DE202011104884U1 - Konzentriertes photovoltaisches Systemmodul unter Verwendung von III-V Halbleitersolarzellen - Google Patents
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Abstract
Description
- HINTERGRUND
- Solarzellen werden zur Umwandlung von Sonnen- oder Strahlungsenergie in elektrische Energie verwendet. Historisch gesehen wurde sowohl für terrestrische als auch Anwendungen im Raum Solarleistung, vorherrschend durch Silizium (Si) Solarzellen, geliefert. In den letzten Jahren hat jedoch die ein hohes Volumen besitzende Herstellung von hocheffizienten III-V Multjunction Solarzellen bzw. III-V-Mehrfachsolarzellen bzw. III-V-Mehrfachsolarzellen es ermöglicht, dass diese alternative Technologie auch für die terrestrische Leistungserzeugung ins Auge gefasst werden kann. Verglichen mit Silizium, sind III-V Multijunction Zellen im Allgemeinen strahlungsbeständiger und besitzen größere Energieumwandlungseffizienzen, aber sie kosten tendenziell mehr. Einige derzeitige III-V Multijunction Zellen besitzen Energieeffizienzen oberhalb 27%, wohingegen die Siliziumtechnologien nur ungefähr 17% Effizienz erreichen. Bei Konzentration weisen einige derzeitige III-V Multijunction Zellen Energieeffizienzen auf, die über 37% hinausgehen. Wenn eine sehr hohe Leistung liefernde oder kleine Solaranordnungen von Wichtigkeit sind, und zwar in einem Raumfahrzeug oder in einem anderen Solarenergiesystem, dann werden oftmals Multijunction Zellen verwendet, und zwar anstelle von auf Silizium basierenden Zellen, oder aber in Hybridkombination mit silizium-basierten Zellen, um die Anordnungsgröße zu reduzieren.
- Allgemein gesagt, besitzen die Multijunction Zellen eine n-auf-p-Polarität und bestehen aus InGaP/(In)GaAs-Verbindungen. Die III-V Verbindungshalbleiter Multjunction Solarzellen bzw. III-V-Mehrfachsolarzellen können über die metall-organische chemische Dampfabscheidung (MOCVD = metal-organic chemical vapor deposition) auf Ge Substraten gewachsen werden. Die Verwendung des Ge Substrats gestattet, dass ein ”Junction” bzw. Übergang gebildet wird zwischen n- und p-Ge. Die Solarzellenstrukturen können auf Ge Substraten mit 100 mm Durchmesser (4 Zoll) aufgewachsen werden und zwar mit einer durchschnittlichen Massendichte von ungefähr 86 mg/cm2.
- In einigen Multijunction Zellen ist die mittlere Zelle eine InGaAs Zelle, im Gegensatz zu einer GaAs Zelle. Die Indiumkonzentration kann im Bereich von ungefähr 1,5% für die InGaAs Mittelzelle liegen. In einigen Implementierungen zeigt eine Anordnung eine erhöhte Effizienz. Die InGaAs Schichten sind im Wesentlichen perfekt an das Ge Substratgitter angepasst.
- Unabhängig von der verwendeten Zellenart besteht ein bekanntes Problem mit Solarzellensystemen darin, dass einzelne Solarzellen beschädigt oder abgeschattet werden können, und zwar durch ein Hindernis. Beispielsweise kann eine Schädigung auftreten infolge des Aussetzens der Solarzelle gegenüber rauen Umgebungsbedingungen. Die Stromführungskapazität einer Paneele oder Platte mit einer oder mehreren geschädigten oder abgeschatteten Solarzellen wird reduziert und die Ausgangsgröße von den anderen dieser Paneele oder Platte in Serie geschalteten Paneelen bringt eine umgekehrte Vorspannung der geschädigten oder abgeschatteten Zellen. Die Spannung an den geschädigten oder abgeschatteten Zellen steigt daher in umgekehrter Polarität an, bis die volle Ausgangsspannung von sämtlichen Paneelen, die in Reihe liegen, an die geschädigten oder abgeschatteten Zellen in der betreffenden Paneele angelegt werden. Dies bewirkt, dass die geschädigten oder abgeschatteten Zellen zerstört werden.
- Da ein Solarzellensystem für terrestrische Anwendungsfälle tausende von Solarzellen aufweist, liegt die Ausgangsspannung normalerweise im Bereich von hunderten von Volt und die Stromausgangsgröße ist im Bereich von zehn und zwanzig Ampere. Bei diesen Ausgangsleistungspegeln besteht, wenn die Solarzellenanschlüsse nicht geschützt sind, dass eine nicht kontrollierbare elektrische Entladung in der Form von Funken tendenziell auftritt, und dieses kann zu einer Schädigung der Solarzellen und zur Schädigung des gesamten Systems führen.
- Die Multijunction Solarzelle bildet Teil eines Solarzellenempfängers, der in einem Konzentrations-Solarzellensystem verwendet werden kann. Die Solarzellenempfänger können in Umgebungen verwendet werden, wo Wasser, extreme Wärme und Feuchtigkeit die Leistungsfähigkeit verschlechtern kann, und/oder ein Ausfall kann bewirkt werden. Es wurden Standards und Testvorschriften eingeführt um sicherzustellen, dass ein Solarzellenempfänger Minimalerfordernisse des Gebrauchs erfüllt. Ein spezieller Industriestandard ist der IEC 62108. Solarzellenempfänger sollten in einer Art und Weise konstruiert sein, dass sie den Erfordernissen dieser Standards entsprechen, um ordnungsgemäße Leistungsfähigkeit sicherzustellen.
- ZUSAMMENFASSUNG
- Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin ein Solarzellenmodul vorzusehen, und zwar zur Verwendung in einem Solarkonzentrationssystem zur Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität, wobei ein Gehäuse vorgesehen ist, und zwar mit einer Serie von gepaarten Linsen und Solarzellenempfängern, wobei jede der Linsen entlang eines Oberteils des Gehäuses positioniert ist, und jede der Solarzellenempfänger beabstandet davon in einem unteren Teil des Gehäuses. Die Solarzellenempfänger umfassen einen Träger, eine Solarzelle angebracht an dem Träger und besitzen eine oder mehrere III-V Verbindungshalbleiterschichten, wobei ferner ein optisches Element über der Solarzelle positioniert ist, und zwar zwischen der Solarzelle und den gepaarten Linsen und zwar einen optischen Kanal definierend mit einem vergrößerten Einlass, der zu den gepaarten Linsen hinweist, und einem reduzierten Auslass, der zu der Solarzelle hinweist und die Solarenergie auf die Solarzellen konzentriert. Der Solarzellenempfänger kann einen Rahmen, positioniert über dem Träger aufweisen und zwar mit einer Höhe oberhalb des Trägers, und zwar größer als die Solarzelle. Der Rahmen kann sich um die Solarzelle in einem Innenraum herum erstrecken, und diese einschließen. Ein Einkapslungsmittel kann innerhalb des Innenraums zwischen dem optischen Element und dem Rahmen vorgesehen sein, und kann Teile des Trägers und der Solarzelle abdecken. Das Einkapslungsmittel kann vergrößerte Aullenkantenhöhen an jedem optischen Element und Rahmen aufweisen.
- Natürlich ist die Erfindung nicht auf die obigen Merkmale und Vorteile eingeschränkt. Der Fachmann erkennt zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und bei in Betrachtziehen der Zeichnungen.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die vorliegende Erfindung wird nunmehr im Einzelnen beschrieben unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in denen einige Ausführungsbeispiele, aber nicht alle Ausführungsbeispiele, der Erfindung gezeigt sind. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele nicht maßstabsgetreu sondern sie sind schematische Darstellungen. Für die Zwecke der Beschreibung und der beigefügten Ansprüche sei bemerkt, dass alle Bereiche die maximalen und minimalen offenbarten Punkte umfassen und jedwede dazwischen liegenden Bereiche, die speziell oder auch nicht speziell hier angegeben sein können.
