ES2232299B1 - ASSEMBLY PROCEDURES FOR PHOTOVOLTAIC CONCENTRATION MODULES. - Google Patents

ASSEMBLY PROCEDURES FOR PHOTOVOLTAIC CONCENTRATION MODULES.

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ES2232299B1 ES200302573A ES200302573A ES2232299B1 ES 2232299 B1 ES2232299 B1 ES 2232299B1 ES 200302573 A ES200302573 A ES 200302573A ES 200302573 A ES200302573 A ES 200302573A ES 2232299 B1 ES2232299 B1 ES 2232299B1
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Abstract

Módulo fotovoltaico de concentración y procedimiento de ensamblaje entre módulos. Módulo fotovoltaico de concentración (1) basado en células solares (2) de compuestos semiconductores III-V y un sistema óptico, que realiza la función de concentrar la luz sobre la célula solar, compuesto por dos lentes denominadas POE (3) y SOE (4), todo ello alojado sobre un substrato o panel (5 ó 5''). La fabricación del módulo (1) se realiza siguiendo una serie de etapas como son el pegado de la célula solar al substrato, la conexión del contacto frontal al exterior, el pegado de la lente SOE al substrato, llenado de la lente SOE con un encapsulante y ensamblaje final del módulo. El encapsulado de célula y SOE se realiza mediante la opción de leadframe o bien por medio de PCB''s mejoradas térmicamente. La sujeción de las lentes POE se hace bien adhiriendo las lentes al cristal con adhesivo elastómero transparente, o bien mediante una pieza de sujeción del POE al panel trasero.Photovoltaic concentration module and assembly procedure between modules. Concentration photovoltaic module (1) based on solar cells (2) of semiconductor compounds III-V and an optical system, which performs the function of concentrating light on the solar cell, composed of two lenses called POE (3) and SOE ( 4), all housed on a substrate or panel (5 or 5``). The module (1) is manufactured following a series of steps, such as the bonding of the solar cell to the substrate, the connection of the front contact to the outside, the bonding of the SOE lens to the substrate, filling of the SOE lens with an encapsulant and final assembly of the module. The cell and SOE encapsulation is done by the leadframe option or by means of thermally improved PCB's. The fastening of the POE lenses is done by adhering the lenses to the glass with transparent elastomeric adhesive, or by means of a POE fastening piece to the rear panel.

Description

Módulo fotovoltaico de concentración y procedimiento de ensamblaje entre módulos.Photovoltaic concentration module and Assembly procedure between modules.

Objeto de la invenciónObject of the invention

La presente invención se refiere a un módulo fotovoltaico de concentración basado en células solares de compuestos semiconductores III-V y un sistema óptico compuesto por dos lentes fabricadas por moldeo por inyección de metacrilato o algún otro plástico de propiedades similares. También se hace referencia al procedimiento de ensamblaje de dichos módulos describiendo las distintas etapas del proceso y las diferentes opciones que alguna de esas etapas presentan.The present invention relates to a module photovoltaic concentration based on solar cells from III-V semiconductor compounds and a system optical consisting of two lenses manufactured by injection molding of methacrylate or some other plastic of similar properties. Reference is also made to the assembly procedure of said modules describing the different stages of the process and the different options that any of these stages present.

El objeto de la invención es reducir la presencia de semiconductor en el módulo fotovoltaico (componente más costoso del mismo) y cambiarlo por un elemento óptico que concentra la luz en un área menor de semiconductor. Todo esto, junto con un diseño conveniente de la célula solar, lleva a la obtención de unos rendimientos de conversión significativamente mayores y, por lo tanto, un ahorro en costes considerable.The object of the invention is to reduce the presence of semiconductor in the photovoltaic module (more expensive component of the same) and change it for an optical element that concentrates the light in a smaller semiconductor area. All this, along with a design convenient solar cell, leads to obtaining about significantly higher conversion yields and, therefore therefore, considerable cost savings.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

Ante la gran demanda de energía que hay en la actualidad se están investigando y desarrollando nuevas tecnologías que permitan la obtención de nuevas fuentes de energía, que a la vez de ser capaces de satisfacer dicha demanda, sean inagotables. Entre este grupo de nuevas fuentes se encuentra el aprovechamiento de la luz solar para generar electricidad.Given the high demand for energy in the currently new technologies are being researched and developed that allow obtaining new energy sources, which instead of being able to meet this demand, be inexhaustible. Among this group of new sources is the use of sunlight to generate electricity.

