EP4150677A1 - Photovoltaikbauteil - Google Patents

Photovoltaikbauteil

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Publication number
EP4150677A1
EP4150677A1 EP20734162.9A EP20734162A EP4150677A1 EP 4150677 A1 EP4150677 A1 EP 4150677A1 EP 20734162 A EP20734162 A EP 20734162A EP 4150677 A1 EP4150677 A1 EP 4150677A1
Authority
EP
European Patent Office
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photovoltaic
photovoltaic component
energy
pane
housing
Prior art date
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Pending
Application number
EP20734162.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Schibli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Foxled1 Ag
Original Assignee
Foxled1 Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Foxled1 Ag filed Critical Foxled1 Ag
Publication of EP4150677A1 publication Critical patent/EP4150677A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic component for buildings, boats, ships, construction vehicles, agricultural vehicles, trains, aircraft and other applications with the exception of automobiles.
  • the invention relates to devices with a photovoltaic component.
  • Photovoltaics is the conversion of light energy, mostly from sunlight, into electrical energy using solar cells or photovoltaic cells. Concentrator photovoltaics use lenses and / or reflectors to concentrate sunlight on photovoltaic cells. This enables the cell size to be reduced. The energy conversion is usually carried out by a special high-performance solar cell, in particular by means of highly efficient multi-junction solar cells made of, for example, III-V semiconductor materials.
  • Concentrator photovoltaic systems are categorized according to the amount of their solar concentration, measured in "suns". A distinction is made here between low-concentration systems, systems with medium concentration and highly concentrated systems.
  • Highly concentrated systems use more complex optical systems. These can, for example, consist of a Fresnel lens as primary optics and a reflector as secondary optics.
  • solar mats are also known, which can be flexibly attached to various surfaces of buildings or devices.
  • Such solar mats e.g. based on cadmium telluride or CIGS, have a limited degree of effectiveness.
  • a further object of embodiments of the present invention is to create a photovoltaic component which improves the utilization of solar energy in buildings, boats, ships,
  • Construction vehicles, agricultural vehicles, trains, airplanes and other applications outside of the automotive sector made light possible, and this in particular in a cost-effective and effi cient manner and with an advantageous degree of efficiency.
  • a first aspect of the invention relates to a photovoltaic component according to claim 1.
  • the photovoltaic component has an outer pane and an inner pane.
  • An energy-generating layer with a plurality of concentrator photovoltaic modules is arranged between the outer pane and the inner pane.
  • the concentrator photovoltaic modules have at least one condenser lens as primary optics and a photovoltaic chip.
  • the photovoltaic chip is integrated in a surface-mountable housing.
  • the surface-mountable housing has at least two electrical contacts for contacting the photovoltaic chip, a transparent cover and an integrated reflector as secondary optics.
  • Such a photovoltaic component can be manufactured in an efficient and reliable manner.
  • a long service life and reliability of the energy-generating layer can be achieved.
  • photovoltaic modules with concentrator are integrated into the photovoltaic component. This enables a high degree of efficiency, especially in comparison to solar foils made of, for example, cadmium telluride.
  • Such surface mountable modules which are also referred to as SMD modules (Surface Mounted Device), can be mounted and processed in a particularly efficient and automated manner.
  • the surface mountable housing with the integrated photovoltaic chips and the integrated reflectors can be efficiently applied to the respective carrier material of the respective Application, for example on a carrier film, can be applied by means of reflow soldering.
  • the condenser lens or collector lens as the primary optics of the concentrator photovoltaic module, concentrates or collects sunlight incident through the first pane onto the transparent cover of the housing and the photovoltaic chip.
  • the reflectors integrated in the housing act as secondary optics of the concentrator photovoltaic module and operate as light collectors for the light passed on by the condenser lenses. A high degree of efficiency can thus be achieved in a manner that is efficient in terms of production technology.
  • the outer pane preferably has a high transmission.
  • the inner pane can likewise have a high transmission or a lower transmission than the outer pane.
  • the outer pane and / or the inner pane can consist of glass and thus be designed as a glass component.
  • the outer pane and / or the inner pane can consist of a plastic and thus be designed as a plastic component.
  • a pane denotes generally flat, in particular layer-shaped elements, which are in particular made transparent or partially transparent. According to embodiments of the invention, a pane can thus also be referred to as a layer, in particular as a transparent or partially transparent layer.
  • a disk can have a wide variety of geometries adapted to the respective installation position. According to embodiments, a Disc to be performed in particular rectangular or square. According to embodiments of the invention, a disk is designed in particular to be rigid or stiff.
  • the photovoltaic component has a reflection layer which is arranged under the energy-generating layer.
  • the reflective layer is configured to reflect incident sunlight through the first pane that has not yet been received by the concentrator photovoltaic modules.
  • the re flexion film can be arranged according to configurations between the energy-generating layer and the inner pane or under the inner pane or the underside of the inner pane.
  • the terms “below” or “below” and “above” or “above” refer to the sun or the incident sunlight.
  • the housing has a recess forming a receiving trough with a recessed bottom section for receiving the photovoltaic chip, the receiving trough having side walls with reflective regions that form the reflector.
  • the receiving tub has side walls with at least a first and a second reflective area, the first reflective area being oriented at a first angle with respect to a horizontal plane of the housing and the second reflective area at a second angle with respect to the horizontal plane Level of the housing is aligned. The first angle is different from the second angle.
  • a concentrator photovoltaic module designed in this way enables the two different angles of the first reflective area and the second reflective area to be selected individually and to the respective external conditions, in particular the respective orientation of the surfaces intended for installation and the respective sun exposure the areas provided for installation must be taken into account.
  • the first and second reflective areas form reflective areas which receive the sunlight via the transparent cover, reflect it and pass it on in the direction of the photovoltaic chip or concentrate it on the photovoltaic chip.
  • the at least two reflective areas of the receiving trough thus form a reflector.
  • horizontal plane of the housing relates to the base area or bottom surface of the housing and should in particular run parallel to the bottom surface of the housing.
  • the term horizontal plane of the housing should not necessarily refer to the respective installation situation of the housing. For example, if the housing is installed vertically in a building, the horizontal plane of the housing can run perpendicular to the floor of the building.
  • the angles of the different reflection areas can thus be individually adapted to the respective installation situation in the building.
  • the angles of the reflection areas can be adapted in relation to the elevation and / or the azimuth.
  • the transparent cover is preferably made of glass, in particular thin glass, such as Gorilla® glass or ultra-thin glass. According to another embodiment, the transparent cover can consist of plastic. According to preferred embodiments, the transparent or translucent cover lets the sun light pass as freely as possible into the reflector of the receiving tray and is therefore designed as a flat surface according to the embodiments. In cross section, the transparent cover is in particular rectangular, the thickness of the cover being selected to be as small as possible, for example 0.01 mm to 1 mm.
  • the transparent cover can also have a concave or convex shape and thus deflect and / or focus the sunlight.
  • the photovoltaic chip can be designed as a single or multiple solar cell, in particular as a triple solar cell (“triple junction”) or a quadruple solar cell (“quadruple junction”).
  • the photovoltaic chip is a multi-junction solar cell made of a III-V semiconductor material, for example of gallium arsenide (GaAs) or gallium antimonide (GaSb).
  • the photovoltaic chip is in particular a photovoltaic DIE, ie an unhoused piece of a semiconductor wafer, leads out.
  • the photovoltaic component has a contacting layer with conductor tracks for contacting the concentrator photovoltaic modules or the photovoltaic chip.
  • the contacting layer represents a printed circuit board or a carrier for the concentrator photovoltaic modules.
  • the contacting layer can in particular be designed as a coating on the pane or as a flexible film.
  • the concentrator photovoltaic modules and the condenser lenses are integrated in a plastic material, in particular in a transparent plastic material.
  • the energy-generating layer is integrated between the outer and the inner pane by means of an outer and an inner composite layer made of plastic.
  • the composite layer can advantageously be a
  • Plastic film in particular made of PVB or EVA, or another plastic, e.g. PU or an acrylate or another plastic resin.
  • the individual components of the photovoltaic component in particular the surface-mountable housing, the concentrator photovoltaic modules and the contact layer, are transparent or largely transparent.
  • a heat-absorbing film is arranged behind the energy-generating layer. This can, for example, reduce the heating up of the interior of the building.
  • a heat-dissipating film is arranged behind the energy-generating layer. This can also reduce heating of the interior of the building and heating of the photovoltaic component.
  • the heat-absorbing film and / or the heat-dissipating film can in particular be arranged under the inner pane or between the inner pane and the energy-generating layer.
  • the contacting layer is designed as a heat-dissipating layer or film.
  • the metallic conductor tracks in particular can be used for heat dissipation.
  • the photovoltaic component has a middle pane which is arranged between the outer and inner pane.
  • the energy-generating layer is arranged as the first energy-generating layer between the outer pane and the middle pane and a second energy-generating layer is arranged between the middle pane and the inner pane. In such an arrangement, two levels of energy-generating layers are thus provided. This allows the solar energy produced to be increased.
  • the second energy-generating layer can be arranged horizontally offset to the concentrator photovoltaic modules of the second energy-generating layer. This can further increase the solar energy produced.
  • the photovoltaic chip is arranged asymmetrically with respect to at least one vertical plane of symmetry of the housing.
  • the first and the second reflecting area lie opposite one another in relation to a first vertical plane of symmetry of the photovoltaic chip.
  • the first and second reflective areas are arranged on opposite sides of the photovoltaic chip.
  • Such an embodiment with opposing reflective surfaces with different angles enables an improved concentration of the sunlight on the photovoltaic chip, in particular in the case of sunlight which is not incident parallel to the first vertical plane of symmetry of the photovoltaic chip.
  • the first angle and the second angle differ from one another by at least 10 °, in particular by at least 20 °.
  • the first reflective area and the second reflective area are designed as a reflective coating of the receptacle.
  • such a coating can be applied to a base body of the surface-mountable housing, for example, by means of a corresponding coating process.
  • the first reflective area and the second reflective area are designed as a reflective film.
  • a reflective film for example a metal film
  • the receiving trough has side walls with a third and a fourth reflective area.
  • the third reflective area is aligned at a third angle with respect to the horizontal plane of the housing and the fourth reflective area is aligned at a fourth angle with respect to the horizontal plane of the housing.
  • the third angle is different from the fourth angle.
  • Such embodiments thus have four different reflection areas or reflection surfaces, which can each be aligned with individual and different angles with respect to the horizontal plane of the housing.
  • photovoltaic components can be manufactured both for vertical installation surfaces, e.g. for vertical windows, and thus installation surfaces that are unfavorable for solar radiation, as well as for almost horizontally arranged installation surfaces, e.g. for roof surfaces.
  • the third angle and the fourth angle are different by at least 10 °, in particular by at least 20 °.
  • the first angle, the second angle, and the third angle lie and the fourth angle in a range between 0 ° and 90 °.
  • the first angle can be in a range between 45 ° and 90 °, in particular in a range between 60 ° and 75 ° and the second angle in a range between 0 ° and 45 °, in particular in a range between 10 ° and 35 °.
  • Such angles can be particularly advantageous for vertical installation situations.
  • the housing is protected against solid foreign bodies and against liquids.
  • the housing has a scope of protection in accordance with the International Protection (IP code) against solid foreign bodies of at least 5 and a scope of protection against liquids of at least 5.
  • IP code International Protection
  • a housing protected in this way ensures reliable and long-lasting operation even under adverse environmental conditions.
  • the housing can in particular be protected in accordance with IP protection classes 65 to 68.
  • the first reflective area, the second reflective area, the third reflective area and / or the fourth reflective area are each designed as a concave surface.
  • the concentration effect of the reflective areas for the light or the solar radiation can be increased.
