DE2927072A1 - Konzentratorsolarzellen-reihenbauteil - Google Patents

Konzentratorsolarzellen-reihenbauteil

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DE2927072A1 DE19792927072 DE2927072A DE2927072A1 DE 2927072 A1 DE2927072 A1 DE 2927072A1 DE 19792927072 DE19792927072 DE 19792927072 DE 2927072 A DE2927072 A DE 2927072A DE 2927072 A1 DE2927072 A1 DE 2927072A1
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Description

SCHIFF V. FONER STREHL SCHDBEL-HOPF EBBiJGHAUS FINCK Be schre ibung
Die Erfindung betrifft Konzentratorsolarzellen-Reihenbauteile. Bei derartigen Bauteilen oder Modulen ist die Solarzelle direkt an der Wärmesenke angebracht. Derartige Bauteile haben den Nachteil, daß sie eine geringe Leitfähigkeit haben und daß die Isolation zusammenbrechen kann. Es besteht deshalb ein Bedürfnis für neue und verbesserte Konzentratorsolarzellen-Reihenbauteile.
Das erfindungsgemäße Konzentratorsolarzellen-Reihenbauteil besteht aus einer metallischen Wärmesenke, die eine planparallele Halteoberfläche hat. Weiterhin ist ein dünnes Halbleiterdistanzstück vorgesehen, das im wesentlichen aus dem gleichen Material wie die Solarzelle besteht. Das Distanzstück ist mit einer Isolierschicht versehen, die der Haltefläche der Wärmesenke gegenüberliegt. Das Distanzstück besteht aus Silizium, welches ein Oxid des Siliziums aufweist. Ein leitender Klebstoff befestigt das Distanzstück an der planparallelen Halteoberfläche der Wärmesenke. Weiterhin ist eine Halbleitersolarzelle vorgesehen. Zum Befestigen der Unterseite der Solarzelle an der Oberseite des Distanzstückes wird eine dünne gepreßte Schicht aus Lötmittel verwendet. An der Solarzelle ist durch einen elastischen optisch transparenten Silikonklebstoff ein Abdeckglas befestigt, welches das Sonnenlicht streut. Für die Reihenschaltung der Solarzellen werden umflochtene Drähte verwendet.
Das erfindungsgemäße Konzentratorsolarzellen-Reihenbauteil hat ausgezeichnete Wärmeübergangseigenschaften, läßt sich äußerst einfach miteinander verbinden, hat im wesentlichen angepaßte Wärmeausdehnungseigenschaften und eine überlegene elektrische Isolierung, außerdem ist der Wärmewiderstandsweg der Zelle zum Substrat um eine Größenordnung reduziert, während die elektrische Isolierung beibehalten wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Solarzellenbauteil der Konzentratorbauweise für eine Reihen- oder Serienanordnung,
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welches eine metallische Wärmesenke mit einer planparallelen bzw. planaren Halteoberfläche hat. Das Bauteil hat ein Halbleiterdistanzstück mit einer Schicht aus Isoliermaterial in Form von Siliziumoxid. Die Siliziumoxidoberfläche ist an der Halteoberfläche der Wärmesenke durch einen thermisch leitenden Klebstoff befestigt. Mittels eines Lötmittels ist an dem Distanzstück eine Solarzelle befestigt, ebenfalls durch Klebstoff ist an der Solarzelle eine Glasabdeckung angebracht, welche eine texturierte Oberfläche hat, um eine Diffusion des Lichts herbeizuführen, das auf die Solarzelle auftrifft.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 in einer Seitenansicht ein lineares Fresnelsches Konzentratorsystem;
Fig. 2 perspektivisch auseinandergezogen einen
Abschnitt eines Konzentratorsolarzellen-Reihenbauteils für die Verwendung in dem System von Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Konzentratorsolarzellen-
Reihenbauteils; und
Fig. 4 eine Draufsicht auf das Bauteil, wobei die Verwendung der umflochtenen Drähte zur Verbindung der Solarzellen gezeigt ist.
Das in Fig. 1 gezeigte lineare Konzentratorsystem 11 verwendet erfindungsgemäße Konzentratorsolarzellen-Reihenbauteile 12. Die Bauteile 12 haben eine geeignete Länge, und .sind für die gewünschte Spannung ausgelegt, beispielsweise für 110 V Gleichspannung. Um diese Spannung zu erhalten, braucht man für ein Bauteil 12 zweihundertvierundzwanzig Solarzellen. Das Bauteil ist an etwa 4,8 m lang. Die Bauteile 12 werden mit einem geeigneten flüssigen Kühlmittel gekühlt. Die Bauteile 12 werden von einer Rohrabstützung 13 derart getragen, daß sie in einem
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geeigneten Winkel von beispielsweise 40 getrennt und einer reflektierenden Oberfläche zugewandt sind, beispielsweise einem linearen Fresnelschen Reflektor 14. Der Reflektor 14 empfängt die Strahlen der Sonne 16 und richtet sie auf die Konzentratorsolarzellen-Reihenbauteile 12. Für die Bewegung der Bauteile 12 um die Rohrabstützung 13, um der Sonne auf einer Achse zu folgen, sind, um die von der Sonne erhaltene Energie zu optimieren, entsprechende Einrichtungen vorgesehen.