La tecnología de concentración de luz en Energía Solar Fotovoltaica persigue el abaratamiento de la generación de energía eléctrica para, de esta forma, poder competir a igualdad de precio con los sistemas convencionales de generación. El paso último es implantar los procesos productivos de fabricación de módulos a gran escala para su posterior comercialización.The technology of concentration of light in Energy Solar Photovoltaic pursues the reduction of the generation of electric power to, in this way, be able to compete equally price with conventional generation systems. Step last is to implement the manufacturing processes of manufacturing Large-scale modules for later commercialization.

La tecnología de concentración, sin embargo, se ha estudiado con anterioridad ensayando distintos tipos de Óptica y distintos tipos de receptores (célula solar). En la actualidad existen algunos sistemas de este tipo en fase de desarrollo o de demostración. Los ejemplos más notables se citan a continuación.Concentration technology, however, is He has studied before trying different types of optics and different types of receptors (solar cell). Nowadays there are some systems of this type under development or demonstration. The most notable examples are cited to continuation.

Así, por ejemplo, en USA se emplean células solares de silicio, que se basan en una óptica de lentes de Fresnel, que presenta menor concentración geométrica (del orden de 200-300 X) y mayor grosor del módulo fotovoltaico. De esta manera, la potencia generada por área de semiconductor es menor y las reducciones, en cuanto a los costes de producción, también van a ser menores frente a las que plantea el invento descrito en esta memoria. Esta opción de concentración la presenta la Compañía Amonix, estando interesados en su comercialización compañías eléctricas de USA como Arizona Public Service.Thus, for example, in the USA cells are used silicon solar, which are based on an optical lens Fresnel, which has a lower geometric concentration (of the order of 200-300 X) and greater thickness of the photovoltaic module. In this way, the power generated by semiconductor area is minor and reductions, in terms of production costs, they will also be smaller compared to those proposed by the invention described in this report. This concentration option is presented by the Amonix Company, being interested in its commercialization US power companies such as Arizona Public Service.

En Europa, se ensaya con módulos capaces de concentrar luz a 500 X, basados a su vez en lentes de Fresnel y siendo también poco compactos. Sin embargo, hasta la fecha presentan un máximo de eficiencia a 100 X. Por otra parte, tan solo se trata de una aproximación que utiliza módulos con todas las superficies (paredes, base y frontal) de cristal, lo que hace en la práctica difícil y compleja su traslación a la industria. Este tipo de módulos los desarrolla el Instituto de Energía Solar de Friburgo (Alemania) en colaboración con el Instituto IOFFE de San Petersburgo (Rusia) y responde al nombre comercial de FLATCON (Fresnel Lens All glass module Tandem CONcentrador).In Europe, it is tested with modules capable of concentrate light at 500 X, based on Fresnel lenses and being also little compact. However, to date they have a maximum efficiency at 100 X. On the other hand, only it is an approach that uses modules with all the glass surfaces (walls, base and front), what it does in the difficult and complex practice its transfer to the industry. This type of modules are developed by the Freiburg Solar Energy Institute (Germany) in collaboration with the IOFFE Institute in St. Petersburg  (Russia) and responds to the trade name of FLATCON (Fresnel Lens All  glass module Tandem CONCENTOR).