  • the first reflective area, the second reflective area, the third reflective area and / or the fourth reflective area are each designed as a flat surface.
  • the housing has an integrated bypass diode, in particular a Schottky diode.
  • the bypass diode can in particular be integrated into the base body, which can in particular consist of plastic.
  • Such an integration of the bypass diode in each individual housing achieves a particularly high level of reliability. If a photovoltaic chip is defective or not fully functional, the current can be diverted via the bypass diode and the functionality of the overall system is not or barely impaired.
  • Another aspect of the invention relates to a building or a device with one or more photovoltaic components according to one of the preceding claims.
  • the device can in particular be a boat, a ship, a construction vehicle, an agricultural vehicle, a train, a container or an airplane.
  • Another aspect of the invention relates to the use of a photovoltaic component according to the above embodiments for installation or attachment in or on a building, a boat, a ship, a construction vehicle, an agricultural vehicle, a train, a container, an aircraft and others Devices other than automobiles.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of an energy-generating photovoltaic component according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of an energy-generating photovoltaic component according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of an energy-generating photovoltaic component according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of an energy-generating photovoltaic component according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 5 is a cross sectional view of a con- zentrator photovoltaic module according to one embodiment of the invention ⁇ ;
  • FIG. 6a shows a cross-sectional view of a concentrator photovoltaic module in an x-z plane
  • FIG. 6b shows a cross-sectional view of the concentrator photovoltaic module 20 in a y-z plane
  • FIG. 6c shows a plan view of the concentrator photovoltaic module in the x-y plane
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of a concentrator photovoltaic module with electrical contacts
  • 8a shows a photovoltaic component for a predominantly horizontal installation in a device
  • FIG. 9 a top view of a photovoltaic
  • FIG. 10 a lens array according to an embodiment of the invention with a plurality of condenser lenses arranged in a plane;
  • FIG. 11 shows a side view of a building with photovoltaic components
  • FIG. 12 shows a top view of the building of FIG. 11;
  • FIG. Figure 13 shows a side view of a house with a flat roof
  • 14 shows an aircraft with several photovoltaic components integrated into the outer skin of the aircraft
  • 15 shows a ship with several photovoltaic components arranged on the surface of the ship.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of an energy-generating photovoltaic component 10 in an x-z plane according to an embodiment of the invention.
  • the energy-generating photovoltaic component 10 has an outer pane 11 and an inner pane 12.
  • the outer pane 11 and the inner pane 12 can be made of glass or plastic according to embodiments.
  • the outer pane 11 preferably has a high transmission in the desired wavelength range and can in particular be designed as a clear glass pane or as a non-colored plastic pane.
  • the inner disk 12 can also be designed with high transmission.
  • the inner pane 12 can have a lower transmission than the outer pane 11.
  • the inner pane 12 can be designed as tinted glass or colored plastic.
  • the outer disk 11 and the inner disk 12 can be made from
  • Glass such as soda-lime silicate glass, borosilicate glass, Alumosilicate glass or plastic, such as polycarbonate or PMMA, are made.
  • the outer pane 11 and the inner pane 12 can have different thicknesses, and the outer glass pane 11 and the inner glass pane 12 can be designed with or without thermal or chemical pretensioning.
  • both the first pane and the second pane can consist of glass.
  • the first pane can be made from glass and the second pane can be made from
  • the second pane can consist of glass and the first pane of plastic.
  • both the first disk and the second disk can be made of plastic.
  • the energy-generating layer 15 is provided between the outer pane 11 and the inner pane 12.
  • the energy-generating layer 15 has a plurality of concentrator photovoltaic modules 20.
  • the concentrator photovoltaic modules 20 each have a condenser lens or converging lens 21 and a photovoltaic chip 22 which is integrated in a surface-mountable housing 30.
  • the condenser lens 21 is configured to focus the incident sunlight and guide it onto the photovoltaic chip 30 or a transparent cover of the housing 30.
  • the condenser lens 21 functions as the primary optics of the concentrator photovoltaic module 20.
  • a reflector 23 integrated into the housing 30 functions as a light collector or collector and collects the light incident on the transparent cover of the housing 30. Such a two-stage optics can significantly increase the efficiency of the photovoltaic chips 22.
  • the energy generating layer 15 includes a
  • the contacting layer 14 can be used, for example, as a printed circuit board, be designed in particular as a flexible printed circuit board and in particular as a flexible and transparent film.
  • the contacting film 14 can be designed as a heat-dissipating film.
  • the surface-mountable housings 30 can be arranged on the contacting layer 14 by means of soldering, in particular by means of reflow soldering, and are electrically connected to the photovoltaic chips 22.
  • the energy-generating layer 15 or the spaces 15z of the energy-generating layer 15 can be filled with transparent plastic. According to other embodiments of the invention, the energy-generating layer 15 or the spaces 15z of the energy-generating layer
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of an energy-generating photovoltaic component 10 in an x-z plane according to a further embodiment of the invention.
  • the photovoltaic component 10 largely corresponds to the photovoltaic component 10 of FIG. 1.
  • the photovoltaic component 10 has a reflective layer
  • the reflective layer 16 is configured to reflect the sunlight falling through the first pane 11 which has not yet been received by the concentrator photovoltaic modules 20 and converted into electrical energy. The sun light reflected in this way can then still be received by the concentrator photovoltaic modules 20 through further reflections or scattering, for example through a reflection or scattering on the outer pane 11. This can affect the further increase efficiency.
  • the reflective layer 16 can also be arranged between the inner pane 12 and the energy-generating layer 15.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view in an x-z plane of an energy-generating photovoltaic component 10 according to a further embodiment of the invention.
  • the photovoltaic component 10 largely corresponds to the photovoltaic component 10 of FIG. 2.
  • the energy-generating layer 15 is integrated between the outer pane 11 and the inner pane 12 by means of an outer composite layer 17a and an inner composite layer 17b.
  • the composite layers 17a, 17b can in particular be designed as lamination foils and consist of plastic, for example PVB or EVA. Such composite layers facilitate the manufacture of the energy-generating photovoltaic component.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of an energy-generating photovoltaic component 10 according to a further embodiment of the invention.
  • the photovoltaic component 10 initially has the in FIG. 1, namely an outer pane 11, an inner pane 12, an energy-generating layer and a contacting layer 14.
  • the photovoltaic component 10 has a central pane 13 which is arranged between the outer pane 11 and the inner pane 12.
  • the photovoltaic component 10 has two energy-generating layers, namely a first energy-generating layer 15a between the outer pane 11 and the middle pane 13 and a second energy-generating layer 15b between the middle pane 13 and the inner pane 12.
  • the energy-generating layer 15a as well as the energy-generating layer 15b have a plurality of concentrator photovoltaic modules 20.
  • the concentrator photovoltaic modules 20 of the layer 15a are arranged horizontally offset from the concentrator photovoltaic modules 20 of the layer 15b.
  • the concentrator photovoltaic modules 20 of the lower, second energy-generating layer 15b are arranged in the horizontal spaces between the upper, first energy-generating layer 15a. This makes it possible to collect sunlight that was not received by the concentrator photovoltaic modules 20 of the first layer 15a by means of the concentrator photovoltaic modules 20 of the second layer 15b arranged below. This can also increase the efficiency.
  • the photovoltaic components 10 can also have further layers, in particular films.
  • a heat-absorbing film or a heat-dissipating film can be arranged behind or under the energy-generating layer 15.
  • the reflective layer 16 can be replaced by a heat-absorbing film or a heat-dissipating film, or a heat-absorbing or heat-dissipating film can also be provided.
  • the films can be made transparent or partially transparent and applied as a lamination film.
  • the photovoltaic components 10 can be provided with a scratch protection coating in the case of plastic and / or a low-E coating in the case of glass.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a concentrator photovoltaic module 20 in an xz plane according to one embodiment of the invention.
  • the photovoltaic chip 22 is arranged symmetrically with respect to a vertical plane of symmetry 39 a of the housing 30.
  • the concentrator photovoltaic module 20 has a lens 21 designed as a condenser lens or collecting lens as primary optics for focusing the sun's light.
  • the lens 21 is arranged at a predefined stand dl from the housing 30.
  • the height of the Ge housing 30 is denoted by d2.
  • the housing 30 comprises a base body 31.
  • the base body 31 can in particular be made of plastic and manufactured, for example, by means of an injection molding process.
  • the housing 30 or the base body 31 has a recess 32.
  • the recess 32 forms or forms a receiving trough 33 with a ver deepened bottom portion 34 for receiving the photovoltaic chip 22.
  • the photovoltaic chip 22 is designed according to preferred embodiments of the invention as a multi-junction solar cell, but can form according to other embodiments Invention can also be designed as a single junction solar cell.
  • a photovoltaic chip is understood to mean, in particular, a photovoltaic DIE, i.e. an unhoused piece of a semiconductor wafer with a multi-junction or single-junction solar cell.
  • the concentrator photovoltaic module 20 has at least two electrical contacts for contacting the photovoltaic chip 22, which in FIG. 5 are not shown to simplify the illustration.
  • the concentrator photovoltaic module 20 also has a transparent cover 36 which closes the housing 30 and in particular the recess 32, in particular closes it in a watertight and dustproof manner.
  • the transparent cover 36 consists of glass, in particular thin glass or ultra-thin glass.
  • the housing 30 is preferably protected against solid foreign bodies and liquids by means of the transparent cover 36.
  • the housing 36 can in particular be designed in accordance with IP protection class 66.
  • the housing 36 has a scope of protection in accordance with the International Protection (IP code) against solid foreign bodies of at least 4 and a scope of protection against liquids of at least 4.
  • IP code International Protection
  • the transparent cover 36 can be attached to the housing 30, in particular special to the base body 31, for example by means of ultrasonic welding.
  • the receiving trough 33 has side walls with reflective areas 35a and 35b.
  • the receiving trough 33 forms a reflector 23 by means of the reflective areas.
  • the reflector 23 represents a secondary optical system of the concentrator photovoltaic module 20 and is configured to function as a light collector or optical homogenizer. According to embodiments, the reflector 23 can be designed as a conical cylinder or as a conical parallelepiped.
  • FIG. 6a shows a cross-sectional view of a concentrator photovoltaic module 20 in an x-z plane according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 6b shows a cross-sectional view of the concentrator photovoltaic module 20 in a y-z plane which runs perpendicular to the x-z plane.
  • FIG. 6c shows a top view of the concentrator photovoltaic module 20 in the x-y plane.
  • the concentrator photovoltaic module 20 is similar to that in FIG. 5 module shown builds up and accordingly has a housing 30 with a Base body 31 and a recess 32 on which a receiving trough 33 with a recessed bottom portion 34 for receiving the photovoltaic chip 22 forms.
  • the receptacle 33 has side walls with a first reflective area 35a, a second reflective area 35b, a third reflective area 35c and a fourth reflective area 35d.
  • the first reflecting portion 35a is in egg ⁇ nem cp1 first angle relative to a horizontal xy plane 38 of the housing is aligned 30th
  • the second re ⁇ inflected portion 35b is at a second angle cp2 of the housing 30 is oriented relative to the horizontal plane xy 38th
  • the third reflective area 35c is oriented at a third angle cp3 with respect to the horizontal xy plane 38 of the housing 10.
  • the fourth reflective area 35d is oriented at a fourth angle cp4 with respect to the horizontal xy plane 38 of the housing.
  • the first angle to the second angle cp2 cp1 while the third angle and the fourth angle cp3 cp4 in that game ⁇ equal or approximately equal are un differently.
  • the third angle cp3 and the fourth angle cp4 can also be of different sizes.
  • the first reflective Be ⁇ rich 35a and the second reflecting portion 35b are in relation to the photovoltaic chip 22 opposite, and in particular with respect to a in FIG. lc first ver ⁇ Tikale plane of symmetry 22c of the photovoltaic shown chips 22nd
  • the first angle is cpl about 65 ° and the second angle cp2 un ⁇ dangerous 35 °.
