EP3180805A1 - Keramischer trägerkörper mit solarzellen - Google Patents

Keramischer trägerkörper mit solarzellen

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EP3180805A1
EP3180805A1 EP15748258.9A EP15748258A EP3180805A1 EP 3180805 A1 EP3180805 A1 EP 3180805A1 EP 15748258 A EP15748258 A EP 15748258A EP 3180805 A1 EP3180805 A1 EP 3180805A1
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EP
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carrier body
solar cell
cooling
ceramic
sintered
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Withdrawn
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EP15748258.9A
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English (en)
French (fr)
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Thomas Betz
Harald KREß
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Ceramtec GmbH
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Ceramtec GmbH
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Publication date
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    • H01L31/052Cooling means directly associated or integrated with the PV cell, e.g. integrated Peltier elements for active cooling or heat sinks directly associated with the PV cells
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a carrier body for solar cells.
  • a solar cell is understood to mean a photovoltaic cell.
  • the invention has for its object to improve a carrier body for solar cells so that the thermal resistance of the connection between the solar cell and the carrier body or a heat sink is significantly reduced.
  • the carrier body consists of a ceramic material with sintered Metallmaschines Siemensen, on the carrier body at least one solar cell soldered or sintered and electrically connected to the metallization and the carrier body has ceramic cooling elements.
  • the thermal resistance is significantly improved, the solar cells are sufficiently cooled, improves the efficiency and extends the life.
  • Carrier body made of a ceramic material with sintered metallization rapidly dissipate heat and distribute it in the carrier body. The cooling elements of the carrier body ultimately dissipate the heat to the environment.
  • the support body may have a three-dimensional structure as cooling elements that produce the largest possible surface, such as fins for air cooling or the cooling elements are closed inner channels or chambers with supply ports for externally supplied cooling with gas or liquid.
  • the inner channels and chambers have the largest possible surface area. It can be done either a cooling with a gas, in particular an air cooling, or cooling with liquids.
  • the carrier body is plate-shaped and thus has an upper side, a lower side and side surfaces, wherein sintered metallization regions are arranged both on the upper side and on the lower side and are electrically connected via sintered metallization regions on the side surfaces and at the corners.
  • the connection of the metallization from top to bottom can also be done by one or more via holes (vias).
  • one or more solar cells are soldered onto one of the upper and lower sides and electrical or electronic control elements for the at least one solar cell are soldered onto the metallizations on the respective other upper and lower side. This separation of the solar cells from the electrical or electronic controls has the advantage that the electrical or electronic controls are decoupled from the heat of the solar cells, i. are not exposed to increased heat load.
  • the ceramic material is preferably Al 2 O 3, MgO, SiO 2, mixed oxide ceramics, or nitride ceramics such as AIN, Si 3 N 4.
  • An inventive method for producing a carrier body according to any one of claims 1 to 5 is characterized in that the Carrier body is made with inner channels or chambers and forms a cooling unit and printed by screen, pad or stencil printing process with AgPt paste and baked and then a solar cell on its back side electroplated with Ag and then cooling unit and solar cell by, for example, an interposed Lotfolie be connected.
  • Another inventive method for producing a carrier body according to any one of claims 1 to 5 is characterized in that the carrier body is manufactured with inner channels or chambers and forms a cooling unit and printed by screen, pad or stencil printing process with AgPt paste and baked and a solar cell is degreased and a paste with the finest silver particles is screen printed on the cooling unit and then the solar cell is laid and a solid metallic composite is produced.
  • Solar cells are soldered or sintered onto the sintered metallization regions of the ceramic carrier body.
  • the heat sinks connected to the carrier body may be simple ceramic substrates, they may have a three-dimensional structure (eg fins) or they may also have closed channels or chambers (with supply connections) to the outside.
  • the cooling itself can be done by a gas or a liquid.
  • Metallizations can be filled and cured coatings, the usual thick film metallizations such as tungsten, molybdenum, silver, silver-palladium, silver-platinum, etc., but also AMB or DCB composites.
  • the heat sinks may be made of the usual ceramics such as Al 2 O 3, MgO, SiO 2, mixed oxide ceramics, or nitride ceramics such as AlN, Si 3 N 4 be prepared.