Jedes der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Konzentratorsolarzellen- Reihenbauteile besteht aus einer großen Wärmesenke 21, die aus einem geeigneten Material, beispielsweise aus Aluminium besteht. Die Wärmesenke 21 ist mit einer Vielzahl von Kanälen oder Durchgängen 22 versehen, die sich in Längsrichtung der Wärmesenke erstrecken und Kühlmittel zum Kühlen der Wärmesenke 21 aufnehmen. Die Wärmesenke 21 ist mit einer planaren Ober- · fläche 23 versehen, welche sich in Längsrichtung der Wärmesenke auf ihrer Oberseite erstreckt. Die Oberfläche 23 wird von einer U-förmigen Ausnehmung 24 gebildet, die sich in Längsrichtung der Wärmesenke erstreckt. In der Wärmesenke 21 ist eine weitere ü-förmige Ausnehmung 26 ausgebildet, die sich in ihrer Längsrichtung erstreckt, so daß Abstufungen 27 auf den gegenüberliegenden Seiten der Oberfläche 23 gebildet werden.
Erfindungsgemäß wird ein Distanzstück .28 vorgesehen, das unterhalb jeder Solarzelle 29 liegt, die auf der Wärmesenke 21 angebracht werden. Die Solarzellen 29 bestehen beispielsweise aus Silizium. In diesem Fall bestehen die Distanzstücke 28 ebenfalls im wesentlichen aus Silizium, so daß sie den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Solarzellen haben. Die Distanzstücke haben eine geeignete Stärke, beispielsweise 0,3 mm. Die Stärke kann jedoch in einem Bereich von 0,2 bis 0,5 mm liegen. Das Siliziumdistanzstück kann auch irgendeine gewünschte elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 1/2 bis 15 Ohm-Zentimeter haben. Außerdem kann das Silizium vom P-Typ sein. Damit die Isoliereigenschaften- des Distanzstückes erhöht werden,
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wird auf der Seite des Distanzstückes, welches der Oberfläche 23 gegenüberliegt, eine Isolierschicht vorgesehen. Dies wird durch thermische Oxidation erreicht, bei welcher eine Siliziumoxidschicht auf allen Seiten des DistanzStückes ausgebildet wird. Die von der Seite, die der Oberfläche 23 gegenüberliegt, abgelegene Siliziumoxxdschicht wird in geeigneter Weise, beispielsweise durch Auflegen einer Maske auf die gegenüberliegende Seite und durch Verwendung herkömmlicher Ätzung entfernt, so daß das Siliziumoxid von der freiliegenden Seite abgenommen ist. Auf die Seite ohne Siliziumoxid wird ein Titan-Paladium-Silberkontakt aufgebracht, woran sich eine Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre anschließt. Der Metallkontakt wird mit einer dünnen Schicht eines Lötmittels durch Pressen überzogen.
Danach wird das Distanzstück 28 mit dem Titan-Paladium-Silber-Kontaktaufbau auf der Unterseite der Solarzelle verlötet, um einen fortlaufenden Kontakt vom P-Typ zu haben, der Strom aus der Zelle sammelt. Dies wird dadurch erreicht, daß eine dünne Schicht des Lötmittels 31 auf der Silberschicht angeordnet wird, die von der Solarzelle getragen wird, beispielsweise durch Siebdruck oder durch Eintauchen der Solarzelle in Lötmittel. Die Solarzelle wird dann in einer Halterung angeordnet. Das Distanzstück kann auf der Oberseite davon angeordnet werden. Die gesamte Anordnung wird dann erhitzt, bis das Lötmittel schmilzt und die Solarzelle mit dem Distanzstück verbindet. Das Distanzstück 28 mit der Solarzelle 29 auf seiner Oberseite wird an der Wärmesenke 21 durch eine Schicht 32 eines thermisch leitenden Silikonklebstoffs befestigt, der eine Stärke zwischen 0,08 und 0,13 mm hat. Es kann jeder geeignete halbleitende thermische Silikonklebstoff verwendet werden. Bekannt ist ein Silikonklebstoff mit Berylliumoxid als Füllstoff (Berlon, National Beryllia Corp., Haskeil, N.J. USA). Jeder Klebstoff hat eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 4 bis 13 kJ/mh grd (0,7 bis 2,1 BTU/h ft°F). Besonders bevorzugt wird ein Klebstoff (B5 0201), der eine
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gute Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Viskosität hat, so daß er leicht und sehr dünn in einer Stärke von 0,07 bis 0,1 mm verteilt werden kann. Die Größe der Solarzelle 29 ist geringer als die des DistanzStückes 28, so daß ein Raum für Leitungen auf den gegenüberliegenden Seiten des DistanzStückes 28 verbleibt. Das Distanzstück 28, welches als Teil eines Zwischenverbindungssystems wirkt, hat die gleiche Wärmeausdehnung wie die Solarzelle, da sie aus dem gleichen Material besteht, und somit zum Ausgleich des seitlichen Temperaturprofils über der Zelle beiträgt. Der Oxidfilm oder die Oxidschicht an dem Distanzstück 28 bildet eine hervorragende elektrische Isolation.