  • the angles cpl, cp2, cp3 and cp4 are in a range between 0 ° and 90 °.
  • the first angle cpl lies in a range between 45 ° and 90 °, in particular in a range between 60 ° and 75 ° and is therefore relatively steep
  • the second angle cp2 lies in a range between 0 ° and 45 ° °, in particular in a range between 10 ° and 35 °, and is therefore relatively flat.
  • Such an embodiment is for example advantageous for photovoltaic modules which are intended for a perpendicular ⁇ right mounting.
  • the first reflecting portion 35a, the second reflecting Be ⁇ rich 35b, the third reflecting portion 35c and the fourth reflecting portion 35d are applied as a coating on the base body 31 of the receptacle 33rd
  • the second reflec ⁇ Rende portion 35b, the third reflecting portion 35c and the fourth reflecting portion 35d are formed as reflec ⁇ Rende film which, for example, pan by means of gluing or other methods to the base body 31 of the recording 33 can be applied.
  • the reflective areas 35a, 35b, 35c and 35d are each designed as flat surfaces, in particular as trapezoidal surfaces.
  • the reflective areas 35a, 35b, 35c and 35d can also have other shapes, in particular special concave shapes and convex shapes.
  • One such configuration module enables the angular CP1, CP2, CP3 and CP4 of the reflective Be rich 35a 35b to choose 35c and 35d individually and un ⁇ differently and to the respective alignment of the modules to the designated for installation surfaces and the resulting to take into account the corresponding sun exposure of the modules with regard to the elevation and / or the azimuth.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of a concentrator photovoltaic module 20 in an xz plane according to an embodiment of the invention.
  • the electrical connections of the module is closer Darge ⁇ .
  • the concentrator photovoltaic module 20 has a first electrical contact 22a and a second electrical contact 22b.
  • the electrical contacts 22a, 22b of the housing 30 are arranged on opposite sides and det as so-called Leads usedbil ⁇ which are embedded in the base body 31 is made of plastic ⁇ .
  • the photovoltaic chip 22 is electrically connected to the leads of the electrical contacts 22a and 22b by means of wire bonding.
  • the module 20 is thus designed as a surface-mountable module using SMD technology (Surface Mount Technology).
  • the module 20 also has a bypass diode 45 integrated into the housing 30, which can in particular be designed as a Schottky diode.
  • the bypass diode is connected in parallel to the photovoltaic chip 22 and accordingly on the one hand with the electrical contact 22a and on the other hand with the electrical contact 22b connected, also in accordance with embodiments by means of wire bonding.
  • the photovoltaic chip 22 can be electrically contacted, for example, with conductor tracks of the contacting layer 14 by means of soldering.
  • Figures 8a to 8c show different installation situations of photovoltaic components 10 and the surface-mountable housings integrated therein.
  • the angles cp1 and cp2 relate to the angle of the reflective surfaces of the reflectors integrated in the housing 30.
  • the position of the sun 50 is shown in an exemplary manner in FIGS. 8a to 8c, e.g. at midday.
  • FIGS. 8a to 8c the course of the reflective surfaces of the reflectors 23 are shown in FIGS. 8a to 8c in an exemplary manner by means of dashed lines.
  • Fig. 8a shows a photovoltaic component 10 which is intended for a predominantly horizontal installation in a building or a device, e.g. as a horizontal roof photovoltaic component.
  • Fig. 8b shows a photovoltaic component 10, which is intended for inclined installation positions, for example between 20 ° and 80 °, e.g. for pitched roofs.
  • FIG. 8c shows a photovoltaic component 10 which is provided for a predominantly vertical installation in a building or a device.
  • the first angle cp1 and the second angle cp2 can each be individually adapted to the respective installation situation in order to optimize the light capture of the reflector for the respective installation situation. While the first angle cp1 and the second angle cp2 are preferably chosen to be equal in the case of a horizontal installation, the first angle is the same for an inclined and a vertical installation situation Angle cp1 and the second angle cp2 are preferably selected differently in order to increase the light capture in relation to the elevation of the solar radiation.
  • FIG. 9 shows a top view of a photovoltaic chip array 900.
  • the photovoltaic chip array 900 has a plurality of SMD housings 30 with integrated photovoltaic chips and reflectors, which are mounted on a printed circuit board or contact layer 14 in the form of a film as surface-mounted components are soldered on.
  • FIG. 10 shows a lens array 1000 according to an embodiment of the invention with a large number of condenser lenses 21 arranged flatly in one plane.
  • the lens array 1300 can be prefabricated from transparent plastic, for example by means of injection molding.
  • the individual NEN condenser lenses 21 are verbun with thin webs 21a.
  • the lens array prefabricated in this way can, according to one embodiment, be attached to the underside of the outer pane 11, for example by gluing.
  • the prefabricated lens array 1100 can first be attached to the photovoltaic chip array 1200 and then attached between the panes.
  • FIG. 11 shows a side view of a building or house 1100.
  • the building 1100 has a photovoltaic component 1110 on a sloping roof 1101 and a photovoltaic component 1111 on a vertical side wall 1102, which can be configured like the photovoltaic components 10 described above.
  • FIG. 12 shows a top view of the building 1100. It can be seen here that the building 1100 has a further photovoltaic component 1112 on the rear wall 1103 in addition to the photovoltaic component 1110 and the photovoltaic component 1111.
  • the photovoltaic components 1110, 1111 and 1112 can in particular as in the plan view of FIG. 9 is made ⁇ be formed.
  • the position of the sun 1120 is shown in an exemplary manner in FIGS. 11 and 12, for example at noon.
  • first angle cp1 and the second angle cp2 of the individual photovoltaic components 1110 and 1111 are shown in an exemplary manner by means of dashed lines in FIG.
  • angles cp1, cp2, cp3 and cp4 relate again to the angles of the reflection surfaces of the reflectors of the concentrator photovoltaic modules of the individual photovoltaic components integrated into the housing 30.
  • the individual photovoltaic components 1110, 1111 and 1112 each have different combinations of the individual angles cp1, cp2, cp3 and cp4. This makes it possible to take into account the respective installation situation of the systems 1110, 1111 and 1112 and to optimally adapt the angles cp1, cp2, cp3 and cp4 to the position of the sun or the course of the sun in order to achieve a maximum concentration effect or reinforcement of the reflector.
  • the first angle and the second angle CP1 CP2 are in accordance with embodiments of the invention in particular chosen so that they take into account the respective installation situation opti ⁇ times with respect to the elevation of the sun.
  • the third angle cp3 and the fourth angle cp4 are in particular according to embodiments of the invention chosen so that they optimally take into account the respective installation situation with regard to the azimuth of the sun. So is in FIG. 12 also shows the orientation of the house in relation to the cardinal points.
  • the house wall 1102 has, for example, a south-east exposure and the rear wall 1103 a south-west exposure.
  • FIG. Figure 13 shows a side view of a house
  • 1301 is a photovoltaic component 1310 and a photovoltaic component 1311 is attached to a vertical side wall 1302.
  • the first angle cp1 and the second angle cp2 of the photovoltaic component 1310 are selected differently than the first angle cp1 and the second angle cp2 of the photovoltaic component 1110 of the in FIG. 11, in order to improve the reflector effect of the photovoltaic components.
  • the photovoltaic components 10 can be used as energy-generating glass or plastic components for roof systems, flat roofs, industrial roofs, house roofs, facades, facade constructions and / or as single or multi-pane insulating glass.
  • 14 shows an aircraft 1400 with several photovoltaic components (10) integrated into the outer skin of the aircraft 1400.
  • the photovoltaic components (10) can also be integrated or built on in construction vehicles, agricultural vehicles, trains or containers.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikbauteil (10) für Anwendungen ausserhalb des Automobilbereichs, insbesondere für Gebäude, Container, Boote, Schiffe, Baufahrzeuge, Agrarfahrzeuge, Züge und Flugzeuge. Das Photovoltaikbauteil weist eine äussere Scheibe (11) und eine innere Scheibe (12). Zwischen der äusseren Scheibe (11) und der inneren Scheibe (12) ist eine energieerzeugende Schicht (15) mit einer Mehrzahl von Konzentrator-Photovoltaikmodulen (20) angeordnet ist, wobei die Konzentrator-Photovoltaik-Module (20) eine Kondensorlinse (21) als primäre Optik und einen Photovoltaik-Chip (22) aufweisen, der in ein oberflächenmontierbares Gehäuse (30) integriert ist. Das oberflächenmontierbare Gehäuse (30) weist wenigstens zwei elektrische Kontakte (22a, 22b) zur Kontaktierung des Photovoltaik-Chips (22), eine transparente Abdeckung (36) und einen integrierten 20 Reflektor (23) als sekundäre Optik auf.

Description

Photovoltaikbauteil
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikbau- teil für Gebäude, Boote, Schiffe, Baufahrzeuge, Agrar fahrzeuge, Züge, Flugzeuge und andere Anwendungen mit Ausnahme von Automobilen. Die Erfindung betrifft ausser dem Gebäude und Vorrichtungen mit einem Photovoltaikbau- teil.
Hintergrund
Photovoltaik ist die Umwandlung von Lich tenergie, meist aus Sonnenlicht, in elektrische Energie mittels Solarzellen bzw. Photovoltaikzellen. Die Konzentrator-Photovoltaik verwendet Lin sen und/oder Reflektoren, um das Sonnenlicht auf Photo- voltaikzellen zu konzentrieren. Dies ermöglicht eine Verringerung der Zellgröße. Die Energieumwandlung wird in der Regel von einer speziellen Hochleistungs-Solarzelle durchgeführt, insbesondere mittels hocheffizienten Mehr fach (Multi-Junction) Solarzellen aus beispielsweise III- V Halbleitermaterialien.
Konzentrator-Photovoltaik Systeme werden nach der Menge ihrer Sonnenkonzentration kategorisiert, gemes- sen in "Sonnen". Dabei unterscheidet man niedrigkon zentrierte Systeme, Systeme mit mittlerer Konzentration und hochkonzentrierte Systeme.
Eine steigende Konzentration erhöht in der Regel auch die Komplexität des Systems. Insbesondere steigen die Anforderungen an die Kühlung und die Optik.
Niedrigkonzentrierte Systeme verfügen oft über einen einfachen Booster-Reflektor, der die solare elektrische Leistung aber teilweise bereits um mehr als 30% gegenüber Nicht-Konzentrator-Systemen erhöhen kann.
Hochkonzentrierte Systeme dagegen verwenden komplexere optische Systeme. Diese können z.B. aus einer Fresnel-Linse als primäre Optik und einem Reflektor als sekundäre Optik bestehen.
Für flächige Anwendungen sind zudem Solarmat ten bekannt, welche sich flexibel an diversen Flächen von Gebäuden oder Vorrichtungen anbringen lassen. Solche So- larmatten, z.B. basierend auf Cadmiumtellurid oder CIGS haben allerdings einen begrenzten Wirkungsgrad.
Insgesamt bleibt es eine Herausforderung, Photovoltaik-Systeme, insbesondere Konzentrator-Photovol- taik Systeme, in effizienter Weise und mit hohem Wir- kungsgrad in Gebäude oder Vorrichtungen zu integrieren und eine hohe Solarleistung zu generieren.
Darstellung der Erfindung Es ist daher eine Aufgabe von Ausführungsfor men der vorliegenden Erfindung, ein Photovoltaikbauteil für Gebäude, Boote, Schiffe, Baufahrzeuge, Agrarfahr zeuge, Züge, Flugzeuge und andere Anwendungen ausserhalb des Automobilbereichs zu schaffen, welche Nachteile des Bekannten vermeidet.