Finalmente, la opción planteada en Japón es la que parece tener mejor salida en el mercado, por el estado de desarrollo del módulo y el empuje de compañías japonesas en el mercado fotovoltaico. En este módulo se utilizan células muy eficientes en cuanto a rendimiento, pero de óptica basada en lentes de Fresnel que, alcanza del orden de 400 X en concentración. El Instituto Tecnológico de Toyota y la compañía Daido Steel están realizando los estudios sobre este tipo de módulos.Finally, the option raised in Japan is the which seems to have a better exit in the market, due to the state of module development and the push of Japanese companies in the photovoltaic market. In this module very cells are used Efficient in performance, but lens-based optics Fresnel that reaches the order of 400 X in concentration. He Toyota Institute of Technology and the company Daido Steel are conducting studies on this type of modules.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

El módulo fotovoltaico de concentración, objeto de esta patente, resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta; se trata de un sistema de concentración cuya filosofía es la de reducir la presencia de semiconductor en el módulo fotovoltaico, y cambiarlo por un elemento óptico que concentra la luz en un área menor de semiconductor; este sistema óptico tiene un coste mucho más reducido. Además, diseñando convenientemente la célula solar y eligiendo apropiadamente el material semiconductor, los rendimientos de conversión aumentan significativamente.The photovoltaic concentration module, object of this patent, fully resolves the previously stated problem; it is a system of concentration whose philosophy is to reduce the presence of semiconductor in the photovoltaic module, and change it to a optical element that concentrates the light in an area smaller than semiconductor; This optical system has a much more cost reduced. In addition, conveniently designing the solar cell and appropriately choosing the semiconductor material, the Conversion yields increase significantly.

El módulo fotovoltaico de concentración presenta diferencias importantes frente al módulo fotovoltaico tradicional, diferencias que se pueden apreciar en el análisis de los elementos que forman parte del módulo fotovoltaico de concentración que se realiza a continuación:The photovoltaic concentration module presents important differences compared to the traditional photovoltaic module, differences that can be seen in the analysis of the elements that are part of the concentration photovoltaic module that perform below:

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Célula solar: se trata de una célula de tamaño muy reducido, en torno a 1 mm^{2}; está compuesta por materiales semiconductores distintos al silicio convencional. Se trata de semiconductores compuestos de los grupos III-V de la tabla periódica, como GaAs, GaInP, GalnAs, AlGaInP, etc. entre otros. Estas células solares se crecen, bien mediante tecnología MOCVD (Deposición química de vapor a partir de precursores metalorgánicos), MBE (epitaxia de haces moleculares) o LPE (Epitaxia en fase líquida). Principalmente, se emplean sustratos de Germanio o GaAs (Arseniuro de Galio). Estas células se encuentran en obleas de 2 ó 4 pulgadas fundamentalmente y tras un proceso de corte están listas para iniciar el proceso de encapsulado. Una ventaja muy relevante derivada de la utilización de estos semiconductores es la de poder incluir en la misma célula solar más de una unión semiconductora, lo que lleva a utilizar más eficientemente el espectro de luz solar con el consiguiente ahorro de costes.Cell solar: it is a very small cell, around 1 mm2; It is composed of different semiconductor materials to conventional silicon. These are semiconductors composed of Groups III-V of the periodic table, such as GaAs, GaInP, GalnAs, AlGaInP, etc. among others. These solar cells are grow well by means of MOCVD technology (chemical deposition of steam from metalorganic precursors), MBE (epitaxy of molecular beams) or LPE (liquid phase epitaxia). Mainly, Germanium substrates or GaAs (Gallium Arsenide) are used. These cells are found in 2 or 4 inch wafers primarily and after a cutting process they are ready to start the process of encapsulated A very relevant advantage derived from the use of these semiconductors is to be able to include in the same cell solar more than one semiconductor junction, which leads to use more efficiently the spectrum of sunlight with consequent savings of costs.