-
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Implementierung oder Ausführungsform eines Solarzellenmoduls. -
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines sekundären optischen Elements. -
3 ist eine teilweise expandierte perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Solarzellenempfängers. -
4 ist eine teilweise perspektivische Explosionsansicht, die die Solarzelle und das metallisierte Keramiksubstrat der3 im Einzelnen zeigt. -
5 ist ein Schnitt der Solarzelle, des metallisierten Keramiksubstrats und der Wärmelinie X-X' der3 . -
6 ist eine perspektivische Ansicht des Solarzellenempfängers mit einem Rahmen und einem Einkapslungsmittel. -
7 ist ein Querschnitt Längslinie Y-Y' der6 . -
8 ist ein Querschnitt des Einkapslungsmittels, positioniert innerhalb des Rahmens. -
9 ist ein Querschnitt des Einkapslungsmittels, positioniert innerhalb des Rahmens. -
10 ist ein Querschnitt des Einkapslungsmittels, positioniert innerhalb des Rahmens. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 veranschaulicht eine Implementierung oder ein Ausführungsbeispiel eines Solarzellenmoduls200 , welches eine Anordnung von Linsen210 und entsprechende Solarzellenempfänger100 aufweist. Jede der Linsen210 ist mit einem der Solarzellenempfänger100 ausgerichtet. Das Solarzellenmodul200 kann unterschiedliche Anzahlen von Linsen210 und Solarzellenempfängern100 aufweisen.1 veranschaulicht ein Modul200 mit fünfzehn Linsen210 und Solarzellenempfängern100 , ausgerichtet in einer 3 × 5 Anordnung. - Die Linsen
210 werden auf einem kontinuierlichen Flächenelement211 aus optischem Material (beispielsweise Acryl) gebildet. In einigen Ausführungsbeispielen sind Zonen oder Regionen des Flächenelements211 nicht in Linsen210 geformt und sind teilweise oder insgesamt opaque, d. h. undurchsichtig gemacht. Durch Formen der Linsen210 aus einem kontinuierlichen Flächenelement211 können die Kosten beträchtlich vermindert werden. Als erstes werden dadurch, dass die Linsen210 auf großen Flächenelementen hergestellt werden, die Produktionskosten verringert. Zweitens werden die Zusammenbaukosten verringert, da nur ein Gegenstand (d. h. das Flächenelement211 von Linsen) mit den Solarzellenempfängern100 ausgerichtet werden muss. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt das Flächenelement211 über einem Ausrichtrahmen221 eines Gehäuses220 . - Eine oder mehrere Belüftungsöffnungen
228 können im Gehäuse220 positioniert sein. Die Öffnungen228 können so positioniert sein, dass die Luftströmung durch das Gehäuse220 erleichtert wird. In einem Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen228 in den Seitenwänden des Gehäuses220 positioniert und zwar ungefähr 3'' oberhalb der Linsen210 . Die Größe der Öffnungen228 kann unterschiedlich sein. In einem Ausführungsbeispiel besitzt jede Öffnung eine kreisförmige Gestalt mit einem Durchmesser von ungefähr 1''. Eine Abdeckung229 kann sich über die Öffnungen228 erstrecken und als ein Filter wirken, um das Einführen von Feuchtigkeit und Schadstoffen in das Gehäuse220 zu verhindern. Die Abdeckung229 kann aus einer Vielzahl von Materialien aufgebaut sein, und zwar einschließlich nicht beschränkt auf GORETEX, Nylon und Polyvinyliden. - Der Rahmen
221 kann eine Vielzahl von Rahmenausrichtelementen aufweisen, wie beispielsweise Löcher. Die Ausrichtelemente können mit Gewinde versehen sein oder in anderer Weise geeignet sein, um einen Befestiger aufzunehmen. Das Flächenelement211 kann Flächenelement-Ausrichtelemente aufweisen, wie beispielsweise Stifte, Schrauben oder andere Elemente, die eine Ausrichtung und Kupplung mit den Rahmenausrichtelementen vorsehen. Die Rahmenausrichtelemente und die Flächenelement-Ausrichtelemente sind derart angeordnet, dass durch Kuppeln der Flächenelement-Ausrichtelemente mit den Rahmenausrichtelementen jede der Linsen210 mit einem entsprechenden Solarzellenempfänger100 ausgerichtet ist. Die Ausrichtelemente sind im Allgemeinen in einem Mittelpunkt angeordnet, und zwar definiert durch vier der Linsen210 . In einem Ausführungsbeispiel ist ein Ausrichtelement in einem Mittelpunkt, definiert durch Linsen210a ,210b ,210c und210d angeordnet. Ein weiteres Ausrichtelement kann angeordnet sein in einem Mittelpunkt, definiert durch vier andere Linsen210 . Dieses Muster der Anordnung der Ausrichtelemente in einem Mittelpunkt, definiert durch vier Linsen, kann sich entlang dem gesamten Flächenelement211 fortsetzen. - Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Bodenoberfläche
222 des Gehäuses220 Ausrichtmerkmale aufweisen, die sicherstellen, dass jeder der Solarzellenempfänger100 in einer vorbestimmten Position angeordnet ist. Diese Merkmale können die Kupplung vorsehen mit jedem der Solarzellenempfänger100 . - Bei einigen Ausführungsbeispielen ist jede der Linsen
210 eine Fresnel Linse. Der entsprechende Solarzellenempfänger100 ist auf der Oberfläche222 positioniert, und zwar an einem entgegengesetzt liegenden Ende des Gehäuses220 . Jeder der Solarzellenempfänger100 weist eine entsprechende Solarzelle102 auf, und zwar angeordnet in dem optischen Draht der entsprechenden Linse210 , das heißt derart, dass die entsprechende Solarzelle102 Licht empfängt, das durch die entsprechende Linse210 läuft. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden zusätzliche optische Elemente verwendet, um die Solarzelle in dem optischen Pfad der Linse anzuordnen. Beispielsweise können die sekundären optischen Elemente104 in Entsprechung stehen mit jedem Paar der Solarzellenempfänger100 und der Linsen210 . Die sekundären optischen Elemente104 sammeln das Licht von der Linse210 und leiten es in die Solarzelle102 des Solarzellenempfängers100 . In einigen Ausführungsbeispielen ist jeder der Solarzellenempfänger100 mit einem entsprechenden sekundären optischen Element104 ausgestattet. - Ein weiteres optisches Element umfasst einen Konzentrator oder eine Konzentriervorrichtung
106 , die zwischen jedem der Paare von Solarzellenempfängern100 und Linsen210 positioniert ist. Der Konzentrator106 konzentriert das Licht auf die Solarzelle102 . - Obwohl einige Fresnel-Linsen mehr Sonnenlicht als einige konvexe Linsen konzentrieren können, können die Ausführungsbeispiele irgendeine Bauart der Linsen
210 verwenden, die das einfallende Sonnenlicht konzentriert. Beispielsweise können die Linsen210 die Form einer bi-konvexen Linse, einer plano-konvexen Linse oder einer konvex-konkaven Linse besitzen. Die Linsen210 können auch eine mehrschichtige antireflektierende Beschichtung aufweisen. in einem Modul200 kann jede der Linsen210 gleich sein oder aber das Modul200 kann zwei oder mehr unterschiedliche Linsen210 aufweisen. - Ein Abstand X gemessen zwischen dem die Linsen
210 aufweisenden Flächenelement211 und den Solarzellen102 der entsprechenden Solarzellenempfänger100 kann basierend auf der Brennweite der Linsen210 gewählt werden. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Gehäuse220 derart angeordnet, dass die Solarzelle102 jedes entsprechenden Solarzellenempfängers100 am oder ungefähr am Brennpunkt der entsprechenden Linse210 angeordnet ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Brennweite jeder der Linsen210 zwischen ungefähr 25,4 cm (10'') und 76,2 cm (30'') liegen. In einigen Ausführungsbeispielen liegt die Brennweite jeder Linse210 zwischen ungefähr 38,1 cm (15'') und 50,8 cm (20''l). In einigen Ausführungsbeispielen beträgt die Brennweite jeder Linse210 ungefähr 40,085 cm (17,75''). In einigen Ausführungsbeispielen ändert sich die Brennweite jeder Linse und das Gehäuse220 sieht mehrfache unterschiedliche Distanzen oder Abstände vor (beispielsweise solche die größer sind oder solche die kleiner sind als der Abstand X) zwischen dem Flächenelement211 und der Oberfläche222 . - Das Gehäuse