Eine weitere Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Photovolta ikbauteil zu schaffen, welches eine verbesserte Ausnut- zung der Sonnenenergie in Gebäuden, Booten, Schiffen,
Baufahrzeugen, Agrarfahrzeugen, Zügen, Flugzeugen und an deren Anwendungen ausserhalb des Automobilbereichs ermög licht, und dies insbesondere in kostengünstiger und effi zienter Weise sowie mit vorteilhaftem Wirkungsgrad.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Photovoltaikbauteil gemäss Anspruch 1. Demgemäss weist das Photovoltaikbauteil eine äussere Scheibe und eine innere Scheibe auf. Zwischen der äusseren Scheibe und der inneren Scheibe ist eine ener- gieerzeugende Schicht mit einer Mehrzahl von Konzentra- tor-Photovoltaikmodulen angeordnet. Die Konzentrator-Pho- tovoltaik-Module weisen wenigstens eine Kondensorlinse als primäre Optik und einen Photovoltaik-Chip auf. Der Photovoltaik-Chip ist in ein oberflächenmontierbares Ge- häuse integriert. Das oberflächenmontierbare Gehäuse weist wenigstens zwei elektrische Kontakte zur Kontaktie rung des Photovoltaik-Chips, eine transparente Abdeckung und einen integrierten Reflektor als sekundäre Optik auf. Ein derartiges Photovoltaikbauteil kann in effizienter und zuverlässiger Weise gefertigt werden. Zu dem kann durch die Integration der energieerzeugenden Schicht zwischen die äussere und die innere Scheibe eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit der energieerzeugen- den Schicht erzielt werden.
Gemäss Ausgestaltungen der Erfindung sind so mit Konzentrator-Photovoltaik-Module in das Photovoltaik bauteil integriert. Dies ermöglicht einen hohen Wirkungs- grad, insbesondere im Vergleich zu Solarfolien aus bei spielsweise Cadmium-Tellurid.
Die Integration des Photovoltaik-Chips in ein oberflächenmontierbares Gehäuse ermöglicht eine effizi ente (Vor)Produktion des Photovoltaik-Chips in sehr gros- sen Stückzahlen. Gleichzeitig ist in das Gehäuse des
Chips schon ein Reflektor integriert. Derartige oberflä chenmontierbare Module, welche auch als SMD-Module (Surface Mounted Device) bezeichnet werden, können in be sonders effizienter und automatisierter Weise montiert und verarbeitet werden. Insbesondere können die oberflä chenmontierbaren Gehäuse mit den integrierten Photovol taik-Chips und den integrierten Reflektoren in effizien ter Weise auf das jeweilige Trägermaterial der jeweiligen Anwendung, z.B. auf eine Trägerfolie, mittels Reflow-Lö- ten aufgebracht werden.
Im Solarbetrieb konzentriert bzw. sammelt die Kondensorlinse bzw. Sammellinse als primäre Optik des Konzentrator-Photovoltaikmoduls durch die erste Scheibe einfallendes Sonnenlicht auf die transparente Abdeckung des Gehäuses und den Photovoltaik-Chip. Die in das Ge häuse integrierten Reflektoren fungieren als sekundäre Optik des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls und operieren als Lichtsammler für das von den Kondensorlinsen weiter geleitete Licht. Somit lässt sich ein hoher Wirkungsgrad in fertigungstechnisch effizienter Weise verwirklichen.
Die äussere Scheibe weist vorzugsweise eine hohe Transmission auf. Die innere Scheibe kann gemäss Ausführungsformen ebenfalls eine hohe Transmission oder eine geringere Transmission als die äussere Scheibe auf weisen. Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung können die äussere Scheibe und/oder die innere Scheibe aus Glas bestehen und somit als Glasbauteil ausgeführt sein. Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die äussere Scheibe und/oder die innere Scheibe aus einem Kunststoff bestehen und somit als Kunststoff bauteil ausgeführt sein.
Gemäss Ausführungsformen der Erfindung werden mit einer Scheibe allgemein flächenförmige, insbesondere Schichtförmige Elemente bezeichnet, die insbesondere transparent oder teilweise transparent ausgeführt sind. Eine Scheibe kann gemäss Ausführungsformen der Erfindung somit auch als Schicht bezeichnet werden, insbesondere als transparente oder teilweise transparente Schicht. Eine Scheibe kann gemäss Ausführungsformen der Erfindung verschiedenste an die jeweilige Einbaulage angepasste Ge ometrien aufweisen. Gemäss Ausführungsformen kann eine Scheibe insbesondere rechteckförmig oder quadratisch aus geführt sein. Gemäss Ausführungsformen der Erfindung ist eine Scheibe insbesondere starr bzw. steif ausgeführt.
Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Photovoltaikbauteil eine Reflexions schicht auf, welche unter der energieerzeugenden Schicht angeordnet ist. Die Reflexionsschicht ist dazu konfigu riert, durch die erste Scheibe einfallendes Sonnenlicht, welches noch nicht von den Konzentrator-Photovoltaikmodu- len empfangen wurde, zu reflektieren.
Dadurch kann der Wirkungsgrad des Konzentra- tor-Photovoltaikmoduls weiter verbessert werden. Die Re flexionsfolie kann gemäss Ausgestaltungen zwischen der energieerzeugenden Schicht und der inneren Scheibe oder unter der inneren Scheibe bzw. der Unterseite der inneren Scheibe angeordnet werden. Hierbei beziehen sich die Be griffe «unter» bzw. «unterhalb» und «ober» bzw. «ober halb» auf die Sonne bzw. das einfallende Sonnenlicht.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausgestal tung der Erfindung weist das Gehäuse eine eine Aufnahme wanne bildende Aussparung mit einem vertieften Bodenab schnitt zur Aufnahme des Photovoltaik-Chips auf, wobei die Aufnahmewanne Seitenwände mit reflektierenden Berei chen aufweist, die den Reflektor bilden.
Gemäss einer Ausgestaltung weist die Aufnah mewanne Seitenwände mit wenigstens einem ersten und einem zweiten reflektierenden Bereich auf, wobei der erste re flektierende Bereich in einem ersten Winkel gegenüber ei ner horizontalen Ebene des Gehäuses ausgerichtet ist und der zweite reflektierende Bereich in einem zweiten Winkel gegenüber der horizontalen Ebene des Gehäuses ausgerich tet ist. Der erste Winkel ist dabei unterschiedlich zu dem zweiten Winkel. Ein derart ausgestaltetes Konzentrator-Photo- voltaik-Modul ermöglicht es, die beiden unterschiedlichen Winkel des ersten reflektierenden Bereichs und des zwei ten reflektierenden Bereichs individuell zu wählen und an die jeweiligen äusseren Gegebenheiten, insbesondere die jeweilige Ausrichtung der zum Einbau vorgesehenen Flächen und die jeweilige Sonnenexposition der zum Einbau vorge sehenen Flächen zu berücksichtigen. Der erste und der zweite reflektierende Bereich bilden reflektierende Flä chen, welche das Sonnenlicht über die transparente Abde ckung empfangen, reflektieren und in Richtung des Photo- voltaik-Chips weiterleiten bzw. es auf den Photovoltaik- Chip konzentrieren. Somit bilden die wenigstens zwei re flektierenden Bereiche der Aufnahmewanne einen Reflektor.
Es ist hierbei zu beachten, dass der Begriff horizontale Ebene des Gehäuses sich auf die Grundfläche bzw. Bodenfläche des Gehäuses bezieht und insbesondere parallel zu der Bodenfläche des Gehäuses verlaufen soll. Der Begriff horizontale Ebene des Gehäuses soll sich so mit nicht notwendigerweise auf die jeweilige Einbausitua tion des Gehäuses beziehen. So kann z.B. bei einem senk rechten Einbau des Gehäuses in einem Gebäude die horizon tale Ebene des Gehäuses senkrecht zu dem Boden des Gebäu des verlaufen.
Gemäss Ausgestaltungen der Erfindung können somit die Winkel der verschiedenen Reflexionsbereiche je weils individuell an die jeweilige Einbausituation in dem Gebäude angepasst werden. Insbesondere können die Winkel der Reflexionsbereiche in Bezug auf die Elevation und/o der den Azimut angepasst werden.
Durch die unterschiedlichen Winkel des ersten reflektierenden Bereichs und des zweiten reflektierenden Bereichs kann die Konzentrations- bzw. Reflexionswirkung und der Wirkungsgrad des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls und des Photovoltaikbauteils in einfacher, kostengünsti ger und effizienter Weise erhöht werden. Die transparente Abdeckung besteht vorzugs weise aus Glas, insbesondere aus Dünnglas, z.B. Gorilla®- Glas oder ultradünnem Glas. Gemäss einer anderen Ausfüh rungsform kann die transparente Abdeckung aus Kunststoff bestehen. Die transparente bzw. lichtdurchlässige Abde ckung lässt gemäss bevorzugten Ausführungsformen das Son nenlicht möglichst ungehindert in den Reflektor der Auf nahmewanne passieren und ist daher gemäss Ausführungsfor men als plane Fläche ausgebildet. Im Querschnitt ist die transparente Abdeckung insbesondere rechteckig, wobei die Dicke der Abdeckung möglichst klein gewählt ist, bei spielsweise 0.01 mm bis 1 mm.
Gemäss weiteren Ausführungsformen kann die transparente Abdeckung aber auch eine konkave oder kon- vexe Form aufweisen und das Sonnenlicht somit umlenken und/oder fokussieren.
Der Photovoltaik-Chip kann gemäss Ausfüh rungsformen als Einfach- oder als Mehrfachsolarzelle aus gebildet sein, insbesondere als 3-fach Solarzelle („triple-junction") oder Vierfach-Solarzelle („quadrupel- junction") . Gemäss besonders bevorzugten Ausführungsfor men ist der Photovoltaik-Chip eine Mehrfachsolarzelle aus einem III-V Halbleitermaterial, z.B. aus Galliumarsenid (GaAs) oder Galliumantimonid (GaSb). Der Photovoltaik- Chip ist insbesondere als ein photovoltaischer DIE, d.h. ein ungehäustes Stück eines Halbleiter-Wafers, ausge führt. Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausge staltung der Erfindung weist das Photovoltaikbauteil eine Kontaktierungsschicht mit Leiterbahnen zur Kontaktierung der Konzentrator-Photovoltaikmodule bzw. des Photovol- taik-Chips auf. Die Kontaktierungsschicht stellt eine Leiterplatte bzw. einen Träger für die Konzentrator-Pho- tovoltaik-Module dar. Die Kontaktierungsschicht kann ins besondere als eine Beschichtung auf der Scheibe oder als eine flexible Folie ausgebildet sein. Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Konzentrator-Photovoltaikmodule und die Kondensorlin sen in ein Kunststoffmaterial integriert, insbesondere in ein transparentes Kunststoffmaterial.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausgestal tung der Erfindung ist die energieerzeugende Schicht mit tels einer äusseren und einer inneren Verbundschicht aus Kunststoff zwischen der äusseren und der inneren Scheibe integriert. Die Verbundschicht kann vorteilhaft eine
Kunststofffolie, insbesondere aus PVB oder EVA, oder ein anderer Kunststoff, z.B. PU oder ein Acrylat oder ein an deres Kunststoffharz sein.
Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Komponenten des Photovolta- ikbauteils, insbesondere das oberflächenmontierbare Ge häuse, die Konzentrator-Photovoltaikmodule und die Kon- taktschicht, transparent oder weitgehend transparent aus gebildet.
Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausge staltung der Erfindung ist hinter der energieerzeugenden Schicht eine wärmeabsorbierende Folie angeordnet. Dies kann beispielsweise eine Aufheizung des Gebäudeinneren vermindern.
Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausge- staltung der Erfindung ist hinter der energieerzeugenden Schicht eine wärmeableitende Folie angeordnet ist. Dies kann ebenfalls eine Aufheizung des Gebäudeinneren sowie die Aufheizung des Photovoltaikbauteils vermindern.
Die wärmeabsorbierende Folie und/oder die wärmeableitende Folie können insbesondere unter der inne ren Scheibe oder zwischen der inneren Scheibe und der energieerzeugenden Schicht angeordnet sein. Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausge staltung der Erfindung ist die Kontaktierungsschicht als wärmeableitende Schicht oder Folie ausgebildet. Hierbei können insbesondere die metallischen Leiterbahnen zur Wärmeableitung genutzt werden.
Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausge staltung der Erfindung weist das Photovoltaikbauteil eine mittlere Scheibe auf, welche zwischen der äusseren und der inneren Scheibe angeordnet ist. Zudem ist die ener gieerzeugende Schicht als erste energieerzeugende Schicht zwischen der äusseren Scheibe und der mittleren Scheibe angeordnet und eine zweite energieerzeugende Schicht ist zwischen der mittleren Scheibe und der inneren Scheibe angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung sind somit zwei Ebenen von energieerzeugenden Schichten vorgesehen. Dadurch kann die produzierte Solarenergie erhöht werden.
Insbesondere kann die zweite energieerzeu gende Schicht horizontal versetzt zu den Konzentrator- Photovoltaikmodulen der zweiten energieerzeugenden Schicht angeordnet sein. Dies kann die produzierte Solar energie weiter erhöhen.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung ist der Photovoltaik-Chip in Bezug auf wenigstens eine vertikale Symmetrieebene des Gehäuses asymmetrisch ange ordnet. Mittels einer derartigen asymmetrischen Anordnung des Photovoltaik-Chips in dem Gehäuse lassen sich unter schiedlichen Winkel des ersten und des zweiten reflektie renden Bereichs besonders effizient und platzsparend in dem Gehäuse realisieren.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Er findung liegen sich der erste und der zweite reflektie rende Bereich in Bezug auf eine erste vertikale Symmet rieebene des Photovoltaik-Chips gegenüber. Mit anderen Worten, der erste und der zweite reflektierende Bereich sind an gegenüberliegenden Seiten des Photovoltaik-Chips angeordnet .
Eine derartige Ausführungsform mit sich ge- genüberliegenden reflektierenden Flächen mit unterschied lichen Winkeln ermöglicht eine verbesserte Konzentration des Sonnenlichts auf den Photovoltaik-Chip, insbesondere bei Sonnenlicht, welches nicht parallel zu der ersten vertikalen Symmetrieebene des Photovoltaik-Chips ein- fällt.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung unterscheiden sich der erste Winkel und der zweite Winkel um wenigstens 10°, insbesondere um wenigstens 20° vonei- nander.
Derartig ausgebildete unterschiedliche Winkel sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Sonnenein strahlung nicht senkrecht bzw. symmetrisch in Bezug auf die Senkrechte auf das Konzentrator-Photovoltaik-Modul fällt. Bei derartigen Gegebenheiten ermöglichen derart unterschiedliche Winkel eine verbesserte optische Kon zentrationswirkung des Reflektors. Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste reflektierende Bereich und der zweite re flektierende Bereich als reflektierende Beschichtung der Aufnahmewanne ausgebildet. Eine derartige Beschichtung kann gemäss Ausführungsformen z.B. mittels eines entspre- chenden Beschichtungsverfahrens auf einem Basiskörper des oberflächenmontierbaren Gehäuses aufgebracht werden.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Er findung sind der erste reflektierende Bereich und der zweite reflektierende Bereich als reflektierende Folie ausgebildet . Eine derartige reflektierende Folie, z.B. eine Metallfolie, kann gemäss Ausführungsformen z.B. mit tels eines entsprechenden Klebeverfahrens auf dem Basis körper aus Kunststoff aufgebracht werden.
Gemäss weiteren Ausführungsformen der Erfin dung weist die Aufnahmewanne Seitenwände mit einem drit ten und einem vierten reflektierenden Bereich auf. Der dritte reflektierende Bereich ist in einem dritten Winkel gegenüber der horizontalen Ebene des Gehäuses ausgerich tet und der vierte reflektierende Bereich ist in einem vierten Winkel gegenüber der horizontalen Ebene des Ge häuses ausgerichtet. Gemäss weiteren Ausführungsformen ist der dritte Winkel unterschiedlich zu dem vierten Win kel.
Derartige Ausführungsformen weisen somit vier unterschiedliche Reflexionsbereiche bzw. Reflexionsflä chen auf, welche jeweils mit individuellen und unter schiedlichen Winkeln gegenüber der horizontalen Ebene des Gehäuses ausgerichtet sein können.
Durch die bis zu vier unterschiedlichen Win kel des Reflektors kann für das Licht bzw. die solare Strahlung eine weitere Verbesserung der Konzentrations wirkung bzw. Reflexionswirkung des Reflektors ermöglicht.
Dementsprechend können Photovoltaikbauteile gemäss Ausführungsformen der Erfindung sowohl für verti kale Einbauflächen, z.B. für vertikale Fenster, und damit ungünstig zur Sonneneinstrahlung ausgerichtete Einbauflä chen, als auch für nahezu horizontal angeordnete Einbau flächen, wie z.B. für Dachflächen gefertigt werden.
Gemäss einer Ausführungsform sind der dritte Winkel und der vierte Winkel um wenigstens 10°, insbeson- dere um wenigstens 20° unterschiedlich.
Gemäss Ausführungsformen der Erfindung liegen der erste Winkel, der zweite Winkel, der dritte Winkel und der vierte Winkel in einem Bereich zwischen 0° und 90°.
Gemäss Ausführungsformen kann der erste Win kel in einem Bereich zwischen 45° und 90°, insbesondere in einem Bereich zwischen 60° und 75° und der zweite Win kel in einem Bereich zwischen 0° und 45°, insbesondere in einem Bereich zwischen 10° und 35°, liegen. Derartige Winkel können insbesondere für senkrechte Einbausituatio nen vorteilhaft sein.
Gemäss Ausführungsformen der Erfindung ist das Gehäuse gegen feste Fremdkörper und gegen Flüssigkei ten geschützt. Gemäss Ausführungsformen weist das Gehäuse einen Schutzumfang gemäss dem International Protection (IP-Code) gegen feste Fremdkörper von wenigstens 5 und einen Schutzumfang gegen Flüssigkeiten von wenigstens 5 auf. Ein derart geschütztes Gehäuse gewährleistet einen zuverlässigen und langlebigen Betrieb auch bei widrigen Umweltbedingungen. Dabei kann das Gehäuse insbesondere gemäss den IP Schutzklassen 65 bis 68 geschützt sein.
Gemäss Ausführungsformen der Erfindung sind der erste reflektierende Bereich, der zweite reflektie- rende Bereich, der dritte reflektierende Bereich und/oder der vierte reflektierende Bereich jeweils als konkave Fläche ausgebildet.
Mittels derartiger konkaver Flächen kann die Konzentrationswirkung der reflektierenden Bereiche für das Licht bzw. die solare Strahlung erhöht werden.
Gemäss anderen Ausführungsformen der Erfin dung sind der erste reflektierende Bereich, der zweite reflektierende Bereich, der dritte reflektierende Bereich und/oder der vierte reflektierende Bereich jeweils als plane Fläche ausgebildet.
Dies ist fertigungstechnisch besonders vor- teilhaft. Gemäss Ausführungsformen der Erfindung weist das Gehäuse eine integrierte Bypass-Diode, insbesondere eine Schottky-Diode, auf. Die Bypass-Diode kann insbeson dere in den Basiskörper, der insbesondere aus Kunststoff bestehen kann, integriert werden. Durch eine derartige Integration der Bypass-Diode in jedes einzelne Gehäuse wird eine besonders hohe Zuverlässigkeit erzielt. Ist ein Photovoltaik-Chip defekt oder nicht voll funktionsfähig, so kann der Strom über die Bypass-Diode umgeleitet werden und die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems wird nicht bzw. kaum beeinträchtigt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Gebäude oder eine Vorrichtung mit einem oder mehreren Photovoltaikbauteilen nach einem der vorherge henden Ansprüche.
Die Vorrichtung kann insbesondere ein Boot, ein Schiff, ein Baufahrzeug, ein Agrarfahrzeug, ein Zug, ein Container oder ein Flugzeug sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Photovoltaikbauteils gemäss den obigen Ausgestaltungen zum Einbau oder Anbau in bzw. an ein Gebäude, ein Boot, ein Schiff, ein Baufahrzeug, ein Agrarfahrzeug, einen Zug, einen Container, ein Flug zeug sowie andere Vorrichtungen mit Ausnahme von Automo bilen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwen dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen: FIG. 1 eine Querschnittsansicht eines ener gieerzeugenden Photovoltaikbauteils gemäss einer Ausfüh rungsform der Erfindung; FIG. 2 eine Querschnittsansicht eine energie erzeugenden Photovoltaikbauteils gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
FIG. 3 eine Querschnittsansicht eines ener gieerzeugenden Photovoltaikbauteils gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
FIG. 4 eine Querschnittsansicht eines ener gieerzeugenden Photovoltaikbauteils gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
FIG. 5 eine Querschnittsansicht eines Kon- zentrator-Photovoltaik-Moduls gemäss einer Ausführungs¬ form der Erfindung;
FIG. 6a eine Querschnittsansicht eines Kon- zentrator-Photovoltaik-Moduls in einer x-z- Ebene;
FIG. 6b eine Querschnittsansicht des Konzent- rator-Photovoltaik-Moduls 20 in einer y-z-Ebene;
FIG. 6c eine Draufsicht auf das Konzentrator- Photovoltaik-Modul in der x-y- Ebene;
FIG. 7 eine Querschnittsansicht eines Kon- zentrator-Photovoltaik-Moduls mit elektrischen Kontakten; Fig. 8a ein Photovoltaikbauteil für einen vorwiegend horizontalen Einbau in eine Vorrichtung;
Fig. 8b ein Photovoltaikbauteil mit einer schrägen Einbaulage;
Fig. 8c ein Photovoltaikbauteil für einen vorwiegend vertikalen Einbau in eine Vorrichtung;
FIG. 9 eine Draufsicht auf ein Photovoltaik-
Chip Array;
FIG. 10 ein Linsenarray gemäss einer Ausfüh rungsform der Erfindung mit einer Vielzahl von in einer Ebene angeordneten Kondensorlinsen;
FIG. 11 zeigt eine Seitenansicht eines Gebäu des bzw. Hauses mit Photovoltaikbauteilen; FIG. 12 zeigt eine Draufsicht des Gebäudes der FIG. 11;
FIG. 13 zeigt eine Seitenansicht eines Hauses mit einem flachen Dach; Fig. 14 zeigt ein Flugzeug mit mehreren in die Aussenhaut des Flugzeugs integrierten Photovoltaik- bauteilen; und
Fig. 15 zeigt ein Schiff mit mehreren auf der Oberfläche des Schiffes angeordneten Photovoltaikbautei- len.
Weg(e) zur Ausführung der Erfindung
FIG. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines energieerzeugenden Photovoltaikbauteils 10 in einer x-z- Ebene gemäss einer Ausführungsform der Erfindung. Das energieerzeugende Photovoltaikbauteil 10 weist eine äussere Scheibe 11 und eine innere Scheibe 12 auf. Die äussere Scheibe 11 und die innere Scheibe 12 können ge mäss Ausführungsformen aus Glas oder aus Kunststoff be stehen. Die äussere Scheibe 11 hat vorzugsweise eine hohe Transmission im gewünschten Wellenlängenbereich und kann insbesondere als Klarglasscheibe oder als nicht gefärbte Kunststoffscheibe ausgeführt sein. Die innere Scheibe 12 kann gemäss Ausführungsformen ebenfalls mit hoher Trans mission ausgeführt sein. Gemäss anderen Ausführungsformen kann die innere Scheibe 12 eine geringere Transmission als die äussere Scheibe 11 aufweisen. Insbesondere kann die innere Scheibe 12 als getöntes Glas oder gefärbter Kunststoff ausgeführt sein.
