DE19756234C2

DE19756234C2 - Kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle

Info

Publication number: DE19756234C2
Application number: DE19756234A
Authority: DE
Inventors: Kyoichi Tange
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-12-25
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: DE19756234A1; JP3206467B2; KR100285821B1; AU4925897A; KR19980064573A; JPH10190027A; AU698663B2; US6005185A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für eine Solarzelle.

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 bekannt, um ein Abfallen der Energieerzeugung zu unterdrücken und um die Lebensdauer zu verbessern. Ein derartiges Solarzellen kühlverfahren ist in der veröffentlichten JP 5-83881 A offenbart. Diese Veröffentlichung lehrt das Verfahren, ein Solarmodul in Wasser zu tauchen. In diesem Beispiel wird das Solarmodul dadurch gebildet, daß Solarzellen angeordnet werden und anschließend das Zwischenprodukt mit einem wasserdichten Harz überzogen wird. Bei diesem Verfahren werden die Solarzellen indirekt über das Harz gekühlt.

Um die Jahre, in denen die für die Herstellung eines Solarmoduls verwendete Energie als erzeugte Leistung wiedergewonnen werden muß, zu verringern und um die Kosten für die Herstellung eines Energieerzeugungssystems, in das eine Solarzelle eingebaut ist, zu verringern, ist bekannt, daß das Sonnenlicht unter Verwendung eines Kondensors gesammelt wird, 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 (z. B. US 41 44 095).

Eine Vorrichtung zum direkten Kühlen einer Solarzelle ist in Fig. 5 gezeigt, wo eine Solarzelle 10 an einem Träger 100 ausgeformt ist. Die erzeugte Energie wird von an der hinteren Fläche der Solarzelle 10 ausgeformten Elektroden 12 über Busleitungen 102 entnommen. Um die Umrandung der lichtaufnehmenden Fläche der Solarzelle 10 sind dammähnliche, verstärkte Abschnitte 14 ausgeformt. Ein Dichtungsmittel 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 Solarzelle 10 und dem Träger 100 gefüllt. Sogar wenn die Solarzelle 10 mit einem Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasser, direkt gekühlt wird, hindert das Dichtungsmittel das Kühlmittel daran, auf die Elektroden 12 zu fließen. Als Ergebnis kann verhindert werden, daß die Elektroden korrodieren. Der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Silizium oder einem anderen die Solarzelle 10 bildenden Material und dem Dichtungsmittel 104 bewirkt, daß sich das Dichtungsmittel 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, eine sehr zuverlässige, kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle vorzusehen, deren einschließende bzw. abdichtende Eigenschaft bei Verwendung über einen langen Zeitraum aufrechterhalten bleibt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine kühlmittel einschließende 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 einer Ausgestaltung weist die kühlmitteleinschließende Anordnung einen dammähnlichen, verstärkten Abschnitt auf, der um den Umrandungsabschnitt der Solarzelle herum angeordnet ist. Der dammähnliche, verstärkte Abschnitt ist durch das Anodenverbindungsverfahren mit dem Plattenbauteil verbunden. Vorteilhaft ist der dammähnliche, verstärkte Abschnitt wenigstens an der lichtaufnehmenden Fläche oder an der hinteren Fläche der Solarzelle angeordnet. Weiterhin kann der Kühlmitteldurchlaß ein transparentes Bauteil aufweisen, das an dem Plattenbauteil angebracht ist, so daß es die Solarzelle bedeckt. In einer weiteren Ausgestaltung weist die kühlmitteleinschließende Anordnung einen Wasserbehälter auf, der zu dem Kühlmitteldurchlaß benachbart angeordnet und mit dem Kühlmitteldurchlaß integral ausgeformt ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht, die eine kühlmitte leinschließende Anordnung für eine Solarzelle gemäß einer ersten 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 zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar stellt;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht, die eine kühlmitte leinschließende Anordnung für eine Solarzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und

Fig. 5 eine Darstellung, die eine Anordnung nach dem Stand der Technik zum direkten Kühlen der lichtaufnehmenden Fläche eine Solarzelle mit einem Kühlmittel zeigt.

Es wird auf Fig. 1 bezug genommen, wobei die Solarzelle 10 aus einem p- oder n-Siliziumwafer mit einer Dicke von 300 bis 700 µm gebildet ist. Insbesondere ist der die lichtaufnehmende Fläche 11 bildende Abschnitt dünner gemacht.