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Sistema óptico: es el sistema que se encarga de realizar la función de concentrar la luz sobre la célula solar. Dicho sistema está formado por dos lentes denominadas genéricamente POE y SOE atendiendo a la consideración de primaria y secundaria. Esta denominación obedece al camino que recorre la luz desde el exterior del módulo hasta llegar a la célula solar. La lente denominada SOE se encapsulará directamente con la célula y llega a formar con ella un conjunto en el siguiente paso de ensamblaje.Optical system: it is the system that responsible for performing the function of concentrating the light on the cell solar. Said system consists of two lenses called generically POE and SOE attending the consideration of primary and high school. This denomination obeys the path that the light travels from outside the module to reach the solar cell. The lens called SOE will encapsulate directly with the cell and get to form with her a set in the next step of assembly

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Sustrato o panel que aloja todo el conjunto: está concebido para actuar como panel posterior del módulo y como elemento disipador del calor generado.Substrate or panel that houses all the set: it is designed to act as the rear panel of the module and as a heat dissipating element.

Así pues, estos son los elementos principales de que consta el módulo fotovoltaico de concentración a que se refiere la presente invención. A continuación se explican las fases o procesos necesarios para llevar a cabo el procedimiento de ensamblaje del módulo, que también es objeto de la invención:So, these are the main elements of consisting of the concentration photovoltaic module referred to The present invention. The phases are explained below or processes necessary to carry out the procedure of Module assembly, which is also the subject of the invention:

1.one.
Pegado de la célula solar al sustrato mediante pasta o epoxy, adhesivo conductor térmico y eléctrico.Glued from the solar cell to the substrate by paste or epoxy, thermal conductive adhesive and electric.

2.2.
Proceso de conexión del contacto frontal al exterior mediante soldadura ultrasónica o termosónica.Contact connection process front to the outside by ultrasonic welding or thermosonic

3.3.
Proceso de pegado de la lente secundaria (SOE) al sustrato con alta precisión. Proceso que se lleva a cabo mediante máquinas automatizadas.Lens bonding process secondary (SOE) to the substrate with high precision. Process that carried out by automated machines.

4.Four.
Proceso de llenado de la lente secundaria (SOE) con un encapsulante transparente tipo gel o silicona. Se trata de proteger la célula solar y los hilos del contacto frontal de cualquier posible alteración térmica que pueda provocar su desconexión. Además, el encapsulante ejerce una función de adaptación de índices de refracción entre la célula solar y la lente.Lens filling process secondary (SOE) with a transparent gel-type encapsulant or silicone. It is about protecting the solar cell and the wires of the frontal contact of any possible thermal alteration that may cause disconnection. In addition, the encapsulant exerts a function of adaptation of refractive indices between the solar cell and the lens.

5.5.
Finalmente, el último paso es el ensamble general del módulo cuyos elementos son el cristal frontal, las lentes primarias (POE, una por célula, el panel trasero, los conjuntos célula y secundario ya encapsulados y los perfiles de aluminio que le confieren al módulo rigidez mecánica.Finally, the last step is the general assembly of the module whose elements are the front glass, the primary lenses (POE, one per cell, the rear panel, the already encapsulated cell and secondary sets and profiles of aluminum that give the module mechanical rigidity.

Como resultado final de la realización de las etapas anteriormente descritas, se obtiene un módulo fotovoltaico de concentración, compuesto por un determinado número de células solares y concentradores.As a final result of the realization of stages described above, a photovoltaic module is obtained concentration, consisting of a certain number of cells solar and concentrators.

Si bien el procedimiento de ensamblaje desarrollado para el módulo fotovoltaico es el que se ha descrito anteriormente, se presentan para algunas de las etapas, como son el encapsulado de célula solar y óptica y el ensamblaje general del módulo, diferentes opciones de realización que son igualmente novedosas e innovadoras.While the assembly procedure developed for the photovoltaic module is the one described previously, they are presented for some of the stages, such as the encapsulated solar and optical cell and the general assembly of the module, different realization options that are equally innovative and innovative.