  • the molding can be by film casting, extrusion, dry pressing, injection molding, hot casting, die casting, additive or generative shaping (3D printing) directly or by mechanical processing of blankets of ceramic materials or unsintered moldings (green compacts), which are subsequently sintered in the required shape to be brought.
  • a cooling unit made of AIN is screen printed with AgPt paste and baked.
  • a solar cell is galvanically coated with Ag on the rear side. At approx. 265 ° C, the cooling unit and the solar cell are connected by a solder foil placed between them.
  • a cooling unit made of AIN is screen printed with AgPt paste and baked at approx. 860 ° C.
  • a solar cell is degreased. Then a paste with the finest silver particles is screen-printed on the cooling unit. The solar cell is placed on top and at about 400 ° C with access of air a solid metallic composite is produced.
  • FIG. 1 shows an embodiment according to the invention of a carrier body 1 made of a ceramic material.
  • the carrier body 1 has an upper side 5, a lower side 6 and side surfaces 7.
  • the reference numeral 3 are denoted by the carrier body 1 sintered metallization, forming a circuit board.
  • these metallization regions 3 are arranged on the upper side 5 as well as on the underside 6 and the side surfaces 7 and the corners 8.
  • Solar cells 2 are arranged only on the top 5.
  • Figure 1 is not to scale.
  • cooling channels arranged, which are connected to the supply terminals 4. Cooling fluid is conducted into the carrier body 1 via these supply ports 4, which cools the carrier body.
  • the metallization areas 3 5 solar cells 2 are soldered here only on the top.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Trägerkörper (1) für Solarzellen (2). Zur signifikanten Verbesserung des Wärmewiderstands der Verbindung zwischen Solarzelle (2) und dem Trägerkörper (1) bzw. einem Kühlkörper wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Trägerkörper (1) aus einem keramischen Werkstoff mit versinterten Metallisierungsbereichen (3) besteht, auf dem Trägerkörper (1) zumindest eine Solarzelle (2) aufgelötet oder aufgesintert und mit den Metallisierungsbereichen (3) elektrisch verbunden ist und der Trägerkörper (1) keramische Kühlelemente aufweist.

Description

Keramischer Trägerkörper mit Solarzellen
Die Erfindung betrifft einen Trägerkörper für Solarzellen.
Der Wirkungsgrad von Solarzellen geht mit zunehmender Temperatur zurück. Abhilfe kann durch einen aufgebrachten AI-Kühlkörper geschaffen werden. Die Verbindung wird durch Druckkontakt oder Wärmeleitpasten hergestellt. Eine solche Verbindung zwischen Solarzelle und metallischem Kühlkörper hat einen hohen Wärmewiderstand. Gerade für Hochleistungs-Solarzellen ist eine solche Kühlung nicht effektiv. Unter einer Solarzelle wird eine photovoltaische Zelle verstanden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Trägerkörper für Solarzellen so zu verbessern, dass der Wärmewiderstand der Verbindung zwischen Solarzelle und dem Trägerkörper bzw. einem Kühlkörper signifikant reduziert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Trägerkörper aus einem keramischen Werkstoff mit versinterten Metallisierungsbereichen besteht, auf dem Trägerkörper zumindest eine Solarzelle aufgelötet oder aufgesintert und mit den Metallisierungsbereichen elektrisch verbunden ist und der Trägerkörper keramische Kühlelemente aufweist. Hierdurch wird der Wärmewiderstand signifikant verbessert, die Solarzellen werden ausreichend gekühlt, der Wirkungsgrad verbessert und die Lebensdauer verlängert. Trägerkörper aus einem keramischen Werkstoff mit versinterten Metallisierungsbereichen führen entstehende Wärme schnell ab und verteilen diese im Trägerkörper. Die Kühlelemente des Trägerkörpers führen letztendlich die Wärme an die Umgebung ab. ln einer Ausführungsform kann der Trägerkörper eine dreidimensionale Struktur als Kühlelemente haben, welche eine möglichst große Oberfläche erzeugen, wie Finnen zur Luftkühlung oder die Kühlelemente sind geschlossene innere Kanäle oder Kammern mit Versorgungsanschlüsse für von außen zugeführte Kühlung mit Gas oder Flüssigkeit. Vorteilhaft haben die inneren Kanäle und Kammern eine größt mögliche Oberfläche. Es kann so entweder eine Kühlung mit einem Gas, insbesondere eine Luftkühlung, oder eine Kühlung mit Flüssigkeiten erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Trägerkörper plattenförmig ausgebildet und weist damit eine Oberseite, eine Unterseite und Seitenflächen auf, wobei versinterte Metallisierungsbereiche sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite angeordnet und über versinterte Metallisierungsbereiche auf den Seitenflächen und an den Ecken elektrisch verbunden sind. Alternativ kann die Verbindung der Metallisierung von der Ober- zur Unterseite auch durch eine oder mehrere Durchkontaktirungen (Vias) erfolgen. Dabei sind bevorzugt auf einer der Ober- und Unterseiten eine oder mehrere Solarzellen und auf der jeweiligen anderen Ober- und Unterseite elektrische oder elektronische Steuerelemente für die zumindest eine Solarzelle auf den Metallisierungen aufgelötet. Diese Trennung der Solarzellen von den elektrischen oder elektronischen Steuerelementen hat den Vorteil, dass die elektrischen oder elektronischen Steuerelemente von der Wärme der Solarzellen entkoppelt sind, d.h. keiner erhöhten Wärmebelastung ausgesetzt sind.
