­ tenabschnitt 36 angeklebt oder angeschweißt. In dieser An­ ordnung sind die Kühlmittelkammern 38 an beiden Seiten des Kühlmitteldurchlasses 25 angeordnet. Die Kühlmittelkammern 38 sind stets mit einem Kühlmittel gefüllt. Sogar wenn sich das Kühlmittel von dem Kühlmitteldurchlaß 25 entfernt, kann das Kühlen der verbundenen Flächen zwischen dem verstärkten Abschnitt 14 und dem Plattenbauteil 20 aufrecht erhalten werden. Dieses Merkmal gestattet es, daß die verbundene Fläche stets gekühlt wird, so daß die Temperaturänderung an den verbundenen Flächen gering ist. Die Zuverlässigkeit der hermetischen Eigenschaft des verbundenen Abschnitts wird weiter verbessert.
Fig. 4 ist eine kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der in Fig. 4 gezeigten So­ larzelle 10 ist der verstärkte Abschnitt 14 am Umfang der lichtaufnehmenden Fläche 11 ausgeformt, während der andere verstärkte Abschnitt 40 an der hinteren Fläche aus geformt ist. Der verstärkte Abschnitt 40 der Solarzelle 10 ist durch ein Anodenververbindungsverfahren mit dem Plattenbau­ teil 20 an der hinteren Flächenseite verbunden. Wenn der verstärkte Abschnitt 40 an der hinteren Flächenseite die Festigkeit der Solarzelle 10 ausreichend sichern kann, kann der verstärkte Abschnitt 14 an der vorderen Flächenseite weggelassen werden.
In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die rechtwinklige Öffnung 42, die der lichtaufnehmenden Fläche 11 der Solarzelle 10 entspricht, in dem Plattenbauteil 20 ausgeformt. Die obere Seite des verstärkten Abschnitts 14 muß mit der Umrandung der Öffnung 42 verbunden sein. Es ist jedoch schwierig, die rechtwinklige Öffnung 42 in dem Plat­ tenbauteil 20 durch maschinelle Bearbeitung herzustellen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Öffnung 42 nur ausgeformt, um Leitungen herauszuziehen, die sich von der an der rückwärtigen Seite der Solarzelle 10 ausgeformten Elektrode 12 erstrecken. Die Öffnung 42 kann zum Beispiel ein rundes Loch sein, das durch maschinelle Bearbeitung leicht hergestellt werden kann. Aus diesem Grund gestattet es die vorliegende Ausführungsform, daß die Solarzelle auf einfache Weise hergestellt werden kann. Ein solches Loch kann zum Beispiel durch Ultraschallbearbeitung oder mecha­ nische Bearbeitung in ausreichender Weise ausgebildet wer­ den.
Der Kühlmitteldurchlaß 25 wird in der vorliegenden Aus­ führungsform durch Verbinden des transparenten Bauteils 22 mit dem Plattenbauteil 20 ausgeformt.
Wie oben beschrieben ist, können gemäß der vorliegenden Erfindung die Haftfestigkeit sowie die abdichtende Wirkung verbessert werden, weil die Solarzelle mit dem Plattenbau­ teil durch Anodenverbinden verbunden ist. Die hermetische Eigenschaft der verbundenen Fläche kann weiter zuverlässig verbessert werden, indem an den beiden Seiten des Kühlmit­ teldurchlasses Kühlmittelkammern ausgeformt sind. Darüber hinaus kann in der Anordnung, in der der verstärkte, an der rückwärtigen Fläche einer Solarzelle zusätzlich Abschnitt mit dem Plattenbauteil anodenverbunden ist, die Öffnung in dem Plattenbauteil willkürlich geformt sein, so daß die Verarbeitungsfähigkeit verbessert werden kann.
Es ist eine kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle 10 vorgesehen, von der die abdichtende Eigenschaft bei Verwendung über einen langen Zeitraum zuverlässig aufrecht erhalten bleibt. Eine Solarzelle 10 hat ihre lichtaufnehmende Fläche 11 und einen verstärkten Abschnitt 14 um den Randabschnitt der lichtaufnehmenden Fläche 11 herum. Das Plattenbauteil 20 ist mit der oberen Seite des verstärkten Abschnitts 14 durch ein Anodenverbindungsverfahren verbunden. Mit dem Plattenbauteil 20 ist ein transparentes Bauteil 22 verbunden, um einen Kühlmitteldurchlaß 25 auszuformen. Diese Anordnung gestattet es, daß die Solarzelle 10 mit dem durch den Kühlmitteldurchlaß 25 fließenden Kühlmittel direkt gekühlt wird. Weil die Solarzelle 10 mit dem Plattenbauteil 20 verbunden ist, tritt an dem verbundenen Abschnitt bei wiederholten Temperaturänderungen kein Trennen auf. Die kühlmitteleinschließende Anordnung kann über einen langen Zeitraum sehr zuverlässig verwendet werden.

Claims (5)

1. Kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle (10) mit einem Plattenbauteil (20), das mit dem Randab­ schnitt der Solarzelle (10) durch ein Anodenverbin­ dungsverfahren verbunden ist, wobei das Plattenbauteil (20) einen Kühlmitteldurchlaß (25) ausformt.
2. Kühlmitteleinschließende Anordnung gemäß Anspruch 1, die desweiteren einen dammähnlichen, verstärkten Ab­ schnitt (14) aufweist, der um den Randabschnitt der So­ larzelle (10) herum angeordnet ist, worin der dammähnliche, verstärkte Abschnitt (14) durch ein Anodenverbindungsverfahren mit dem Plattenbauteil (20) verbunden ist.
3. Kühlmitteleinschließende Anordnung gemäß Anspruch 2, worin der dammähnliche, verstärkte Abschnitt (14) we­ nigstens an der lichtaufnehmenden Fläche (11) oder an der hinteren Fläche der Solarzelle (10) angeordnet ist.
4. Kühlmitteleinschließende Anordnung gemäß Anspruch 1, worin der Kühlmitteldurchlaß (25) ein transparentes Bauteil (22) aufweist, das mit dem Plattenbauteil (20) verbunden ist, so daß es die Solarzelle (10) bedeckt.
5. Kühlmitteleinschließende Anordnung gemäß Anspruch 4, die desweiteren einen Wasserbehälter (38) aufweist, der zu dem Kühlmitteldurchlaß (25) benachbart und mit dem Kühlmitteldurchlaß (25) integral ausgeformt ist.
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