220 und das Linsenflächenelement211 können einen umschlossenen Innenraum bilden, der die Solarzellenempfänger100 gegenüber der Umgebung schützt. - Bei einigen Ausführungsbeispielen der Linsen
210 erfolgt die Konzentration einfallenden Sonnenlichts auf das 100fache der normalen Konzentration (d. h. 1000 Sonnen) oder mehr. Einige Ausführungsbeispiele können andere Konzentrationen aufweisen. Allgemein gesagt gilt Folgendes: Die Umwandlungseffizienz der Solarenergien in elektrische Energie erhöht sich bei konzentrierter Beleuchtung. Beispielsweise bei ungefähr 1000 Sonnen kann ein einziger Solarempfänger 25 Watt oder mehr elektrische Leistung erzeugen. In einem anderen Beispiel, bei ungefähr 470 Sonnen oder mehr, kann ein einziger Solarzellenempfänger 14 Watt oder mehr elektrische Leistung erzeugen. Die Menge an elektrischer Leistung, die ein Solarzellenempfänger erzeugen kann, kann sich verändern, und zwar abhängig von beispielsweise der Kombination der Solarzellencharakteristika (beispielsweise Größe, Zusammensetzung) und der Eigenschaften der zugehörigen optischen Mittel (beispielsweise Konzentration, Brennweite, Ausrichtung). - In einigen Ausführungsbeispielen sind die Solarzellen
102 jedes der entsprechenden Solarzellenempfänger100 als eine Triple-Junction III-V Solarzelle ausgebildet, wobei jede der drei Subzellen in Serie angeordnet ist. In Anwendungen, wo mehrfache Solarzellenmodule200 verwendet werden, sind die Empfänger100 der Solarzellenmodule200 typischerweise elektrisch miteinander in Serie geschaltet. Andere Anwendungen können jedoch die Parallelverbindung oder die Serien-Parallelverbindung verwenden. Beispielsweise können Empfänger100 innerhalb eines gegebenen Moduls200 elektrisch in Serie geschaltet sein, aber die Module200 sind miteinander parallel geschaltet. - Wie zuvor erläutert, kann ein sekundäres optisches Element (”SOE” = secundary optical element)
104 zwischen der Linse210 und der entsprechenden Solarzelle102 positioniert sein. Eine Implementierung eines SOE ist in2 gezeigt. Das SOE104 ist innerhalb des Gehäuses220 des Solarzellenmoduls200 angeordnet und ist im Allgemeinen ausgelegt für die Sammlung von Solarenergie, konzentriert durch eine der entsprechenden Linsen210 . In einigen Ausführungsbeispielen kann jeder der Solarzellenempfänger100 ein entsprechendes SOE104 aufweisen. Andere Module200 können weniger als jeder Solarzellenempfänger100 einschließlich eines SOE104 aufweisen. - Das SOE
104 weist ein optisches Element401 auf, und zwar mit einem optischen Einlass402 und einem optischen Auslass403 , ferner einem Körper404 und Befestigungsansätzen405 . Das SOE104 ist derart angeordnet, dass das optische Element401 oberhalb der Solarzelle102 des entsprechenden Solarzellenempfängers100 angeordnet ist. Obwohl es abhängig von dem Ausführungsbeispiel variieren kann, ist das SOE104 derart angebracht, dass der optische Ausgang403 ungefähr 0,5 mm von der Solarzelle102 entfernt liegt (beispielsweise ist die Dimension406 ungefähr 0,5 mm). In einigen Ausführungsbeispielen stellen die Befestigungsansätze405 eine Kupplung oder Verbindung mit der Oberfläche222 des Gehäuses220 her. Das SOE104 kann aus Metall, Kunststoff oder Glas oder anderen Materialien bestehen. - In einigen Ausführungsbeispielen besitzt das optische Element
401 einen im Allgemeinen quadratischen Querschnitt, der sich vom Einlass402 zum Auslass403 hin verjüngt. Die Innenoberfläche407 des optischen Elements reflektiert Licht nach unten zu dem Auslass403 hin. Die Innenoberfläche407 ist in einigen Ausführungsbeispielen mit Silber oder einem anderen Material hoher Reflektivität beschichtet. In einigen Fällen wird die Reflektionsbeschichtung durch eine Passivierungsbeschichtung wie beispielsweise SiO2 geschützt, um gegenüber Oxidation, Beschlag oder Korrosion Schutz zu bieten. Der Pfad oder die Bahn von dem optischen Einlass402 zum optischen Auslass403 bildet einen verjüngten optischen Kanal, der Solarenergie von der entsprechenden Linse210 einfängt und diese zu der entsprechenden Solarzelle102 führt. Wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, weist das SOE104 ein optisches Element401 auf, und zwar mit vier reflektierenden Wänden. In anderen Ausführungsbeispielen können unterschiedliche Formen verwendet werden (beispielsweise dreiseitig zur Bildung eines dreieckigen Querschnitts). - Unter idealen Bedingungen fokussiert die entsprechende Linse
210 , assoziiert mit dem SOE104 , das Licht direkt auf die Solarzelle102 , ohne dass das Licht auf die SOE104 auftrifft. In den meisten Fällen fokussiert die Linse210 das Licht nicht direkt auf die Solarzelle102 . Dies kann aus verschiedenen Gründen auftreten, und zwar einschließlich, aber nicht eingeschränkt auf die chromatische Aberration von einem Brechungslinsendesign, Fehlausrichtung der Solarzelle102 relativ zu der Linse210 während des Aufbaus, Fehlausrichtung, während des Betriebs infolge eines Nachführfehlers, bauliche Verbiegung und Windbelastung. Somit fokussiert unter den meisten Bedingungen die Linse210 das Licht derart, dass es von dem SOE104 reflektiert wird. Die Differenz zwischen einem idealen Aufbau und einem fehlausgerichteten Aufbau kann eine kleinere Variation in der Positionierung der Linse210 von weniger als 1° sein. Das SOE104 wirkt daher als eine Lichtüberlaufeinfangvorrichtung, um zu bewirken, dass mehr Licht der Solarzelle102 in Fällen erreicht, wenn die entsprechende Linse210 das Licht nicht direkt auf die Solarzelle102 fokussiert. Das SOE104 kann eine reflektierende mehrschichtige Zwischenregion oder Zone aufweisen, wie dies in der US Patentanmeldung Seriennummer 12/402,814, eingereicht am 12. März 2009, beschrieben ist, wobei diese Offenbarung durch Bezugnahme aufgenommen wird. - Die reflektierende Mehrschichtzwischenzone kann gebildet werden aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen optischen Charakteristika derart, dass die Reflektivität oder das Reflexionsvermögen der Lichtstrahlen von der SOE
104 weg und das zur Solarzelle102 übertragene Licht optimiert wird, um die Bestrahlung auf der Oberfläche der Solarzellen102 über das einfallende Solarspektrum hinweg zu optimieren. Beispielsweise in einigen Ausführungsbeispielen kann die Innenoberfläche407 mit Silber oder einem anderen Material hoher Reflektivität beschichtet sein. In einigen Fällen wird die reflektierende Schicht durch einen Passivierungsüberzug wie beispielsweise SiO2 geschützt, um die SOE104 gegenüber Oxidation, Beschichtung oder Korrosion zu schützen. Das SOE104 kann auch das Licht homogenisieren (beispielsweise mischen) in einigen Fällen hat es auch einen gewissen Konzentrationseffekt. - In einigen Implementierungen ist der optische Einlass
402 quadratförmig und ungefähr 49,60 mm × 49,60 mm (Dimension408 ), der optischen Auslass ist quadratförmig und ist ungefähr 9,9 mm × 9,9 mm (Dimension409 ) und die Höhe des optischen Elementes beträgt ungefähr 70,104 mm (Dimension410 ). Die Dimensionen408 ,409 ,410 können sich abhängig von der Konstruktion des Solarzellenmoduls200 und des Solarzellenempfängers100 ändern. Beispielsweise in einigen Ausführungsbeispielen können die Dimensionen des optischen Auslasses403 annähernd die gleichen sein wie die Dimensionen der Solarzelle102 . Für ein SOE104 mit diesen Dimensionen ist der halbe Neigungswinkel 15,8°. - Jede der Solarzellen