Der keramische Werkstoff ist bevorzugt AI2O3, MgO, SiO2, Mischoxidkeramiken, oder Nitridkeramiken wie beispielsweise AIN, Si3N4.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper mit inneren Kanälen oder Kammern hergestellt wird und eine Kühleinheit bildet und im Sieb-, Tampon- oder Schablonendruckverfahren mit AgPt-Paste bedruckt und eingebrannt wird und anschließend eine Solarzelle auf ihrer Rückseite galvanisch mit Ag beschichtet und anschließend Kühleinheit und Solarzelle durch beispielsweise eine dazwischen gelegte Lotfolie verbunden werden.
Ein anderes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper mit inneren Kanälen oder Kammern hergestellt wird und eine Kühleinheit bildet und im Sieb-, Tampon- oder Schablonendruckverfahren mit AgPt-Paste bedruckt und eingebrannt wird und eine Solarzelle entfettet wird und eine Paste mit feinsten Silberpartikeln im Siebdruckverfahren auf die Kühleinheit gedruckt wird und anschließend die Solarzelle aufgelegt und ein fester metallischer Verbund hergestellt wird.
Solarzellen werden auf die versinterten Metallisierungsbereiche des keramischen Trägerkörpers aufgelötet oder aufgesintert. Die mit dem Trägerkörper verbundenen Kühlkörper können einfache keramische Substrate sein, sie können eine dreidimensionale Struktur (beispielsweise Finnen) besitzen oder sie können auch geschlossene Kanäle oder Kammern (mit Versorgungsanschlüssen) nach außen haben. Die Kühlung selber kann durch ein Gas oder mit einer Flüssigkeit erfolgen.
Metallisierungen können gefüllte und gehärtete Lacke sein, die üblichen Dickfilmmetallisierungen wie Wolfram, Molybdän, Silber, Silber- Palladium, Silber-Platin usw. , aber auch AMB oder DCB-Verbundkörper.
Die Kühlkörper können aus den üblichen Keramiken wie AI2O3 , MgO, SiO2, Mischoxidkeramiken, oder Nitridkeramiken wie beispielsweise AIN, Si3N4 hergestellt sein. Die Formgebung kann durch Foliengießen, Strangpressen, Trockenpressen, Spritzgießen, Heissgießen, Druckgießen, additive oder generative Formgebung (3D-Druck) direkt oder durch mechanische Barbeitung von Blankets aus keramischen Werkstoffen oder aus ungesinterten Formkörpern (Grünlinge), die nachträglich gesintert werden, in die benötigte Form gebracht werden.
Beispiel A:
Eine Kühleinheit aus AIN wird im Siebdruckverfahren mit AgPt-Paste bedruckt und eingebrannt. Eine Solarzelle wird auf der Rückseite galvanisch mit Ag beschichtet. Bei ca. 265°C werden Kühleinheit und Solarzelle durch eine dazwischen gelegte Lotfolie verbunden.