Die Schicht des Silikonklebstoffs 32 wirkt so, daß eine zusätzliche elektrische Isolierung der Solarzelle erhalten wird. Dieses Klebemittel nimmt die Unterschiede der fehlenden Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziums und der Substratoberfläche 23 auf, die von der Wärmesenke 21 gebildet wird, wodurch die Spannungen an der Solarzelle auf ein Minimum reduziert werden und die Solarzelle im wesentlichen auf dem Substrat schwimmen kann.
Um die Fähigkeiten des Bauteils weiter zu verbessern, wird eine Solarzellenabdeckung 36 vorgesehen. Diese Abdeckung kann beispielsweise aus einer Wasserwexßglasabschirmung (Sunadex) bestehen, die eine Stärke zwischen 2,5 und 4 mm hat, vorzugsweise jedoch 3,2 mm stark ist. Die Abdeckung 36 wird mit der Oberseite der Solarzelle 29 mittels eines geeigneten Klebstoffs 37 haftend verbunden, beispielsweise mit einem elastischen optisch transparenten Silikonklebstoff (RTV 6Ο2). Das Abdeckungsglas 36 ist mit einer gemaserten, bzw. melierten Oberfläche versehen, die als Diffusor für das Sonnenlicht dient und die elektrische Leistung der Zelle 29 verbessert.
Die Reihenschaltung der Solarzellen auf der Wärmesenke wird durch Verwendung von umflochtenen Flachdrähten aus mit überschüssigem silberplatiertem Kupfer erreicht, die in U-förmigen
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Abschnitten ausgebildet und längs der P-Kontakte auf beiden Seiten und um den Umfang einer Zelle bis zu den "N"-Kontakten der benachbarten Zelle punktverlötet sind. Dieses umflochtene Drahtsystem/ welches einer Vierdrahtredundanz entspricht, hat ausgezeichnete Ausdehnungs-Kontraktionseigenschaften für die Zelle, wodurch die Spannung an der Zelle und an den Kontaktlötverbindungen reduziert und eine Stromgesamtkollektion aus der Zelle und im Gesamtweg des Stroms von Zelle zu Zelle möglich ist, wenn Zellen während des Betriebs reißen oder brechen. Zusätzlich sind die Lötverbindungen jeder Zelle jederzeit für eine Inspizierung sichtbar.
Die Art und Weise, in welcher die U-förmigen Abschnitte 41 an der Zelle positioniert sind, ist in Fig. 4 gezeigt. Man sieht, daß sich der erste U-förmige Abschnitt 41 um drei Seiten der ersten Solarzelle herum und nach unten längs der Seiten der zweiten Solarzelle erstreckt. Der nächste U-förmige Abschnitt 41 bedeckt die übrigbleibende vierte Seite der ersten Solarzelle und erstreckt sich dann über die beiden anderen Seiten der gleichen Solarzelle. Der nächste U-förmige Abschnitt deckt die Oberseite und die beiden Seiten der Solarzelle ab und erstreckt sich nach unten in den nächste Solarzelle. Die Solarzellen werden auf diese Weise in Reihe geschaltet.
Wenn Bypassdioden erforderlich sind, um gegen eine Zellenabschirmung zu schützen, können Dioden angrenzend an die Zellen auf dem Siliziumdistanzstück angebracht werden. Um die Draht- und Zellenkontakte zu schützen, kann ein Klebstoff in Form eines flexiblen transparenten Silikonüberzugs auf die Drähte, die Kontakte und die Distanzstücke der Zellen aufgebracht werden. Für die elektrische Festlegung des Bauteils sind an den gegenüberliegenden Enden der Wärmesenke 21 im Abstand Klemmen angeordnet. Die Klemmen sind für eine Abstandsspannung von über 1000 Volt geeignet. Jede Klemmen kann einen Strom von 15 Ampere leiten. Wie in Fig. 2 gezeigt ist,
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befinden sich die positiven Anschlußklemmen 46 auf einer Seite, während die negativen Anschlußklemmen, die auf der anderen Seite liegen, nicht gezeigt sind.