La primera opción hace referencia al encapsulado de célula y SOE, y está basado en "Leadframes", es decir, sobre pequeñas placas de cobre, denominadas genéricamente "leadframe" de acuerdo a la terminología propia de la industria microelectrónica. Una de las ventajas que presenta este sistema, es que permite una conexión en serie de las células que contiene, de esta forma se van a reducir en gran medida el número de operaciones a realizar.The first option refers to the encapsulation cell and SOE, and is based on "Leadframes", that is, on small copper plates, generically named "leadframe" according to the terminology of the microelectronic industry One of the advantages of this system, is that it allows a serial connection of the cells that contains, in this way the number will be greatly reduced of operations to perform.

La siguiente opción se refiere al encapsulado de célula solar y óptica, basado en PCB's mejoradas térmicamente; las PCB's están compuestas de aluminio, dieléctrico y cobre, productos comerciales que se emplean sobre todo para el mundo de la automoción y de los diodos emisores de luz. Esta opción presenta dos ventajas que la hacen muy interesante:The next option refers to the encapsulation of solar and optical cell, based on thermally improved PCBs; the PCB's are composed of aluminum, dielectric and copper products commercials that are used especially for the world of automotive and light emitting diodes. This option presents Two advantages that make it very interesting:

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Permite realizar un layout de placa que contenga la conexión serie-paralelo entre células necesarias para realizar el módulo fotovoltaico. Esta característica le confiere un gran ahorro potencial en coste de operario y de máquina.It allows to make a plate layout that contain the serial-parallel connection between cells necessary to realize the photovoltaic module. This feature gives it a great potential savings in cost of Operator and machine.

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Facilita en gran manera el ensamble final del módulo al constituir a la vez parte del panel trasero del mismo.Facilitates assembly greatly end of the module by being part of the rear panel of the same.

En cuanto al proceso de ensamblaje final del módulo, es necesario integrar los elementos constituyentes del módulo con la precisión óptica adecuada. Dichos elementos constituyentes son el panel trasero, el cristal frontal y los elementos previamente encapsulados de célula y concentrador.As for the final assembly process of the module, it is necessary to integrate the constituent elements of the module with the right optical precision. These elements constituents are the rear panel, the front glass and the previously encapsulated cell and concentrator elements.

Una de las operaciones que se lleva a cabo en esta etapa de ensamblaje final del módulo es el pegado de lentes POE al cristal. La lente POE se adhiere al cristal por la superficie interior al módulo mediante una o varias láminas de adhesivo elastómero transparente. Este material (adhesivo elastómero transparente) es usado habitualmente para encapsulado de las células solares en los módulos fotovoltaicos convencionales, pero en este caso, en módulos de concentración, se emplea para adherir las lentes al cristal, evitando cualquier cámara de aire entre lente y cristal.One of the operations that is carried out in This final assembly stage of the module is lens bonding POE to the glass. The POE lens adheres to the glass by the interior surface to the module by one or several sheets of clear elastomer adhesive. This material (adhesive transparent elastomer) is commonly used for encapsulation of solar cells in conventional photovoltaic modules, but in this case, in concentration modules, it is used to adhere the lenses to the glass, avoiding any air chamber Between lens and glass.

Otra opción para el proceso de posicionamiento y pegado del POE al cristal es la de incorporar una pieza por POE que se ancle al sustrato y proporcione alojamiento mecánico. El adhesivo elastómero transparente es necesario igualmente para adherir las lentes al cristal frontal en este caso la función principal es la de acoplar índices de refracción.Another option for the positioning process and glued from the POE to the glass is to incorporate a piece by POE that be anchored to the substrate and provide mechanical housing. He transparent elastomeric adhesive is also necessary for adhere the lenses to the front glass in this case the function The main one is to couple refractive indexes.