102 kann eine Dreischicht- bzw. Triple-Juncion III-V Verbindungshalbleitersolarzelle sein, die eine obere Zelle, eine mittlere Zelle und eine Boden- oder untere Zelle aufweist, und zwar angeordnet in Serie. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die Solarzellen Multijunction-Solarzellen sein mit n-auf-p-Polarität und aufgebaut aus InGaP/(In)GaAs III-V Verbindungen auf einem Ge-Substrat. In jedem Falle sind die Solarzellen102 derart positioniert, dass sie fokussierte Solarenergie von dem SOE104 und/oder der entsprechenden Linse210 empfangen. - Eine Antireflektionsschicht kann auf der Solarzelle
102 vorgesehen sein. Die Antireflektionsschicht kann eine mehrere Schichten aufweisende Antireflexschicht sein, die eine niedrigere Reflektivität über einen gewissen Wellenlängenbereich hinweg vorsieht, beispielsweise von 0,3–1,8 μm. Ein Beispiel einer Antireflexbeschichtung ist ein Dual-Schicht-TiOx/Al2O3 Dielektrikstapel. - Wie in
3 gezeigt sind die Ansätze oder Anschlüsse des SOE104 konfiguriert zur Anbringung des SOE104 an einem Bügel116 über eine oder mehrere Befestigungsvorrichtungen118 . Der Bügel116 ist zur Befestigung der SOE104 an eine Wärmefalle120 vorgesehen, und zwar über einen oder mehrere Befestigungsvorrichtungen. Der Bügel116 ist thermisch leitend, so dass Wärmeenergie erzeugt durch das SOE104 während des Betriebs zu der Wärmefalle120 übertragen werden kann und dort verteilt wird. - In einem in den
3 und4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Konzentrationsvorrichtung (Konzentrator)106 zwischen dem Auslass403 des SOE104 und der Solarzelle102 angeordnet. Der Konzentrator106 ist vorzugsweise aus Glas und besitzt einen optischen Einlass108 und einen optischen Auslass110 . In einem Ausführungsbeispiel ist der Konzentrator106 massives Glas. Der Konzentrator106 verstärkt das aus dem SOE104 kommende Licht und leitet das verstärkte Licht zu der Solarzelle102 . In einigen Ausführungsbeispielen besitzt die Konzentriervorrichtung106 einen im Allgemeinen quadratischen Querschnitt, der sich von dem Einlass108 zum Auslass110 verjüngt. In einigen Ausführungsbeispielen ist der optische Einlass des Konzentrators106 quadratförmig und hat eine Größe von ungefähr 2 cm × 2 cm und der optische Auslass110 hat eine Größe von ungefähr 0,9 × 0,9 cm. Die Dimensionen des Konzentrators106 können sich abhängig von der Konstruktion des Solarzellenmoduls200 und des Solarzellenempfängers100 ändern. Beispielsweise sind die Dimensionen des optischen Auslasses110 in einigen Ausführungsbeispielen die gleichen wie die Dimension der Solarzelle. In einem Ausführungsbeispiel ist der Konzentrator106 ein 2X-Konzentrator. Die Bodenoberfläche des Konzentrators106 kann direkt an der Oberseite der Solarzellen102 angebracht sein, und zwar unter Verwendung eines Klebemittels151 wie beispielsweise eines Silikonklebemittels. Die Solarzellen102 wandelt das eintretende Sonnenlicht in Elektrizität durch den photovoltaischen Effekt um. - In einigen Ausführungsbeispielen wie in den
1 und3 veranschaulicht, sind sowohl das SOE104 als auch ein Konzentrat106 entlang des optischen Pfades positioniert, und zwar zwischen der entsprechenden Linse210 und Solarzelle102 . Andere Ausführungsbeispiele können nur eines dieser optischen Elemente umfassen, und zwar positioniert entlang des optischen Pfades. Andere Ausführungsbeispiele können keines dieser Elemente entlang des optischen Pfades aufweisen. Innerhalb eines Moduls200 kann jedes der Linsen210 /Solarzelle102 -Paare die gleiche oder unterschiedliche Kombination von Elementen aufweisen für das Leiten des Lichtes. - Wie in den
3 und4 gezeigt, ist eine Bypassdiode124 parallel mit der Solarzelle102 geschaltet. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Diode124 eine Halbleitervorrichtung wie beispielsweise eine Schottky-Bypassdiode oder eine epitaxial gewachsener p-n-Übergang (p-n-Junction oder p-n-Schicht). Für die Zwecke der Veranschaulichung ist die Bypassdiode124 eine Schottky-Bypassdiode. Externe Verbindungsanschlüsse125 und127 sind zur Verbindung der Solarzelle102 und der Diode124 mit anderen Vorrichtungen vorgesehen, beispielsweise benachbarten Solarzellenempfängern (nicht veranschaulicht). - Die Funktionalität der Bypassdiode
124 kann beurteilt werden durch Betrachtung der in Serie geschalteten Mehrfachsolarzellen102 . Jede Solarzelle102 kann als eine Batterie angesehen werden, wobei die Kathode jeder der Dioden124 mit dem positiven Anschluss der zugehörigen ”Batterie” verbunden ist und die Diode jeder der Dioden124 mit dem negativen Anschluss der zugehörigen ”Batterie” verbunden ist. Wenn einer der in Serie geschalteten Solarzellenempfänger100 beschädigt oder abgeschaltet wird, so wird seine Spannungsausgangsgröße reduziert oder eliminiert (beispielsweise auf unterhalb einer Schwellenspannung assoziiert mit der Diode124 ). Daher wird die zugehörige Diode124 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und ein Bypassstrom fließt nur durch diese Diode124 (und nicht durch die Solarzelle102 ). Auf diese Weise setzen nicht beschädigte oder nicht abgeschattete Solarzeilenempfänger100 die Elektrizitätserzeugung aus der Solarenergie empfangen durch diese Solarzellen fort. Wäre nicht die Bypassdiode124 , so würde im Wesentlichen die ganze durch die anderen Solarzellenempfänger erzeugte Elektrizität durch den abgeschatteten oder beschädigten Solarzellenempfänger laufen und diesen zerstören, was eine offene Schaltung innerhalb beispielsweise der Paneele oder Anordnung schaffen würde. - Der Solarzellenempfänger
100 weist auch ein Keramiksubstrat126 auf, wie beispielsweise ein Aluminiumoxydsubstrat zur Anbringung der Solarzelle102 und der Wärmefalle120 zur Verteilung der durch die Solarzelle102 während des Betriebs erzeugten Wärme. Die4 und5 veranschaulichen die Solarzelle102 und das Keramiksubstrat126 im Einzelnen. Das Keramiksubstrat126 besitzt metallisierte obere und untere Oberflächen128 und130 . Die beiden Oberflächen128 und130 des Keramiksubstrats126 sind metallisiert, um die Wärmeübertragungskapazität des Keramiksubstrats126 zu erhöhen, was den Solarzellenempfänger100 in die Lage versetzt adäquater schnelle Temperaturänderungen zu handhaben, die in Folge abrupter Änderungen bei den Solarzellenbetriebsbedingungen auftreten. Beispielsweise erzeugt die Solarzelle102 Wärmeenergie bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität. Dadurch, dass die beiden Oberflächen die obere Oberfläche128 und die untere Oberfläche130 des Keramiksubstrats126 metallisiert sind, schafft eine schnellere Übertragung der Wärmeenergie von der Solarzelle102 zur Wärmefalle120 die Verteilung. Der entgegengesetzte Zustand tritt dann auf, wenn die Solarzelle102 plötzlich abgeschattet wird. Das heißt, die Solarzelle102 stoppt die Elektrizitätserzeugung und kühlt schnell ab, ebenso wie das SOE104 . Die metallisierten oberen und unteren Oberflächen128 ,130 des Keramiksubstrats126 verhindern, dass die Solarzelle102 zu schnell abkühlt, und zwar durch Übertragung von Wärmeenergie von der Wärmefalle120 zu der Solarzelle102 und abhängig von den thermischen Konditionen auch zu dem SOE104 . Die erhöhte Wärmeübertragungskapazität des Solarzellenempfängers100 reduziert die Größe auf das Interface zwischen der Solarzelle102 und dem Keramiksubstrat126 übertragenen Stresses während schneller Temperaturänderungen, was eine zuverlässige Solarzellen-zu-Substratzwischenschicht oder -interface sicherstellt. - Die metallisierte obere Oberfläche oder Oberseite