Erfindungsgemäß erhält man ein Halterungssystem zum Anbringen von Konzentratorsolarzellen an metallischen Substraten oder Wärmesenken, um die Temperaturgradienten zwischen der Zelle und dem Substrat auf ein Minimum zu reduzieren. Es wird ein isoliertes Distanzstück verwendet, dessen eine Seite mit der Wärmesenke oder dem Substrat unter Verwendung eines thermisch leitenden Klebstoffs für die Festlegung verbunden wird. Für die elektrische Isolierung wird eine thermisch gewachsene Siliziumoxidschicht auf der Seite des Distanzstücks 28 ausgebildet, die mit dem Substrat verbunden wird. Das Bauteil bildet eine Einrichtung für einen maximalen Wärme- und Energieübergang von den Zellen zum Substrat unter Aufrechterhaltung einer hohen elektrischen Isolierung. Man erhält für die Zelle und die elektrische Isolierung, die von dem Distanzstück gebildet wird, angepaßte thermische Eigenschaften. Das erfindungsgemäß verwendete Bauteil reduziert den Temperaturgradienten auf weniger als 1°C verglichen mit einem Gradienten von 6°C für bekannte Aufbauten. Das Distanzstück wirkt als elektrischer Isolator und elektrische Zwischenverbindung, welche ein totales Sammeln und Führen des Stroms von der Zelle auch im Falle eines Zellenzusammenbruchs ermöglicht. Durch Verwendung eines Siliziumdistanzstücks mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit und durch Anbringen einer isolierenden Oxidschicht, wird der thermische Widerstandsweg von der Solarzelle zum Substrat oder zur Wärmesenke wesentlich reduziert, nämlich um eine Größenordnung, während gleichzeitig die erforderliche elektrische Isolierung aufrechterhalten wird.'
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Claims (1)

  1. - PATENTANWÄLTE
    SCHIFF ν. FÜNER STREHl. GCHUBEL-HOf3F £BBINGHAUS FINCK
    MARIAHILFPLATZ 2&3, MÖNCHEN 90 POSTADRESSE: POSTFACH 95 OIΘΟ, D-8OOO MÜNCHEN 95
    Optical Coating Laboratory, Inc. Santa Rosa, Calif., USA
    PROFESSIONAL REPRESENTATIVES ALSO BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE
    KARt. LUOWIQ SCHIFF (1964-1978)
    DIPL. CHEM. OR. ALEXANOER V. FUNER
    DIPL. INQ. PETER STREHL
    DIPL. CHEM. OR. URSULA SCHÜBEL-HOPF
    OIPL. ING. DIETER EB31NQMAUS
    DR. INQ. DIETER FINCK
    TELEFON (Ο8Θ) 4BSOS4
    TELEX 0-Q3BOB AURO O
    TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN
    4. Juli 1979
    DEA/G-14465
    Konzentratorsolarzellen-Reihenbauteil
    Patentansprüche
    Konzentratorsolarzellen-Reihenbauteil, gekennzeichnet durch ein Metallsubstrat, das als.Wärmesenke (21) dient und eine planparallele Haltefläche (23) aufweist, durch ein Halbleiterdistanzstück (28) mit einer daran ausgebildeteten Isolierschicht, durch einen thermisch leitenden Klebstoff (32) zum Befestigen des Distanzstücks (28) an der Oberfläche des Substrats (21), wobei die Isolierschicht des Distanzstücks (28) der Oberfläche gegenüberliegt, durch eine Halbleitersolarzelle (29), durch ein Lötmittel (31), welches die Rückseite der Solarzelle (29) mit der Vorderseite des Distanzstücks (28) verbindet, und durch mit der Solarzelle (29) verbundene Leitungen.
    2. Bauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abdeckplatte (36) der Diffuserbauweise und durch einen transparenten Klebstoff (37) zum Befestigen der Abdeckplatte (36) an der Oberseite der Zelle (29).
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    SCHIFF ν. FONER STREHL SCHdBEL-HOPF EBBIVCSHAUS FINCK
    3. Bauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Distanzstücken (28) und Solarzellen (29) sowie durch U-förmige umflochtene Drähte (41), welche die Solarzellen (29) in einer Reihenschaltung verbinden.
    4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Abschnitte (41) drei Seiten der Solarzellen (29) bedecken.
    5. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle (29) und das Distanzstück (28) aus Silizium bestehen.
    6. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (28) eine Stärke im Bereich von 0,25 bis 0,50 mm hat.
    7. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus einem Oxid des Siliziums besteht.
    8. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (21) mit Strömungskanälen (22) für einen Kühlmittelstrom versehen ist.
    909884/074$
DE19792927072 1978-07-10 1979-07-04 Konzentratorsolarzellen-reihenbauteil Withdrawn DE2927072A1 (de)

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