Beispiel B:
Eine Kühleinheit aus AIN wird im Siebdruckverfahren mit AgPt - Paste bedruckt und bei ca. 860°C eingebrannt. Eine Solarzelle wird entfettet. Dann wird eine Paste mit feinsten Silberpartikeln im Siebdruckverfahren auf die Kühleinheit gedruckt. Die Solarzelle wird aufgelegt und bei ca. 400°C unter Luftzutritt wird ein fester metallischer Verbund hergestellt.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Trägerkörpers 1 aus einem keramischen Werkstoff. Der Trägerkörper 1 weist eine Oberseite 5, eine Unterseite 6 und Seitenflächen 7 auf. Mit dem Bezugszeichen 3 sind mit dem Trägerkörper 1 versinterte Metallisierungsbereiche bezeichnet, die eine Platine bilden. In der hier gezeigten Ausführungsform sind diese Metallisierungsbereiche 3 auf der Oberseite 5 als als auch auf der Unterseite 6 und den Seitenflächen 7 und den Ecken 8 angeordnet. Solarzellen 2 sind nur auf der Oberseite 5 angeordnet. Auf der Unterseite 6 befinden sich deren Steuerelemente 9. Figur 1 ist nicht maßstabsgetreu. Im Trägerkörper 1 , der hier zugleich auch das Kühlelement ist, sind hier nicht gezeigte Kühlkanäle angeordnet, die mit den Versorgungsanschlüssen 4 verbunden sind. Über diese Versorgungsanschlüsse 4 wird Kühlflüssigkeit in den Trägerkörper 1 geleitet, welches den Trägerkörper kühlt. Auf die Metallisierungsbereiche 3 sind hier nur auf der Oberseite 5 Solarzellen 2 aufgelötet.

Claims

Ansprüche
1 . Trägerkörper (1 ) für Solarzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (1 ) aus einem keramischen Werkstoff mit versinterten Metallisierungsbereichen (3) besteht, auf dem Trägerkörper (1 ) zumindest eine Solarzelle (2) aufgelötet oder aufgesintert und mit den Metallisierungsbereichen (3) elektrisch verbunden ist und der Trägerkörper (1 ) keramische Kühlelemente aufweist.
2. Trägerkörper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (1 ) eine dreidimensionale Struktur als Kühlelemente, wie Finnen zur Luftkühlung aufweist oder geschlossene innere Kanäle oder Kammern mit Versorgungsanschlüssen (4) nach außen für ein Gas oder eine Kühlflüssigkeit aufweist.
3. Trägerkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper plattenförmig ausgebildet ist, eine Oberseite (5), eine Unterseite (6) und Seitenflächen (7) aufweist und versinterte Metallisierungsbereiche (3) sowohl auf der Oberseite (5) als auch auf der Unterseite (6) angeordnet und über versinterte Metallisierungsbereiche (3) auf den Seitenflächen (7) und an den Ecken (8) oder durch Durchkontaktierung (Vias) elektrisch verbunden sind.
4. Trägerkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Ober- und Unterseiten (5, 6) eine oder mehrere Solarzellen (2) und auf der jeweiligen anderen Ober- und Unterseite (5, 6) elektrische oder elektronische Steuerelemente (9) für die zumindest eine Solarzelle (2) auf den Metallisierungsbereichen (3) aufgelötet sind.
5. Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff AI2O3, MgO, SiO2, Mischoxidkeramiken, oder Nitridkeramiken wie beispielsweise AIN, Si3N4 ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (1 ) mit inneren Kanälen oder Kammern aus Keramik hergestellt wird und eine Kühleinheit bildet und im Druckverfahren (z. B. Sieb-, Tampon- oder Schablonendruckverfahren) mit AgPt-Paste bedruckt und eingebrannt wird und anschließend eine Solarzelle (2) auf ihrer Rückseite galvanisch mit Ag beschichtet und Kühleinheit und Solarzelle (2) durch eine dazwischen gelegte Lotfolie verbunden werden.
7. Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (1 ) mit inneren Kanälen oder Kammern aus Keramik hergestellt wird und eine Kühleinheit bildet und im Druckverfahren (Sieb-, Tampon- oder Schablonendruckverfahren) mit AgPt-Paste bedruckt und eingebrannt wird und eine Solarzelle entfettet wird und eine Paste mit feinsten Silberpartikeln im Siebdruckverfahren auf die Kühleinheit gedruckt wird und anschließend die Solarzelle (2) aufgelegt und ein fester metallischer Verbund hergestellt wird.
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