128 des Keramiksubstrats126 steht in Kontakt mit der Solarzelle102 und besitzt gesonderte leitende Zonen oder Regionen132 ,134 für das Vorsehen isolierter elektrisch leitender Bahnen zur Solarzelle102 . Die erste leitende Zone oder Region132 sieht einen elektrischen Anodenkontaktpunkt für die Solarzelle102 vor und die zweite leitende Zone oder Region134 sieht einen elektrischen Kathodenkontaktpunkt für die Solarzelle102 vor. Die Solarzelle102 besitzt eine leitende untere Oberfläche oder Unterseite136 , die in4 nicht zu sehen ist, die aber im Querschnitt der5 zu sehen ist, und zwar ist diese positioniert auf und verbunden mit der ersten leitenden Zone132 in der metallisierten Oberfläche128 des Keramiksubstrats126 . Die entgegengesetzt liegende Unterseite138 der Solarzelle102 besitzt eine leitende Kontaktfläche140 verbunden mit der zweiten leitenden Zone oder Region134 des Keramiksubstrats126 . - In einem Ausführungsbeispiel bildet die leitende Unterseite
136 der Solarzelle102 einen Anodenanschluss der Solarzelle102 und die leitende Kontaktfläche140 , angeordnet auf der Oberfläche138 der Solarzelle102 , bildet einen Kathodenanschluss. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die leitende Unterseite136 der Solarzelle102 auf der ersten leitenden Zone132 des Keramiksubstrats126 positioniert und elektrisch isoliert von der zweiten leitenden Zone134 zur Sicherstellung ordnungsgemäßen Betriebs der Solarzelle102 . In einem Ausführungsbeispiel ist die erste leitende Zone132 des Keramiksubstrats126 mindestens teilweise auf drei Seiten umgeben von der zweiten leitenden Zone134 , und zwar um eine Umfangszone oder einen Umfangsbereichs des Keramiksubstrats126 . - In einem Ausführungsbeispiel ist die leitenden Kontaktfläche
140 an der Oberseite bzw. Oberfläche138 der Solarzelle102 positioniert und nimmt den Umfang der Solarzelle102 ein, in einigen Ausführungsbeispielen kann die obere leitende Kontaktfläche140 kleiner oder größer sein, um den gewünschten Verbindungstyp unterzubringen. Beispielsweise kann die leitende Kontaktfläche140 nur eine, zwei oder drei Seiten (oder Teile davon) der Solarzelle102 berühren. In einigen Ausführungsbeispielen ist die obere leitende Kontaktfläche140 so klein wie möglich gemacht, um so die Fläche zu maximieren, die Solarenergie in Elektrizität umwandelt, während noch immer eine elektrische Verbindung zugelassen ist. Obwohl sich die speziellen Dimensionen der Solarzelle102 abhängig von dem Anwendungsfall ändern, sind Standarddimensionen ungefähr 1 cm2. Beispielsweise ist ein Satz von Standarddimensionen der folgende: Ungefähr 12,58 mm × 12,58 mm insgesamt ungefähr 0,160 mm Dicke, und eine gesamte aktive Fläche von ungefähr 108 mm2. Beispielsweise kann in einer Solarzelle102 , die annähernd 12,58 mm × 12,58 mm misst, die obere leitende Kontaktfläche140 ungefähr 0,98 mm breit sein und die aktive Fläche kann ungefähr 10 mm × 10 mm sein. - Die obere leitende Kontaktfläche
140 der Solarzelle102 kann aus einer Verschiedenheit von leitenden Materialien geformt sein, wie beispielsweise Kupfer, Silber und/oder Gold beschichtetem Silber. Bei dieser Implementierung ist es die n-Leitfähigkeitskathoden (d. h. Emitter)-Seite der Solarzelle102 , die Licht empfängt und demgemäß ist die obere leitende Kontaktfläche140 auf der Kathodenseite der Solarzelle102 angeordnet. In einem Ausführungsbeispiel ist die obere leitende Kontaktfläche140 der Solarzelle102 durch Draht verbunden mit der zweiten leitenden Zone134 der metallisierten Oberfläche128 des Keramiksubstrats126 , und zwar über einen oder mehrere Verbindungsdrähte (bonding wires)142 . Die Anzahl der Verbindungsdrähte142 verwendet in einer speziellen Implementierung kann in Beziehung stehen, unter anderem mit der Größe des durch die Solarzelle102 erzeugten Stroms. Allgemein gilt, dass je größer der Strom desto größer die Anzahl der verwendeten Verbindungsdrähte142 ist. - Die Bypassdiode
124 koppelt die erste leitende Zone oder Region132 mit der metallisierten Oberseite128 des Keramiksubstrats126 an die zweite leitende Zone134 . In einem Ausführungsbeispiel ist ein Kathodenanschluss der Bypassdiode124 mit dem Anodenanschluss der Solarzellen102 verbunden, und zwar über eine erste leitende Zone oder Region132 des Keramiksubstrats126 und ein Anodenanschluss der Bypassdiode124 ist elektrisch mit dem Kathodenanschluss der Solarzelle102 verbunden, und zwar über die zweite leitende Zone134 des Keramiksubstrats126 . Der Anodenanschluss der Solarzelle102 wird gebildet durch die untere leitende Oberfläche136 der Solarzelle102 wie dies oben beschrieben wurde und in4 nicht zu sehen ist, aber sichtbar ist in dem Querschnitt der5 . Der Kathodenanschluss der Solarzelle102 wird durch die obere leitende Kontaktfläche140 der Solarzelle102 gebildet, wie dies auch oben beschrieben wurde. - Die externen Verbindungsanschlüsse
125 ,127 angeordnet auf der metallisierten Oberfläche128 des Keramiksubstrats126 sehen eine elektrische Kopplung einer Vorrichtung mit der Solarzelle102 und der Bypassdiode124 vor. In einigen Implementierungen entsprechen die Verbindungsanschlüsse125 ,127 den Anoden- und Kathodenanschlüssen und sind konstruiert zur Aufnahme von (nicht gezeigten) Steckern zur Verbindung mit benachbarten Solarzellenempfängen. - Die obere Oberfläche (Oberseite)
128 des Keramiksubstrats126 kann metallisiert werden durch Anbringen von Metallisierungsschichten132 ,134 an dem Substrat. In einem Ausführungsbeispiel werden Löcher144 in den Metallisierungsschichten132 ,134 gebildet.4 zeigt das Keramiksubstrat126 mit zwei Metallisierungsschichten132 ,134 , angebracht an der oberen Substratoberfläche (Oberfläche)128 (die untere metallisierte Oberfläche ist in4 nicht sichtbar, ist aber sichtbar in dem Querschnitt der5 ). Entsprechend können Vertiefungen auf dem Substrat102 geformt werden. Die Vertiefungen sitzen mindestens teilweise in den Löchern144 , gebildet in den Metallisierungsschichten132 ,134 . Die Löcher134 in den Metallisierungsschichten132 ,134 werden sodann mit einem Lot gefüllt oder einem anderen Verbindungsmaterial, wie beispielsweise einem Klebemittel, um die Metallisierungsschichten132 ,134 an der Oberseite128 des Keramiksubstrats126 anzubringen. Die Unterseite oder untere Oberfläche130 des Keramiksubstrats126 kann in ähnlicher Weise metallisiert sein. Alternativ sind keine Vertiefungen auf dem Keramiksubstrat126 vorgesehen, und das Substrat ist relativ eben innerhalb normaler Herstellungstoleranzen. -
5 veranschaulicht einen Querschnitt der Solarzelle102 des Keramiksubstrats126 und der Wärmefalle120 des Solarzellenempfängers100 entlang der Linie X-X' in3 . Das SOE104 , die Lichtkonzentrationsvorrichtung106 und die Anschlüsse125 ,127 sind in5 aus Gründen der Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. Die oberen und unteren Oberflächen128 und130 des Keramiksubstrats126 können Vertiefungen besitzen, die mindestens teilweise in Löchern166 sitzen, gebildet in den Metallisierungsschichten132 ,134 ,148 zur Anbringung der Metallisationsschichten an dem Keramiksubstrat126 wie dies oben beschrieben wurde. Alternativ ist das Keramiksubstrat126 relativ flach innerhalb der normalen Herstellungstoleranzen. in jedem Falle sind die oberen und unteren Oberflächen des Keramiksubstrats126 metallisiert. Die obere metallisierte Oberfläche128 des Substrats126 besitzt getrennte leitende Zonen oder Regionen132 ,134 zum Vorsehen elektrisch isolierter Anoden- und Kathoden-Verbindungen mit der Solarzelle102 wie oben beschrieben. - Die Solarzelle