Gemäss Ausführungsformen der Erfindung können die äussere Scheibe 11 und die innere Scheibe 12 aus
Glas, wie z.B. Kalk-Natron-Silicatglas, Borosilicatglas, Alumosilicatglas oder aus Kunststoff, wie z.B. aus Poly carbonat oder PMMA, bestehen. Gemäss Ausführungsformen der Erfindung können die äussere Scheibe 11 und die in nere Scheibe 12 verschiedene Dicken aufweisen, und die äussere Glasscheibe 11 und die innere Glasscheibe 12 kön nen mit oder ohne thermische oder chemische Vorspannung ausgeführt sein. Gemäss einer Ausführungsform können so wohl die erste Scheibe als auch die zweite Scheibe aus Glas bestehen. Gemäss einer anderen Ausführungsform kann die erste Scheibe aus Glas und die zweite Scheibe aus
Kunststoff bestehen. Gemäss einer anderen Ausführungsform kann die zweite Scheibe aus Glas und die erste Scheibe aus Kunststoff bestehen. Gemäss einer Ausführungsform können sowohl die erste Scheibe als auch die zweite Scheibe aus Kunststoff bestehen.
Zwischen der äusseren Scheibe 11 und der in neren Scheibe 12 ist eine energieerzeugende Schicht 15 vorgesehen. Die energieerzeugende Schicht 15 weist eine Mehrzahl von Konzentrator-Photovoltaikmodulen 20 auf. Die Konzentrator-Photovoltaikmodule 20 weisen jeweils eine Kondensorlinse bzw. Sammellinse 21 und einen Photovol- taik-Chip 22 auf, welcher in ein oberflächenmontierbares Gehäuse 30 integriert ist. Die Kondensorlinse 21 ist dazu konfiguriert, das einfallende Sonnenlicht zu fokussieren und auf den Photovoltaik Chip 30 bzw. eine transparente Abdeckung des Gehäuses 30 zu leiten. Die Kondensorlinse 21 fungiert als primäre Optik des Konzentrator-Photovol- taik-Moduls 20. Ein in das Gehäuse 30 integrierter Re- flektor 23 fungiert als Lichtsammler bzw. Kollektor und sammelt das auf die transparente Abdeckung des Gehäuses 30 einfallende Licht. Durch eine derartige zweistufige Optik kann der Wirkungsgrad der Photovoltaik Chips 22 signifikant erhöht werden. Die energieerzeugende Schicht 15 umfasst eine
Kontaktierungsschicht 14 mit Leiterbahnen. Die Kontaktie rungsschicht 14 kann beispielsweise als Leiterplatte, insbesondere als flexible Leiterplatte und insbesondere als flexible sowie transparente Folie ausgebildet sein.
Die Kontaktierungsfolie 14 kann als wärmeableitende Folie ausgebildet sein. Die oberflächenmontierbaren Gehäuse 30 kön nen mittels Löten, insbesondere mittels Reflow-Löten, auf der Kontaktierungsschicht 14 angeordnet werden und elektrisch mit den Photovoltaik Chips 22 verbunden wer den. Gemäss Ausgestaltungen der Erfindung kann die energieerzeugende Schicht 15 bzw. die Zwischenräume 15z der energieerzeugenden Schicht 15 mit transparentem Kunststoff aufgefüllt sein. Gemäss anderen Ausgestaltun gen der Erfindung kann die energieerzeugende Schicht 15 bzw. die Zwischenräume 15z der energieerzeugenden Schicht
15 als Vakuum ausgebildet sein.
FIG. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines energieerzeugenden Photovoltaikbauteils 10 in einer x-z- Ebene gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfin dung. Das Photovoltaikbauteil 10 entspricht zu grossen Teilen dem Photovoltaikbauteil 10 von FIG. 1. Zusätzlich weist das Photovoltaikbauteil 10 eine Reflexionsschicht
16 auf, welche unter der energieerzeugenden Schicht 15 angeordnet ist. Die Begriffe «unter» und «über» sind da bei in der vorliegenden Beschreibung in Bezug auf die Sonne bzw. die Richtung des einfallenden Sonnenlichts zu verstehen. Die Reflexionsschicht 16 ist dazu konfigu riert, das durch die erste Scheibe 11 einfallende Sonnen- licht, welches noch nicht von den Konzentrator-Photovol- taikmodulen 20 empfangen und in elektrische Energie umge wandelt wurde, zu reflektieren. Das so reflektierte Son nenlicht kann dann durch weitere Reflexionen bzw. Streu ungen, z.B. durch eine Reflexion bzw. Streuung an der äusseren Scheibe 11, doch noch von den Konzentrator-Pho- tovoltaikmodulen 20 empfangen werden. Dies kann den Wir- kungsgrad weiter erhöhen. Gemäss einer anderen Ausgestal tung der Erfindung kann die Reflexionsschicht 16 auch zwischen der inneren Scheibe 12 und der energieerzeugen den Schicht 15 angeordnet werden.
FIG. 3 zeigt eine Querschnittsansicht in ei ner x-z-Ebene eines energieerzeugenden Photovoltaikbau- teils 10 gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfin dung. Das Photovoltaikbauteil 10 entspricht zu grossen Teilen dem Photovoltaikbauteil 10 von FIG. 2. Gemäss der Ausgestaltung von FIG. 3 ist die energieerzeugende Schicht 15 mittels einer äusseren Verbundschicht 17a und einer inneren Verbundschicht 17b zwischen der äusseren Scheibe 11 und der inneren Scheibe 12 integriert. Die Verbundschichten 17a, 17b können insbesondere als Lamina tionsfolien ausgebildet sein und aus Kunststoff bestehen, z.B. aus PVB oder EVA. Derartige Verbundschichten er leichtern die Fertigung des energieerzeugenden Photovol- taikbauteils .
FIG. 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines energieerzeugenden Photovoltaikbauteils 10 gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das Photovoltaik bauteil 10 weist zunächst die in der FIG. 1 dargestellten Komponenten auf, namentlich eine äussere Scheibe 11, eine innere Scheibe 12, eine energieerzeugende Schicht und eine Kontaktierungsschicht 14.
Zusätzlich weist das Photovoltaikbauteil 10 eine mittlere Scheibe 13 auf, welche zwischen der äusse ren Scheibe 11 und der inneren Scheibe 12 angeordnet ist. Gemäss dieser Ausgestaltung der Erfindung weist das Pho tovoltaikbauteil 10 zwei energieerzeugende Schichten auf, namentlich eine erste energieerzeugende Schicht 15a zwi- sehen der äusseren Scheibe 11 und der mittleren Scheibe 13 und eine zweite energieerzeugende Schicht 15b zwischen der mittleren Scheibe 13 und der inneren Scheibe 12. So- wohl die energieerzeugende Schicht 15a als auch die ener gieerzeugende Schicht 15b weisen eine Mehrzahl von Kon- zentrator-Photovoltaikmodulen 20 auf. Gemäss einer vor teilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Konzent- rator-Photovoltaikmodule 20 der Schicht 15a horizontal versetzt zu den Konzentrator-Photovoltaikmodulen 20 der Schicht 15b angeordnet. Insbesondere sind die Konzentra- tor-Photovoltaikmodule 20 der unteren zweiten energieer zeugenden Schicht 15b in den horizontalen Zwischenräumen der oberen ersten energieerzeugenden Schicht 15a angeord net. Dies ermöglicht es, Sonnenlicht, das nicht von den Konzentrator-Photovoltaikmodulen 20 der ersten Schicht 15a empfangen wurde, mittels der darunter angeordneten Konzentrator-Photovoltaikmodule 20 der zweiten Schicht 15b aufzufangen. Dadurch kann der Wirkungsgrad zusätzlich erhöht werden.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Er findung können die Photovoltaikbauteile 10 auch weitere Schichten, insbesondere Folien aufweisen. So können ge mäss Ausgestaltungen der Erfindung hinter bzw. unter der energieerzeugenden Schicht 15 eine wärmeabsorbierende Fo lie oder eine wärmeableitende Folie angeordnet werden. Gemäss Ausgestaltungen der Erfindung kann die Reflexions- Schicht 16 durch eine wärmeabsorbierende Folie oder eine wärmeableitende Folie ersetzt werden oder zusätzlich eine wärmeabsorbierende oder wärmeableitende Folie vorgesehen sein. Gemäss Ausgestaltungen können die Folien transparent oder teiltransparent ausgebildet sein und als Laminationsfolie appliziert werden. Gemäss Ausgestaltun gen können die Photovoltaikbauteile 10 mit einer Kratz- schutzbeschichtung im Falle von Kunststoff und/oder einer low-E-Beschichtung im Falle von Glas versehen sein.
FIG. 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Konzentrator-Photovoltaik-Moduls 20 in einer x-z-Ebene gemäss einer Ausführungsform der Erfindung. Gemäss dieser Ausführungsform ist der Photovoltaik-Chip 22 symmetrisch in Bezug auf eine vertikale Symmetrieebene 39a des Gehäu ses 30 angeordnet.
Das Konzentrator-Photovoltaik-Modul 20 weist eine als Kondensorlinse bzw. Sammellinse ausgeführte Linse 21 als primäre Optik zur Fokussierung des Sonnen lichtes auf. Die Linse 21 ist in einem vordefinierten Ab stand dl von dem Gehäuse 30 angeordnet. Die Höhe des Ge häuses 30 ist mit d2 bezeichnet.
Das Gehäuse 30 umfasst einen Basiskörper 31. Der Basiskörper 31 kann insbesondere aus Kunststoff be stehen und beispielsweise mittels eines Spritzgussverfah rens hergestellt werden. Das Gehäuse 30 bzw. der Basis körper 31 weist eine Aussparung 32 auf. Die Aussparung 32 formt bzw. bildet eine Aufnahmewanne 33 mit einem ver tieften Bodenabschnitt 34 zur Aufnahme des Photovoltaik- Chips 22. Der Photovoltaik-Chip 22 ist gemäss bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung als Multi-Junction Solar zelle ausgebildet, kann aber gemäss anderen Ausführungs formen der Erfindung auch als Single-Junction Solarzelle ausgebildet sein. Unter einem Photovoltaik-Chip wird ge mäss Ausführungsformen der Erfindung insbesondere ein photovoltaischer DIE, d.h. ein ungehäustes Stück eines Halbleiter-Wafers mit einer Multi-Junction oder Single- Junction Solarzelle verstanden.
Das Konzentrator-Photovoltaik-Modul 20 weist wenigstens zwei elektrische Kontakte zur Kontaktierung des Photovoltaik-Chips 22 auf, welche in der FIG. 5 zur Vereinfachung der Illustration nicht dargestellt sind.
Das Konzentrator-Photovoltaik-Modul 20 weist ferner eine transparente Abdeckung 36 auf, welche das Gehäuse 30 und insbesondere die Aussparung 32 verschliesst, insbesondere wasserdicht und staubdicht verschliesst.
Die transparente Abdeckung 36 besteht gemäss Ausführungsformen aus Glas, insbesondere aus Dünnglas oder ultradünnem Glas. Vorzugsweise ist das Gehäuse 30 mittels der transparenten Abdeckung 36 gegen feste Fremd körper und gegen Flüssigkeiten geschützt. Hierzu kann das Gehäuse 36 insbesondere gemäss der IP Schutzklasse 66 ausgebildet sein. Gemäss Ausführungsformen weist Gehäuse 36 einen Schutzumfang gemäss dem International Protection (IP-Code) gegen feste Fremdkörper von wenigstens 4 und einen Schutzumfang gegen Flüssigkeiten von wenigstens 4 auf. Die transparente Abdeckung 36 kann beispielsweise mittels Ultraschallschweissen an dem Gehäuse 30, insbe sondere an dem Basiskörper 31, befestigt werden.