Das Dünnermachen wird deshalb gemacht, damit die Sammelstrecke der Ladungsträger, die durch das auf die lichtaufnehmende Fläche 11 einfallende Sonnenlicht erzeugt werden, bis auf 50 bis 100 µm verringert wird, so daß ein verringerter Widerstand realisiert werden kann. 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 diesem Grund ist an der lichtaufnehmenden Fläche 11 eine pyramidenförmige oder umgekehrt pyramidenförmige Struktur 16 ausgeformt, um das Licht in ausreichender Weise einzufangen. Ein Dammabschnitt ist um die lichtaufnehmende Fläche 11 herum stehengelassen und wirkt als der verstärkte Abschnitt 14, um die mechanische Festigkeit der Solarzelle 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 Qcm, festgelegt. An der rückwärtigen Fläche der lichtaufnehmenden Fläche 11 sind abwechselnd n- Diffusionsschichten und p-Diffusionsschichten angeordnet, um pn-Übergänge 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 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 geringeren Temperatur als der Schmelzpunkt von Glas oder eines Siliziumwafers angezogen, während sie sich im Glas bewegen, wobei sie 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 erzielt 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 einem Kontaktabschnitt 24 angeklebt oder angeschweißt, um einen Kühlmitteldurchlaß 25 zu bilden. Von der Solarzelle 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, wodurch somit eine direkte Kühlwirkung vorgesehen wird. Der Kontaktabschnitt 24 kann weggelassen werden, wobei 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 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 Temperaturänderungen 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 100-fach konzentriertem Licht) über einen Zeitraum von 10000 Stunden die hermeti sche Eigenschaft des verbundenen Abschnitts nicht völlig beeinflußt.

Fig. 3 zeigt eine kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo 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 Solarzelle 10, dem Plattenbauteil 20 und der Wandung 32 des transparenten Bauteils 22 ist der Kühlmitteldurchlaß 25 ausgeformt.

In der vorliegenden Ausführungsform hat das transpa rente Bauteil 22 die in Fig. 3 gezeigte Anordnung. Ein un terer 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 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 Verbindungsflächen zwischen dem verstärkten Abschnitt 14 und dem Plattenbauteil 20 aufrecht erhalten werden. Dieses Merkmal gestattet es, daß die Verbindungsfläche stets gekühlt wird, so daß die Temperaturänderung an den Verbindungsflächen gering ist und die Zuverlässigkeit der hermetischen Eigenschaft weiter verbessert wird.

Fig. 4 ist eine kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle gemäß einer dritten 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 ein anderer verstärkte Abschnitt 40 an der hinteren Fläche ausgeformt ist. Der verstärkte Abschnitt 40 der Solarzelle 10 ist durch das 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 dritten 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 ein rundes Loch sein, das durch maschinelle Bearbeitung leicht hergestellt werden kann. Aus diesem Grund gestattet es die dritte Ausführungsform, daß die Solarzelle auf einfache Weise hergestellt werden kann. Ein solches Loch kann zum Beispiel durch Ultraschallbearbeitung oder mechanische Bearbeitung in ausreichender Weise ausgebildet werden.

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 zusätzliche Abschnitt mit dem Plattenbauteil anodenverbunden ist, die Öffnung in dem Plattenbauteil willkürlich geformt sein, so daß die Verarbeitungsfähigkeit verbessert werden kann.

Claims

1. Kühlmitteleinschließende Anordnung für eine Solarzelle (10) mit einem Plattenbauteil (20), das mit dem Umrandungsabschnitt der Solarzelle (10) durch ein Anodenverbindungsverfahren verbunden ist, wobei das Plattenbauteil (20) einen Kühlmitteldurchlaß (25) ausformt.

2. Kühlmitteleinschließende Anordnung nach Anspruch 1, die einen dammähnlichen, verstärkten Abschnitt (14) aufweist, der um den Umrandungsabschnitt der Solarzelle (10) herum angeordnet ist; worin der dammähnliche, verstärkte Abschnitt (14) durch das Anodenverbindungsverfahren mit dem Plattenbauteil (20) verbunden ist.

3. Kühlmitteleinschließende Anordnung nach 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 nach 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 nach Anspruch 4, die einen Wasserbehälter (38) aufweist, der zu dem Kühlmitteldurchlaß (25) benachbart und mit dem Kühlmitteldurchlaß (25) integral ausgeformt ist.