102 besitzt eine leitende untere Oberfläche (Unterseite)136 verbunden mit der leitenden Zone oder Region132 der metallisierten oberen Oberfläche (Oberseite)128 des Keramiksubstrats126 . In einem Ausführungsbeispiel bildet die leitenden Unterseite136 der Solarzelle102 den Anodenanschluss der Solarzelle102 und die leitende Kontaktfläche140 , angeordnet auf der Oberseite138 der Solarzelle102 , bildet die Kathodenklemme oder den Kathodenanschluss der Solarzelle102 . Die leitende Unterseite136 der Solarzelle102 ist auf der ersten leitenden Zone132 der metallisierten Oberseite128 des Keramiksubstrats126 positioniert und elektrisch isoliert von der zweiten leitenden Region134 , um so den ordnungsgemäßen Betrieb der Solarzelle102 sicherzustellen. - Die Unterseite
130 des Keramiksubstrats126 besitzt ebenfalls eine Metallisierungsschicht148 , die mit der Wärmefalle120 in Verbindung steht mit einem hoch thermisch leitenden Anbringungsmedium150 wie beispielsweise einem Metall gefüllten Epoxyklebemittel oder einem Lot. Das Füllen eines Epoxyklebemittels wie beispielsweise Silikon mit Metall erhöht die thermische Leitfähigkeit der Grenzfläche (Interface) zwischen dem Keramiksubstrat und der Wärmefalle120 , wobei ferner die Wärmeübertragungseigenschaften des Solarzellenempfängers100 verbessert werden. In einem Ausführungsbeispiel ist das hoch thermisch leitenden Anbringungsmedium150 ein Metall gefülltes Epoxyklebemittel mit einer Dicke tepoxy von annähernd 1–3 Tausendstel Zoll. Das Metall gefüllte Epoxyklebemittel kann auf die untere metallisierte Oberfläche130 des Keramiksubstrats126 aufgebracht werden, auf die Wärmefalle120 oder auf beide, worauf dann die Aushärtung erfolgt zur Verbindung der Wärmefalle120 mit dem Substrat126 . In einem Ausführungsbeispiel der Wärmefalle120 ist eine einstückige extrudierte Aluminiumwärmefalle in3 vorgesehen. - Der Solarzellenempfänger
100 kann hergestellt werden durch vorsehen eines metallisierten keramischen Substrats126 und durch Verbindung der leitenden Unterseite136 der Solarzelle102 mit der ersten leitenden Region132 der metallisierten Oberfläche128 des Substrats126 . Die leitende Kontaktfläche140 angeordnet auf der Oberseite138 der Solarzelle102 ist verbunden mit der zweiten leitenden Zone132 der metallisierten Oberseite128 des Keramiksubstrats126 , und zwar über eine oder mehrere Verbindungsdrähte142 . Die Wärmefalle120 ist mit der unteren metallisierten Oberfläche130 des Keramiksubstrats126 mit dem Metall gefüllten Epoxiklebemittel150 verbunden. - Wie in
6 gezeigt, kann ein Rahmen170 an der metallisierten Oberfläche128 des Keramiksubstrats126 angebracht sein und sich herum erstrecken um die Solarzelle102 und die damit in Beziehung stehenden Komponenten. Der Rahmen170 besitzt einen offenen Mittelbereich174 und bildet einen Damm für ein Einkapslungsmittel160 , das einen Teil des Solarzellenempfängers100 bedeckt. Das Einkapslungsmittel160 schützt den Solarzellenempfänger100 gegenüber Elementen der Umgebung wie beispielsweise Wasser (beispielsweise Regen, Eis, Schnee), Temperaturänderungen und Feuchtigkeit. Der Rahmen170 kann auch eine Abschirmung vorsehen, um einen Schutz gegenüber einem gegenüber der Achse versetzten Strahl vorzusehen und um die Verbindungsanschlüsse125 ,127 abzudichten. - Der Rahmen
170 kann verschiedene Querschnittsformen besitzen, und zwar gesehen in einer Ebene, die sich durch die unteren und oberen Seiten172 ,173 erstreckt. Die7 umfasst eine rechteckige Form mit entgegengesetzt liegenden Innen- und Außenseiten171 ,177 und entgegengesetzt liegenden Boden- und Oberseiten. Der Rahmen kann auch eine Verschiedenheit von anderen Querschnittsformen besitzen, und zwar abhängig von einem Anwendungsfall. In einem speziellen Ausführungsbeispiel weist der Rahmen130 eine unregelmäßige Form auf. - Der Rahmen
170 kann massiv sein wie in9 gezeigt.9 zeigt den Rahmen170 , der den Innenraum178 vollständig umgibt. In einem anderen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) umgibt der Rahmen170 grundsätzlich drei Seiten des Innenraums178 , wobei der Innenraum178 an der Bodenseite freiliegt (das heißt entgegengesetzt zu der Oberseite173 ). - Der Rahmen
170 kann auch aus einem oder mehreren Teilen aufgebaut sein. In einem Ausführungsbeispiel wird der Rahmen aus zwei im Wesentlichen L-förmigen Teilen aufgebaut. Die Außen- und Innenform des Rahmens können variieren, und zwar abhängig von dem Anwendungsfall. Der Außenrahmen wird durch die Außenseiten177 des Rahmens170 gebildet und der Innenrahmen wird durch die Innenseiten171 gebildet.6 zeigt einen Rahmen170 mit quadratischen Innen- und Außenformen. Die Innen- und Außenformen können auch rechteckig, kreisförmig, oval und trapezoidförmig sein, obwohl keine Beschränkung darauf vorgesehen ist. Ferner können die inneren und äußeren Formen gleich oder unterschiedlich sein. Der Rahmen170 kann aus einer Verschiedenheit von Materialien aufgebaut sein, einschließlich Keramikmaterial. -
7 veranschaulicht einen Querschnitt des Einkapslungsmittels160 positioniert innerhalb des Rahmens170 und über einem Teil des Solarzellenempfängers100 . Das Einkapslungsmittel160 erstreckt sich über einen Teil der Konzentriervorrichtung106 , der metallisierten Oberfläche128 des Keramiksubstrats126 , Teile der Solarzelle102 , einschließlich der Kontaktfläche140 und der Verbindungsdrähte142 , die sich zwischen der Kontaktfläche140 und der metallisierten Oberfläche128 erstrecken. Das Einkapslungsmittel160 wird daran gehindert, sich zwischen Konzentrator106 und Solarzelle102 zu erstrecken, und zwar durch ein licht-transparentes Klebemittel151 , das den Konzentrator106 mit der Solarzelle102 verbindet bzw. verklebt. - Das Einkapslungsmittel
160 ist anfänglich in einer Strömungsmittelform und fließt zu den verschiedenen Flächen innerhalb des Rahmens170 . Das Einkapslungsmittel160 wird in einen festeren Zustand ausgehärtet, um einen dauerhaften Schutz für den Solarzellenempfänger100 vorzusehen. In einem Ausführungsbeispiel ist das Einkapslungsmittel160 SYLGARD184 , welches von der Dow Corning Corporation verfügbar ist. -
8 ist ein vereinfachter Schnittansicht ähnlich7 , der die Dimensionen und die Positionierung des Rahmens170 und des Einkapslungsmittels160 veranschaulicht. Der Rahmen170 weist eine Höhe gemessen zwischen einer Bodenseite172 und einer oberen Seite173 auf. Die Höhe ”a” sieht vor, dass die obere Seite oder Oberseite173 entlang eines Zwischenabschnitts des Konzentrators106 positioniert ist und sich nach außen von der oberen metallischen Oberfläche128 erstreckt, und zwar um einen gröberen Abstand als die Bodenseite109 der Konzentriervorrichtung106 . Eine Innenseite171 des Rahmens170 weist zu der Konzentriervorrichtung106 hin und kann flach sein und ausgerichtet sein im Wesentlichen senkrecht zu der oberen metallischen Oberfläche128 . Die innere Seite171 ist um einen Abstand ”b” von dem Schnitt von Boden und Zwischenseiten109 ,111 des Konzentrators106 positioniert. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Abstand b zwischen 2,0 mm und 5,0 mm liegen. - Der Abstand zwischen dem Rahmen