Die Aufnahmewanne 33 weist Seitenwände mit reflektierenden Bereichen 35a und 35b auf. Die Aufnahme- wanne 33 bildet mittels der reflektierenden Bereiche ei nen Reflektor 23. Der Reflektor 23 stellt eine sekundäre Optik des Konzentrator-Photovoltaikmoduls 20 dar und ist dazu konfiguriert, als Lichtsammler bzw. optischer Homo- genisierer zu funktionieren. Der Reflektor 23 kann gemäss Ausführungsformen als konischer Zylinder oder als koni scher Quader ausgeführt sein.
FIG. 6a zeigt eine Querschnittsansicht eines Konzentrator-Photovoltaik-Moduls 20 in einer x-z- Ebene gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. FIG. 6b zeigt eine Querschnittsansicht des Konzentrator-Photo- voltaik-Moduls 20 in einer y-z-Ebene, die senkrecht zu der x-z-Ebene verläuft. FIG. 6c zeigt eine Draufsicht auf das Konzentrator-Photovoltaik-Modul 20 in der x-y- Ebene.
In den Figuren 6a bis 6c ist die primäre Op tik mit der Kondensorlinse 21 aus Gründen der vereinfach ten Illustration nicht dargestellt. Das Konzentrator-Photovoltaik-Modul 20 ist ähnlich zu dem in der FIG. 5 dargestellten Modul aufge baut und weist dementsprechend ein Gehäuse 30 mit einem Basiskörper 31 und einer Aussparung 32 auf, die eine Auf nahmewanne 33 mit einem vertieften Bodenabschnitt 34 zur Aufnahme des Photovoltaik-Chips 22 bildet.
Die Aufnahmewanne 33 weist Seitenwände mit einem ersten reflektierenden Bereich 35a, einem zweiten reflektierendem Bereich 35b, einem dritten reflektieren den Bereich 35c und einem vierten reflektierendem Bereich 35d auf. Der erste reflektierende Bereich 35a ist in ei¬ nem ersten Winkel cp1 gegenüber einer horizontalen x-y- Ebene 38 des Gehäuses 30 ausgerichtet ist. Der zweite re¬ flektierende Bereich 35b ist in einem zweiten Winkel cp2 gegenüber der horizontalen x-y-Ebene 38 des Gehäuses 30 ausgerichtet ist. Der dritte reflektierende Bereich 35c ist in einem dritten Winkel cp3 gegenüber der horizontalen x-y-Ebene 38 des Gehäuses 10 ausgerichtet ist. Der vierte reflektierende Bereich 35d ist in einem vierten Winkel cp4 gegenüber der horizontalen x-y-Ebene 38 des Gehäuses ausgerichtet ist. Gemäss der in den Figuren 6a bis 6c dargestellten Ausführungsform ist der erste Winkel cp1 un terschiedlich zu dem zweiten Winkel cp2, während der dritte Winkel cp3 und der vierte Winkel cp4 in diesem Bei¬ spiel gleich gross bzw. in etwa gleich gross sind. Gemäss anderen Ausführungsformen können auch der dritte Winkel cp3 und der vierte Winkel cp4 unterschiedlich gross sein.
Wie insbesondere aus den Figuren 6a und 6b ersichtlich, ist der Photovoltaik-Chip 22 in Bezug auf die vertikale Symmetrieebene 39a des Gehäuses 30 asymmet¬ risch angeordnet, während er in Bezug auf die vertikale Symmetrieebene 39b des Gehäuses 30 symmetrisch angeordnet ist.
Wie insbesondere aus den Figuren 6a und 6c ersichtlich ist, liegen sich der erste reflektierende Be¬ reich 35a und der zweite reflektierende Bereich 35b in Bezug auf den Photovoltaik-Chip 22 gegenüber, insbeson dere in Bezug auf eine in der FIG. lc gezeigte erste ver¬ tikale Symmetrieebene 22c des Photovoltaik-Chips 22. Gemäss dem gezeigten Beispiel beträgt der erste Winkel cpl ungefähr 65° und der zweite Winkel cp2 un¬ gefähr 35°. Gemäss Ausführungsformen der Erfindung liegen die Winkel cpl, cp2, cp3 und cp4 in einem Bereich zwischen 0° und 90°. Gemäss bevorzugten Ausgestaltungen der Erfin dung liegt der erste Winkel cpl in einem Bereich zwischen 45° und 90°, insbesondere in einem Bereich zwischen 60° und 75° und ist somit relativ steil, während der zweite Winkel cp2 in einem Bereich zwischen 0° und 45°, insbeson dere in einem Bereich zwischen 10° und 35°, liegt, und somit relativ flach ist.
Eine derartige Ausgestaltung ist z.B. für Photovoltaik-Module vorteilhaft, welche für einen senk¬ rechten Einbau bestimmt sind. Damit wird es ermöglicht, die Leistungsausbeute des Photovoltaik-Moduls bei verti¬ kalem Einbau deutlich zu verbessen, indem insbesondere die „untere" reflektierende Fläche stärker in Bezug auf die horizontale Ebene des Gehäuses geneigt ist als die „obere" reflektierende Fläche.
Gemäss Ausführungsformen sind der erste re- flektierende Bereich 35a, der zweite reflektierende Be¬ reich 35b, der dritte reflektierende Bereich 35c und der vierte reflektierende Bereich 35d als Beschichtung auf dem Basiskörper 31 der Aufnahmewanne 33 aufgebracht. Gemäss anderen Ausführungsformen sind der erste reflektierende Bereich 35a, der zweite reflektie¬ rende Bereich 35b, der dritte reflektierende Bereich 35c und der vierte reflektierende Bereich 35d als reflektie¬ rende Folie ausgebildet, welche z.B. mittels Kleben oder anderen Verfahren auf den Basiskörper 31 der Aufnahme wanne 33 aufgebracht werden kann.
Gemäss den in den Figuren 6a bis 6c gezeigten Ausführungsformen sind die reflektierenden Bereiche 35a, 35b, 35c und 35d jeweils als plane Flächen ausgebildet, insbesondere als trapezförmige Flächen.
Gemäss anderen nicht dargestellten Ausfüh- rungsformen können die reflektierenden Bereiche 35a, 35b, 35c und 35d jedoch auch andere Formen aufweisen, insbe sondere konkave Formen und konvexe Formen.
Ein derart ausgestaltetes Modul ermöglicht es, die Winkel cp1, cp2, cp3 und cp4 der reflektierenden Be reiche 35a 35b, 35c und 35d jeweils individuell und un¬ terschiedlich zu wählen und an die jeweilige Ausrichtung der Module an die zum Einbau vorgesehenen Flächen und die damit korrespondierende Sonnenexposition der Module im Hinblick auf die Elevation und/oder den Azimut zu berück sichtigen .
FIG. 7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Konzentrator-Photovoltaik-Moduls 20 in einer x-z-Ebene gemäss einer Ausführungsform der Erfindung. In der FIG. 7 sind die elektrischen Anschlüsse des Moduls näher darge¬ stellt. Insbesondere weist das Konzentrator-Photovoltaik- Modul 20 einen ersten elektrischen Kontakt 22a und einen zweiten elektrischen Kontakt 22b auf. Die elektrischen Kontakte 22a, 22b sind auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 30 angeordnet und als sogenannte Leads ausgebil¬ det, welche in dem Basiskörper 31 aus Kunststoff einge¬ bettet sind. Der Photovoltaik-Chip 22 ist mittels Wire- Bonding mit den Leads der elektrischen Kontakte 22a und 22b elektrisch verbunden. Somit ist das Modul 20 als oberflächenmontierbares Modul in SMD-Technik (Surface Mount Technology) ausgebildet. Das Modul 20 weist zudem eine in das Gehäuse 30 integrierte Bypass-Diode 45 auf, welche insbesondere als Schottky-Diode ausgeführt sein kann. Die Bypass-Diode ist parallel zu dem Photovoltaik- Chip 22 geschaltet und dementsprechend einerseits mit dem elektrischen Kontakt 22a und andererseits mit dem elektrischen Kontakt 22b verbunden, ebenfalls gemäss Aus führungsformen mittels Wire-Bonding. Der Photovoltaik- Chip 22 kann beispielsweise mit Leiterbahnen der Kontak tierungsschicht 14 mittels Löten elektrisch kontaktiert werden.
Die Figuren 8a bis 8c zeigen verschiedene Einbausituationen von Photovoltaikbauteilen 10 und den darin integrierten oberflächenmontierbaren Gehäusen. Die Winkel cp1 und cp2 beziehen sich auf die Winkel der Refle xionsflächen der in die Gehäuse 30 integrierten Reflek toren.
In den Figuren 8a bis 8c ist der Sonnenstand 50 in exemplarischer Weise dargestellt, z.B. zu der Mit tagszeit.
Zudem sind in den Figuren 8a bis 8c der Ver lauf der Reflexionsflächen der Reflektoren 23 in exempla rischer Weise mittels gestrichelter Linien dargestellt.
Fig. 8a zeigt ein Photovoltaikbauteil 10, das für einen vorwiegend horizontalen Einbau in ein Gebäude oder ein Vorrichtung vorgesehen ist, z.B. als horizonta les Dach-Photovoltaikbauteil. Fig. 8b zeigt eine Photo voltaikbauteil 10, welches für schräge Einbaulagen, bei spielsweise zwischen 20° und 80°, vorgesehen ist, z.B. für Schrägdächer.
Fig. 8c zeigt ein Photovoltaikbauteil 10, das für einen vorwiegend vertikalen Einbau in ein Gebäude o- der eine Vorrichtung vorgesehen ist.
Der erste Winkel cp1 und der zweite Winkel cp2 können gemäss Ausgestaltungen der Erfindung jeweils indi viduell an die jeweilige Einbausituation angepasst wer den, um den Lichteinfang des Reflektors für die jeweilige Einbausituation zu optimieren. Während bei einem horizon talen Einbau der erste Winkel cp1 und der zweite Winkel cp2 vorzugsweise gleich gross gewählt werden, sind bei einer schrägen und einer vertikalen Einbausituation der erste Winkel cp1 und der zweite Winkel cp2 vorzugsweise unter schiedlich gewählt, um den Lichteinfang in Bezug auf die Elevation der Sonnenstrahlung zu erhöhen.
FIG. 9 zeigt eine Draufsicht auf ein Photo voltaik-Chip Array 900. Das Photovoltaik-Chip Array 900 weist eine Vielzahl von SMD- Gehäusen 30 mit integrierten Photovoltaik-Chips und Reflektoren auf, welche auf einer als Folie ausgebildeten Leiterplatte bzw. Kontaktschicht 14 als oberflächenmontierte Bauteile aufgelötet sind.
FIG. 10 zeigt ein Linsenarray 1000 gemäss ei ner Ausführungsform der Erfindung mit einer Vielzahl flä- chig in einer Ebene angeordneten Kondensorlinsen 21. Das Linsenarray 1300 kann z.B. mittels Spritzgiessen aus transparentem Kunststoff vorgefertigt werden. Die einzel nen Kondensorlinsen 21 sind mit dünnen Stegen 21a verbun den. Das so vorgefertigte Linsenarray kann gemäss einer Ausführungsform an der Unterseite der äusseren Scheibe 11 befestigt werden, z.B. durch Kleben. Gemäss einer anderen Ausgestaltung kann das vorgefertigte Linsenarray 1100 zu nächst auf dem Photovoltaik-Chip Array 1200 befestigt werden und danach zwischen den Scheiben befestigt werden.