Descripción de los dibujosDescription of the drawings

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as part member of that description, a set of drawings where with illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:

La figura 1.- Muestra prototipos de módulos fotovoltaicos de concentración, compuestos por un determinado número de células solares y concentradores.Figure 1.- Shows prototypes of modules photovoltaic concentration, composed of a certain number of solar cells and concentrators.

La figura 2.- Muestra una sección del sistema óptico concentrador compuesto por dos lentes. Se aprecia en el centro la ubicación de la célula solar.Figure 2.- Shows a section of the system optical concentrator consisting of two lenses. It is appreciated in the center the location of the solar cell.

La figura 3.- Muestra un ejemplo de cómo funciona el concepto célula + concentrador.Figure 3.- Shows an example of how it works The cell + concentrator concept.

La figura 4.- Muestra un esquema en sección del módulo fotovoltaico de concentración. Responde al diseño que se muestra como prototipo en la figura 1.Figure 4.- Shows a schematic section of the photovoltaic concentration module. Respond to the design that shown as a prototype in figure 1.

La figura 5.- Muestra un prototipo de Leadframe para el encapsulado de células de concentración.Figure 5.- Shows a prototype of Leadframe for encapsulation of concentration cells.

La figura 6.- Muestra un detalle del prototipo de Leadframe, donde se pueden apreciar los distintos orificios para permitir alojar el SOE así como favorecer el proceso de llenado de la lente secundaria SOE con un encapsulante transparente.Figure 6.- Shows a detail of the prototype of Leadframe, where you can see the different holes for allow hosting the SOE as well as favoring the process of filling the secondary SOE lens with a transparent encapsulant.

La figura 7.- Muestra otro detalle del prototipo Leadframe expandido para ser ubicado en el panel posterior del módulo.Figure 7.- Shows another detail of the prototype Expanded leadframe to be located on the rear panel of the module.

La figura 8.- Muestra un prototipo de PCB dimensionada para alojar 32 células solares.Figure 8.- Shows a PCB prototype sized to accommodate 32 solar cells.

La figura 9.- Muestra un detalle de la célula solar conectada eléctrica y mecánicamente al sustrato.Figure 9.- Shows a detail of the cell solar connected electrically and mechanically to the substrate.

La figura 10.- Muestra una fotografía de la lente primaria o POE.Figure 10.- Shows a photograph of the lens Primary or POE.

La figura 11.- Muestra una fotografía de la lente secundaria o SOE.Figure 11.- Shows a photograph of the lens secondary or SOE.

La figura 12.- Muestra una vista interior del módulo de concentración durante la fase final de ensamblaje. Se puede apreciar el detalle del perfil de aluminio y de las lentes POE adheridas al cristal mediante el adhesivo elastómero transparente.Figure 12.- Shows an interior view of the concentration module during the final assembly phase. Be you can appreciate the detail of the aluminum profile and the lenses POE adhered to the glass using the elastomeric adhesive transparent.

Realización preferente de la invenciónPreferred Embodiment of the Invention

A la vista de las figuras reseñadas puede observarse como un módulo fotovoltaico (1) de concentración (figura 1), que está compuesto por un número determinado de células solares (2) y concentradores o sistemas de lentes (3) y (4) que permiten la concentración de luz sobre el receptor o célula solar (2). Para llegar a su obtención es necesario realizar unos procesos de ensamblaje de los distintos elementos constitutivos: célula solar (2), sistema óptico y sustrato o base (5) sobre la que aloja a todo el conjunto.In view of the figures outlined you can observed as a concentration photovoltaic module (1) (figure 1), which is composed of a certain number of solar cells (2) and concentrators or lens systems (3) and (4) that allow concentration of light on the receiver or solar cell (2). For to obtain it it is necessary to carry out some processes of assembly of the different constituent elements: solar cell (2), optical system and substrate or base (5) on which it houses everything set.