170 und der Konzentrationsvorrichtung106 und die physikalischen Eigenschaften des Einkapslungsmittels160 bewirken eine hohe Oberflächenspannung in dem Einkapslungsmittel160 , wenn es in dem Innenraum178 platziert ist. Dies bewirkt, dass das Einkapslungsmittel160 zur Zwischenseite111 der Konzentrationsvorrichtung106 und der Innenseite171 des Rahmens170 ansteigt. Dies gibt dem Einkapslungsmittel160 eine im Wesentlichen konkave obere Oberfläche oder Oberseite mit vergrößerten Innen- und Außenkanten161 ,162 und einem reduzierten Zwischenabschnitt163 . Die Höhe der inneren und äußeren Kanten161 ,162 gemessen von der oberen Metallisierungsoberfläche128 liegt zwischen ungefähr 1,0 mm und 3,0 mm. In mehreren speziellen Ausführungsbeispielen sind die Höhen zwischen 1,75 mm und 1,90 mm. Die Höhen des Einkapslungsmittels160 können unterschiedlich sein an der Innenkante160 als an der Hohe der Außenkante162 . Die Höhe des Zwischenabschnitts163 liegt zwischen 0,50 und 2,0 mm. In mehreren speziellen Ausführungsbeispielen liegt diese Höhe zwischen ungefähr 0,65 mm und 0,85 mm. - Wie in den
7 und8 gezeigt ist die Höhe des Einkapslungsmittels160 oberhalb der oberen metallischen Oberfläche128 adäquat, um die Verbindungsseite142 , die sich über die Oberfläche128 um ungefähr 135 mm bis 140 mm erstrecken, abzudecken. Die Höhe des Einkapslungsmittels160 oberhalb der Verbindungsseite142 liegt ungefähr zwischen 0,20 mm und 0,50. In mehreren speziellen Ausführungsbeispielen liegt die Höhe oberhalb der Verbindungsseite142 zwischen 0,32 und 0,41 mm. -
7 zeigt den Rahmen170 positioniert vollständig über der Oberseite oder oberen Oberfläche128 des Substrats126 . Der Rahmen170 kann sich auch über die Oberfläche128 hinaus erstrecken, wie dies in9 gezeigt ist. Der Rahmen170 ist mit der Außenseite177 positioniert die seitlich außerhalb von der Oberfläche128 positioniert ist, und zwar über der Wärmefall120 . Ein Material180 ist zwischen dem Rahmen170 und der Wärmefalle120 positioniert. Das Material180 kann ein Klebemittel sein, um den Rahmen an der Wärmefalle120 und/oder einem Dichtmittel zu befestigen, um ein Leck des Einkapslungsmittels160 zu verhindern. - In einem Ausführungsbeispiel eines Solarzellenempfängers
100 , wie in9 gezeigt, wird das Befestigungsmedium150 SYLGARD577 auch dazu verwendet als eine Kantenbehandlung, um die untere metallisierte Oberfläche139 herum und als das Material180 zwischen dem Rahmen170 und der Wärmefalle120 . Der Innenraum des Rahmens170 ist mit einem Material181 gefüllt. Dieses Material181 ist um die Außenseite177 des Rahmens170 positioniert. In einem Ausführungsbeispiel ist das Material181 SS-109 Silikon. - In einem anderen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) ist der Rahmen
170 vollständig über der Wärmefalle120 positioniert und erstreckt sich nicht über der Oberfläche128 . - In einem Ausführungsbeispiel wie in
10 gezeigt weist die Innenseite171 des Rahmens170 einen abgewinkelten Abschnitt175 auf, der vom Konzentrator106 weg abgewinkelt ist. Der abgewinkelte Abschnitt175 erstreckt sich von einem Zwischenpunkt entlang der Innenseite171 zur Oberseite173 des Rahmens170 . In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist der Winkel der Seite175 im Wesentlichen übereinpassend mit dem Winkel der Zwischenseite111 der Konzentriervorrichtung106 . Dies sieht vor, dass die Seiten175 und111 im Wesentlichen parallel verlaufen. Der abgewinkelte Abschnitt175 steuert die Höhe der Außenkante162 . Der abgewinkelte Abschnitt175 kann auch die Höhe der Innenkante steuern. In einem Ausführungsbeispiel ist die Höhe der Innenkante161 die gleiche wie die Höhe am Schnitt zwischen der Innenseite171 und dem abgewinkelten Abschnitt175 . - Der abgewinkelte Abschnitt
175 kann sich vollständig um den Rahmen170 herum erstrecken oder kann angeordnet sein entlang nur eines oder mehrerer begrenzter Abschnitte des Rahmens170 . In einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der erste abgewinkelte Abschnitt175 entlang eines ersten Abschnitts entlang eines Rahmens170 und weist auf eine erste Stirnfläche des rechteckigen Konzentrators106 und ein zweiter abgewinkelter Abschnitt175 erstreckt sich entlang eines entgegengesetzt liegenden zweiten Abschnitts eines Rahmens170 und weist auf eine zweite Stirnfläche des rechteckigen Konzentrators hin. Der Winkel des abgewinkelten Abschnitts175 kann der gleiche sein entlang den verschiedenen Abschnitten170 oder kann sich verändern. - Der Rahmen
170 kann über einer oder mehreren Komponenten des Solarzellenempfängers100 positioniert sein.6 umfasst den Rahmen170 , und zwar positioniert über den Verbindungsanschlüssen125 ,127 (nicht in4 ) gezeigt. Der Rahmen170 weist ferner Öffnungen176 , welche Leiter190 aufnehmen, die die Verbindung herstellen mit den Verbindungsanschlüssen125 ,127 . Diese Öffnungen176 können sich nur nach innen von der Außenseite177 erstrecken und enden an einem Inneren des Rahmens170 weg von der Innenseite171 , um eine mögliche Leckstelle für das Einkapslungsmittel160 zu verhindern. Der Rahmen170 kann ferner über die Bypassdiode124 erstreckt sein. Die Bodenseite172 des Rahmens170 kann Ausschnitte aufweisen, die verschiedene Komponenten unterbringen. In diesen verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Innenseite171 des Rahmens170 zwischen den Komponenten und der Solarzelle102 positioniert, um eine Oberfläche für das Einkapslungsmittel160 vorzusehen und um das Lecken des Einkapslungsmittels zu verhindern. - Der Rahmen
170 kann zentriert um die Konzentratvorrichtung106 und die Solarzelle102 angeordnet sein. Alternativ kann der Rahmen170 gegenüber der Mitte versetzt sein, und zwar mit einem Abschnitt des Rahmens170 dichter an der Konzentrationsvorrichtung106 und der Solarzelle102 als dies für einen anderen Abschnitt gilt. - In einigen Ausführungsbeispielen ist der Mittelbereich oder die Mittelregion bzw. -zone
174 des Rahmens170 ein einziger Abschnitt. Das Einkapslungsmittel160 kann in die Zentralregion174 eingeführt werden und kann durch die Region oder die Zone174 fließen, um die verschiedenen Komponenten abzudecken. Die Mittelzone oder -region kann auch in zwei oder mehr gesonderte Abschnitte unterteilt sein. Der Aufbau des Solarzellenempfängers100 erfordert, dass das Einkapslungsmittel160 gesondert in jeden der Abschnitte eingeführt wird. - Während des Zusammenbaus ist der Rahmen
170 an dem Substrat126 angebracht und/oder der Wärmefalle120 . Ein Klebemittel kann verwendet werden zur Anbringung und auch zur Verhinderung eines Lecks des Einkapslungsmittels160 während der weiteren Zusammenbaustufen. - Nach der Anbringung des Rahmens
170 , wird das Einkapslungsmittel160 , welches auf Silikon basieren kann, in den Innenraum178 eingeführt. Das Einkapslungsmittel160 besitzt eine Oberflächenspannung, die bewirkt, dass vergrößerte Höhen an den Außenkanten auftreten. Nach der Einführung des Einkapslungsmittels160 wird dieses durch Wärme oder einen anderen geeigneten Prozess ausgehärtet. - Die Solarzelle
102 kann eine Multijunction III-V Vorrichtung sein mit einer Anzahl von Solarsubzellen vorgesehen in einer gestapelten Anordnung. Die Solarzelle102 kann obere, mittlere und untere Subzellen aufweisen mit Bandabständen zur Maximierung der Absorption der Solarenergie. Eine anwendbare Solarzelle ist in US Anmeldung Seriennummer 12/148,553 eingereicht am 18. April 2008 beschrieben, wobei diese Druckschrift hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. - Der Bügel
116 (3 ) kann sich über den Rahmen170 erstrecken, wobei die Befestigungsmittel122 die Befestigung an der Wärmefalle120 an Punkten außerhalb des Rahmens170 vorsehen. Eine untere Seite des Bügels116 kann Kontakt haben gegen oder oberhalb angeordnet sein, der Oberseite173 des Rahmens170 . Alternativ kann der Bügel116 innerhalb der Mittelzonen174 des Rahmens170 positioniert sein. - In den verschiedenen hier beschriebenen Implementierungen wird eine Dreischicht – bzw. triple-junction III-V Verbindungshalbleitersolarzelle verwendet, es können aber auch andere Arten von Solarzellen verwendet werden abhängig von dem Anwendungsfall. Die Solarzellen