FIG. 11 zeigt eine Seitenansicht eines Gebäu des bzw. Hauses 1100. Das Gebäude 1100 weist auf einem schrägen Dach 1101 ein Photovoltaikbauteil 1110 und auf einer senkrechten Seitenwand 1102 ein Photovoltaikbauteil 1111 auf, welche wie die oben beschriebenen Photovoltaik- bauteile 10 ausgestaltet sein können.
FIG. 12 zeigt eine Draufsicht des Gebäudes 1100. Hier ist zu erkennen, dass das Gebäude 1100 zusätz- lieh zu dem Photovoltaikbauteil 1110 und dem Photovolta ikbauteil 1111 ein weiteres Photovoltaikbauteil 1112 auf der Rückwand 1103 aufweist. Die Photovoltaikbauteile 1110, 1111 und 1112 können insbesondere wie in der Draufsicht der FIG. 9 dar¬ gestellt ausgebildet sein.
In den Figuren 11 und 12 ist der Sonnenstand 1120 in exemplarischer Weise dargestellt, z.B. zu der Mittagszeit .
Zudem sind in der Figur 11 der erste Winkel cp1 und der zweite Winkel cp2 der einzelnen Photovoltaik bauteile 1110 und 1111 in exemplarischer Weise mittels gestrichelter Linien dargestellt.
Darüber hinaus sind in der Figur 12 der dritte Winkel cp3 und der vierte Winkel cp4 der einzelnen Photovoltaikbauteile 1110 und 1112 in exemplarischer Weise mittels gestrichelter Linien dargestellt.
Die Winkel cp1, cp2, cp3 und cp4 beziehen sich dabei wieder auf die Winkel der Reflexionsflächen der in die Gehäuse 30 integrierten Reflektoren der Konzentrator- Photovoltaikmodule der einzelnen Photovoltaikbauteile.
In dem Beispiel der Figuren 11 und 12 weisen die einzelnen Photovoltaikbauteile 1110, 1111 und 1112 jeweils unterschiedliche Kombinationen der einzelnen Win- kel cp1, cp2, cp3 und cp4 auf. Dadurch ist es möglich, die jeweilige Einbausituation der Systeme 1110, 1111 und 1112 zu berücksichtigen und die Winkel cp1, cp2, cp3 und cp4 opti mal an den Sonnenstand bzw. Sonnenverlauf anzupassen, um eine maximale Konzentrationswirkung bzw. Verstärkung des Reflektors zu erzielen.
Der erste Winkel cp1 und der zweite Winkel cp2 sind gemäss Ausführungsformen der Erfindung insbesondere so gewählt, dass sie die jeweilige Einbausituation opti¬ mal in Bezug auf die Elevation der Sonne berücksichtigen.
Der dritte Winkel cp3 und der vierte Winkel cp4 sind gemäss Ausführungsformen der Erfindung insbesondere so gewählt, dass sie die jeweilige Einbausituation opti mal in Bezug auf den Azimut der Sonne berücksichtigen. So ist in der FIG. 12 auch die Ausrichtung des Hauses in Be zug auf die Himmelsrichtungen dargestellt. Die Hauswand 1102 weist beispielhaft eine Südost-Exposition auf und die Rückwand 1103 eine Südwest-Exposition. Durch geeig nete und individuelle Wahl der Winkel cp3 und cp4 für die Seitenwand 1102 und die Rückwand 1103 kann der Wirkungs grad des Photovoltaikbauteils verbessert werden.
FIG. 13 zeigt eine Seitenansicht eines Hauses
1300 mit einem flachen Dach 1301. Auf dem flachen Dach
1301 ist ein Photovoltaikbauteil 1310 und auf einer senk rechten Seitenwand 1302 ein Photovoltaikbauteil 1311 an- gebracht.
Der erste Winkel cp1 und der zweite Winkel cp2 des Photovoltaikbauteils 1310 sind anders gewählt als der erste Winkel cp1 und der zweite Winkel cp2 des Photovolta ikbauteils 1110 des in der FIG. 11 dargestellten Schräg- dachs, um die Reflektorwirkung der Photovoltaikbauteile zu verbessern.
Somit können gemäss Ausführungsformen der Er findung die Photovoltaikbauteile 10 als energieerzeugende Glas- oder Kunststoffbauteile für Dachsysteme, Flachdä cher, Industriedächer, Hausdächer, Fassaden, Fassadenkon struktionen und /oder als Einfach oder Mehrscheiben-Iso- liergläser eingesetzt werden. Fig. 14 zeigt ein Flugzeug 1400 mit mehreren in die Aussenhaut des Flugzeugs 1400 integrierten Photo- voltaikbauteilen (10).
Fig. 15 zeigt ein Schiff 1500 mit mehreren auf der Oberfläche des Schiffes angeordneten Photovolta- ikbauteilen (10). Gemäss weiteren Ausgestaltungen der Erfin dung können die Photovoltaikbauteile (10)auch in Baufahr zeuge, Agrarfahrzeuge, Züge oder Container integriert o- der angebaut sein.
Während in der vorliegenden Anmeldung bevor zugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Photovoltaikbauteil (10)für Gebäude, Con tainer, Boote, Schiffe, Baufahrzeuge, Agrarfahrzeuge, Züge, Flugzeuge und andere Anwendungen mit Ausnahme von Automobilen, aufweisend, eine äussere Scheibe (11); und eine innere Scheibe (12); dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der äusseren Scheibe (11) und der inneren Scheibe (12) eine energieerzeugende Schicht (15) mit einer Mehrzahl von Konzentrator-Photovoltaikmodulen (20) angeordnet ist, wobei die Konzentrator-Photovoltaik- Module (20) wenigstens eine Kondensorlinse (21) als pri märe Optik und einen Photovoltaik-Chip (22) aufweisen, der in ein oberflächenmontierbares Gehäuse (30) inte griert ist, wobei das oberflächenmontierbare Gehäuse (30) wenigstens zwei elektrische Kontakte (22a, 22b) zur Kon taktierung des Photovoltaik-Chips (22), eine transparente Abdeckung (36) und einen integrierten Reflektor (23) als sekundäre Optik aufweist.
2. Photovoltaikbauteil nach Anspruch 1, wobei das Photovoltaikbauteil (10) eine Reflexionsschicht (16) aufweist, welche unter der energieerzeugenden Schicht (15) angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, durch die erste Scheibe (11) einfallendes Sonnenlicht, welches noch nicht von den Konzentrator-Photovoltaikmodulen (20) emp fangen wurde, zu reflektieren.
3. Photovoltaikbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) eine eine Aufnahmewanne (33) bildende Aussparung (32) mit ei nem vertieften Bodenabschnitt (34) zur Aufnahme des Pho tovoltaik-Chips (22) aufweist, wobei die Aufnahmewanne (33) Seitenwände mit re¬ flektierenden Bereichen (35a, 35b) aufweist, die den Re¬ flektor (23) bilden.
4. Photovoltaikbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmewanne (33) Seitenwände mit we¬ nigstens einem ersten und einem zweiten reflektierenden Bereich (35a, 35b) aufweist, wobei der erste reflektie¬ rende Bereich (35a) in einem ersten Winkel (cp1) gegenüber einer horizontalen Ebene (38) des Gehäuses (30) ausge richtet ist und der zweite reflektierende Bereich (35b) in einem zweiten Winkel (cp2) gegenüber der horizontalen Ebene (38) des Gehäuses (30) ausgerichtet ist; und der erste Winkel (cp1) unterschiedlich zu dem zweiten Winkel (cp2) ist.
5. Photovoltaikbauteil nach Anspruch 4, wobei die Aufnahmewanne (33) Seitenwände mit einem dritten und einem vierten reflektierenden Bereich (35c, 35d)aufweist, wobei der dritte reflektierende Bereich (35c) in einem dritten Winkel (cp3) gegenüber der horizontalen Ebene des Gehäuses (30) ausgerichtet ist und der vierte reflektie¬ rende Bereich (35d) in einem vierten Winkel (cp4) gegen über der horizontalen Ebene des Gehäuses (30) ausgerich tet ist, wobei insbesondere der dritte Winkel unter¬ schiedlich zu dem vierten Winkel ist.
6. Photovoltaikbauteil nach einem der vorher gehenden Ansprüche, wobei das Photovoltaikbauteil (10) eine Kontaktierungsschicht (14) mit Leiterbahnen zur Kontaktierung der Konzentrator-Photovoltaikmodule (20) aufweist.
7. Photovoltaikbauteil nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, wobei die Konzentrator-Photovoltaik- module (20) in ein Kunststoffmaterial integriert sind.
8. Photovoltaikbauteil nach einem der vorher gehenden Ansprüche, wobei die energieerzeugende Schicht (15) mittels einer äusseren und einer inneren Verbund schicht (17a, 17b) aus Kunststoff zwischen der äusseren und der inneren Scheibe integriert ist.
9. Photovoltaikbauteil nach Anspruch 8, wobei die äussere Verbundschicht und/oder die innere Verbund schicht (17a, 17b) eine Kunststofffolie, insbesondere aus PVB oder EVA ist.
10. Photovoltaikbauteil nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hin ter der energieerzeugenden Schicht (15) eine wärmeabsor bierende Folie (16) angeordnet ist.
11. Photovoltaikbauteil nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hin ter der energieerzeugenden Schicht (15) eine wärmeablei- tende Folie (16) angeordnet ist.
12. Photovoltaikbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsschicht (14) als wärmeableitende Folie ausgebildet ist.
13. Photovoltaikbauteil nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikbauteil eine mittlere Scheibe (13) aufweist, welche zwischen der äusseren und der inneren Scheibe an geordnet ist, wobei die energieerzeugende Schicht als erste energieerzeugende Schicht (15a) zwischen der äusse ren Scheibe (11) und der mittleren Scheibe (13) angeord net ist und eine zweite energieerzeugende Schicht (15b) mit einer Mehrzahl von Konzentrator-Photovoltaikmodulen (20) zwischen der mittleren Scheibe (13) und der inneren Scheibe (12) angeordnet ist.
14. Photovoltaikbauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentrator-Photovolta- ikmodule (20) der zweiten energieerzeugenden Schicht (15b) horizontal versetzt zu den Konzentrator-Photovolta- ikmodulen der ersten energieerzeugenden Schicht (15a) an geordnet sind.
15. Photovoltaikbauteil nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) eine integrierte Bypass-Diode (45), insbe sondere eine Schottky-Diode, aufweist.
16. Photovoltaikbauteil nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Photovoltaik-Chip (22) eine Mehrfachsolarzelle, insbeson dere eine Mehrfachsolarzelle aus einem III-V Halbleiter material ist.
17. Photovoltaikbauteil nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Scheibe (11) und die innere Scheibe (12) aus Glas oder aus Kunststoff bestehen.
18. Photovoltaikbauteil nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikbauteil als energieerzeugendes Bauteil für Dachsysteme, Flachdächer, Industriedächer, Hausdächer, Fassaden, Fassadenkonstruktionen und/oder als Einfach o- der Mehrfach-Isolierglas für Gebäude ausgestaltet ist.
19. Gebäude mit einem oder mehreren Photovol- taikbauteilen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü che.
20. Vorrichtung mit einem oder mehreren Pho- tovoltaikbauteilen (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, wobei die Vorrichtung ein Boot, ein Schiff, ein Baufahrzeug, ein Agrarfahrzeug, ein Zug, ein Container oder ein Flugzeug ist.
21. Verwendung eines Photovoltaikbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zum Einbau oder Anbau in bzw. an ein Gebäude, ein Boot, ein Schiff, ein Bau fahrzeug, ein Agrarfahrzeug, einen Zug, einen Container oder ein Flugzeug sowie andere Vorrichtungen mit Ausnahme von Automobilen.
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