La primera etapa del procedimiento de fabricación del módulo fotovoltaico de concentración es la de pegado de la célula solar (2) al sustrato (5) (ver figura 9) mediante pasta o epoxy, adhesivo conductor térmico y eléctrico. Este paso recibe el nombre de "Die bond" o "Die Attach" según la terminología de microelectrónica. De esta manera, además de proporcionar sujeción mecánica del dispositivo al sustrato, se le proporciona el contacto eléctrico posterior. Este proceso requiere un curado mediante temperatura de la pasta o epoxy de soldadura. La célula solar (2) al ser un dispositivo de dos terminales, necesita de dos contactos con el exterior, uno frontal y otro posterior.The first stage of the manufacturing process of the photovoltaic module of concentration is the one of stuck of the solar cell (2) to the substrate (5) (see figure 9) by paste or epoxy, thermal and electrical conductive adhesive. This step receives the name of "Die bond" or "Die Attach" according to terminology of microelectronics. In this way, in addition to providing mechanical attachment of the device to the substrate, the rear electrical contact. This process requires a cure. by solder paste or epoxy temperature. The cell solar (2) being a two-terminal device, it needs two contacts with the outside, one front and one rear.

A continuación se lleva a cabo el proceso de conexión del contacto frontal (6) al exterior mediante soldadura ultrasónica o termosónica (ver figura 9). Este proceso se realiza mediante hilos de oro o de aluminio de diámetro muy reducido, algunas decenas de micras. Esta etapa recibe el nombre de "Wire Bonding".Then the process of connection of the front contact (6) to the outside by welding ultrasonic or thermosonic (see figure 9). This process is done. by gold or aluminum wires of very small diameter, A few tens of microns. This stage is called "Wire Bonding. "

La siguiente operación es la de pegado de la lente secundaria (4) SOE (ver figura 11) al sustrato (5) con precisión por debajo de 20 micras, este proceso se realiza mediante máquinas automatizadas, precisa de un dispensado previo de un adhesivo que fije la lente al substrato. Una vez pegada la lente, es preciso realizar el curado del mismo.The next operation is to paste the secondary lens (4) SOE (see figure 11) to the substrate (5) with precision below 20 microns, this process is done by automated machines, requires a prior dispensing of a adhesive that fixes the lens to the substrate. Once the lens is stuck, it is necessary to cure it.

Posteriormente se lleva a cabo el llenado de la lente secundaria SOE (4), con un encapsulante transparente tipo gel o silicona. Con ello se trata de proteger la célula solar y los hilos del contacto frontal de cualquier posible alteración térmica que pueda provocar su desconexión. Este proceso recibe el nombre de "Potting" y se realiza a su vez a través de máquinas automatizadas de alta productividad.Subsequently the filling of the secondary lens SOE (4), with a transparent gel-type encapsulant or silicone This is about protecting the solar cell and the front contact wires of any possible thermal alteration that may cause its disconnection. This process is called "Potting" and is done in turn through machines High productivity automated.

Una de las opciones planteadas para llevar a cabo la etapa de encapsulado de célula y SOE es el encapsulado basado en Leadframes (figura 2), es decir, el encapsulado de célula y SOE sobre pequeñas placas de cobre (5') que presentan un diseño optimizado para ser empleados en máquinas de encapsulado propias de microelectrónica, se pretende aprovechar al máximo las capacidades de dichas máquinas, persiguiendo una productividad elevada.One of the options proposed to carry out The cell and SOE encapsulation stage is the encapsulation based on Leadframes (Figure 2), that is, cell encapsulation and SOE on small copper plates (5 ') that have a design optimized to be used in encapsulation machines of microelectronics, it is intended to take full advantage of the capabilities of said machines, pursuing high productivity.