102 können beispielsweise aus: Silizium (einschließlich amorphen, nanokristallinem oder polykristallinem Silizium), Kadmiumtellurid, CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid), CIS (Chalkopyritfilmen aus Kupfer-Indium-Selenid (CuInSe2)), Gallium-Arsenid (z. B. GaAs multijunctions), lichtabsorbierenden Farbstoffen (beispielsweise metallorganischer Ruthenium Farbstoffen) oder organischen Halbleitern (beispielsweise Polyphyenyl Vinylen, Kupfer-Phthalocyanin und Kohlenstoff-Fullerenen) hergestellt sein. - Da ein einziges Solarzellenmodul
200 nicht hinreichend Elektrizität für einen gegebenen Anwendungsfall erzeugen kann, werden zwei oder mehr Solarzellenmodule200 zusammengrupiert in einer Anordnung. Diese Anordnung wird manchmal als Paneele oder Solarpaneele bezeichnet. - Obwohl spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und gezeigt wurden, erkennt der Fachmann, dass basierend auf den Lehren dieser Anmeldung Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, so dass diese Erfindung breite Aspekte umfasst, wobei die beigefügten Ansprüche alle solche Änderungen und Modifikationen innerhalb des Rahmens der Erfindung umfassen. Ferner ist es klar, dass die Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
- Der Fachmann erkennt, dass im Allgemeinen Ausdrücke wie sie hier und insbesondere in dem beigefügten Ansprüchen verwendet werden (beispielsweise Körper der beigefügten Ansprüche) allgemein als ”offene” Ausdrücke (beispielsweise der Ausdruck ”aufweisend” sollte interpretiert werden als ”aufweisen, aber nicht begrenzt auf”, der Ausdruck ”haben” soll interpretiert: werden als ”haben mindestens” und der Ausdruck ”umfasst” sollte interpretiert werden als ”umfasst, ist aber nicht beschränkt auf”, der Ausdruck ”aufweist” und Variationen davon wie beispielsweise ”aufweist” und ”aufweisend” sollte konstruiert werden als ein offener Ausdruck, der bedeutet ”umfasst, aber nicht eingeschränkt ist auf”. Der Fachmann erkennt ferner eine spezielle Zahl einer eingeführten Beanspruchung beabsichtigt ist, wobei diese Beabsichtigung explizit im Anspruch zitiert wird und das Nicht-Vorhanden-sein eines solchen Zitates bedeutet, dass keine solche Intention vorhanden ist. Beispielsweise, als eine Hilfe beim Verständnis, können die folgenden beigefügten Ansprüche einleitende Phrasen verwenden wie ”mindestens einem” und ”ein oder mehr”, um Anspruchsabhängigkeiten einzuführen. Jedoch sollte die Verwendung derartiger Phasen ausgelegt werden um Folgendes zu umfassen:
Dass die Einführung einer Anspruchsnennung durch die unbestimmten Artikel „an” irgendeinen speziellen Anspruch einschränkt, der eine solche eingeführte Anspruchsnennung enthält und zwar für Erfindungen, die nur eine solche Nennung enthalten selbst dann, wenn der gleiche Anspruch einleitende Phrasen wie „einen oder mehrere” oder „mindestens einen” und unbestimmte Artikel wie beispielsweise „einen” enthält (beispielsweise „ein”) sollte typischerweise interpretiert werden mit der Bedeutung „mindestens ein” oder „ein oder mehr”;
das gleiche gilt auch die Verwendung von bestimmten Artikeln, die verwendet werden um Anspruchsabhängigkeiten einzuführen bei dem gilt Folgendes:
selbst wenn eine spezielle Zahl einer eingeführten Anspruchsabhängigkeit explizit genannt wird, so erkennt der Fachmann, dass eine solche Bezugnahme typischerweise interpretiert werden soll um Folgendes zu bedeuten: Mindestens die genannte Zahl (beispielsweise bedeutet typischerweise die einfache Nennung von zwei Abhängigkeiten ohne Modifikationen typischerweise mindestens zwei Abhängigkeiten oder aber auch zwei oder mehr Abhängigkeiten). - 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 Nicht-Patentliteratur
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- IEC 62108 [0006]
Claims (9)
- Ein Solarzellenmodul zur Verwendung in einem Konzentrationssolarsystem zur Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität dadurch gekennzeichnet, dass das Solarzellenmodul ein Gehäuse aufweist mit einer Reihe von gepaarten Linsen und Solarzellenempfängern, wobei jede der Linsen entlang eines oberen Teils des Gehäuses positioniert ist, und wobei jeder der Solarzellenempfänger beabstandet entlang eines unteren Teils des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Solarzellenempfänger Folgendes aufweisen: einen Träger, eine Solarzelle angebracht an dem Träger und eine oder mehrere III-V-Verbindungshalbleiterschichten aufweisen und ein optisches Element, positioniert über der Solarzelle zwischen der Solarzelle und den gepaarten Linsen, und zwar einen optischen Kanal definierend mit einem vergrößerten Einlass, der zu den gepaarten Linsen hinweist und einem reduzierten Auslass, der zu der Solarzelle hinweist und Solarenergie auf die Solarzelle konzentriert, wobei der Solarzellenempfänger Folgendes aufweist: einen Rahmen positioniert über dem Träger und mit einer Höhe oberhalb des Trägers, der größer ist als die Solarzelle, wobei der Rahmen sich um die Solarzelle herum erstreckt und diese einschließt und zwar in einem Innenraum; und ein Einkapslungsmittel enthalten innerhalb des Innenraums zwischen dem optischen Element und dem Rahmen und Teile des Trägers und der Solarzelle abdeckend, wobei das Einkapslungsmittel vergrößerte Außenkantenhöhen an jedem der optischen Elemente und des Rahmens aufweist.
- Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkantenhöhlen in einem Bereich zwischen 1,0 mm bis 3,0 mm liegen und einen Zwischenabschnitt des Einkapslungsmittels der eine Höhe im Bereich zwischen 0,5 mm bis 1,0 mm besitzt.
- Solarzellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkantenhöhe an dem optischen Element unterschiedlich von der Außenkantenhöhe am Rahmen ist.
- Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen eine mit Ausnehmungen versehene Bodenseite aufweist, die zu dem Träger hinweist, um sich über erste und zweite elektrische Anschlüsse oder Klemmen zu erstrecken, die angebracht sind auf dem Träger und Anoden- und Kathodenverbindungen formen jeweils mit Aufnahmen zur Kupplung mit benachbarten Solarzellenempfängern.
- Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner Verbindungsdrähte vorgesehen sind, die sich zwischen den Solarzellen und dem Träger erstrecken, wobei die Verbindungsdrähte vollständig durch das Einkapslungsmittel abgedeckt sind.
- Solarzellenmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkapslung die Verbindungsdrähte abdeckt und sich über die Verbindungsdrähte erstreckt, um eine Höhe im Bereich von zwischen ungefähr 0,2 mm bis 0,5 mm.
- Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen eine Innenseite aufweist, die sich über den Träger erstreckt und zu dem optischen Element hinweist, wobei die Innenseite zwischen 2,0 mm bis 5,0 mm weg von dem optischen Element positioniert ist.
- Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen einen hohlen Innenraum aufweist, der mit einem Material gefüllt ist, um das Leck des Einkapslungsmittels zu verhindern.
- Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger an einer Wärmefalle angebracht ist und mindestens ein Teil des Rahmens direkt über der Wärmefalle positioniert ist, weg von dem Träger
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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