En la figura 5 aparece un prototipo de leadframe, en él existe espacio para siete células solares, pero el número de posiciones puede ser mayor o menor, además presenta la ventaja de que permite una conexión en serie de las siete células que contiene. En la figura 6 se puede apreciar un detalle del leadframe con el lugar concreto donde se ubica la célula solar. Los orificios (7) que se aprecian están destinados a favorecer el alojamiento de la SOE y a facilitar las tareas "Potting" de relleno de material encapsulante. Las ranuras (8) constituyen, una vez cortadas y estiradas, la unión eléctrica (9) entre dos células solares adyacentes.Figure 5 shows a prototype of leadframe, there is room for seven solar cells, but the number of positions can be higher or lower, it also has the advantage of which allows a serial connection of the seven cells that contains In Figure 6 you can see a detail of the leadframe with the specific place where the solar cell is located. The holes (7) that are appreciated are intended to favor the accommodation of the SOE and to facilitate the "Potting" tasks of filling encapsulating material. The grooves (8) constitute, once cut and stretched, the electrical junction (9) between two cells adjacent lots.

El leadframe según se muestra en la figura 5, está ideado para poder cubrir las fases del proceso 1,2,3 y 4. Sin embargo, para hacer frente a la fase 5 del proceso, se cortan las uniones o ranuras (8) parcialmente de forma que permite un despliegue de todo el array (figura 6). La distancia entre células pasa entonces a ser la necesaria para poder situar las lentes POE (3) lo más próximas posible. En la figura 6 se aprecia la filosofa de este diseño y la gran ventaja potencial que presenta para reducir costes, al reducir el número de operaciones de soldadura. Una vez expandido el leadframe (figura 7), se procede a ensamblarlo en el panel posterior con la separación adecuada entre cada par de elementos que deje espacio suficiente para alojar los POEs (3).The leadframe as shown in Figure 5, It is designed to cover the phases of the process 1,2,3 and 4. Without However, to deal with phase 5 of the process, the joints or grooves (8) partially so as to allow a deployment of the entire array (figure 6). The distance between cells then it becomes the necessary to place the POE lenses (3) as close as possible. Figure 6 shows the philosophy of this design and the great potential advantage it presents for reduce costs by reducing the number of welding operations. Once the leadframe is expanded (figure 7), it is assembled on the back panel with the proper separation between each pair of elements that leave enough space to house the POEs (3).

Otra de las opciones que se presenta para el encapsulado de célula solar y óptica es la utilización de PCB's especiales (10) compuestas por un sustrato de metal aislado (figura 8). Estas PCB's (10) están formadas por un laminado de aluminio, dieléctrico y cobre. En la figura 8 se observa un prototipo de PCB adaptado para alojar 32 células solares, el alojamiento (11) previsto para cada célula solar presenta las mismas características que el ya descrito en el caso de los leadframes. En definitiva se trata de realizar las mismas fases del proceso con el mismo tipo de automatización.Another option presented for the encapsulated solar and optical cell is the use of PCB's special (10) composed of an insulated metal substrate (figure 8). These PCBs (10) are formed by an aluminum laminate, dielectric and copper. Figure 8 shows a PCB prototype adapted to accommodate 32 solar cells, the housing (11) planned for each solar cell has the same characteristics than the one already described in the case of leadframes. It is definitely try to perform the same phases of the process with the same type of automation.

En la figura 9 se ve el detalle de la célula solar (2) conectada eléctrica y mecánicamente al sustrato (5).Figure 9 shows the detail of the cell solar (2) electrically and mechanically connected to the substrate (5).

Dependiendo del tamaño de módulo deseado, éste puede estar compuesto de un determinado número de placas o PCB's. Cada una de estas placas debe unirse a las adyacentes para poder obtener las características de tensión y corriente deseadas.Depending on the desired module size, this one It can be composed of a certain number of boards or PCBs. Each of these plates must be attached to the adjacent ones to be able to Obtain the desired voltage and current characteristics.

Finalmente, para la consecución del proceso final de ensamblaje, es necesario integrar los elementos constituyentes del módulo con la precisión óptica adecuada (figura 12). Al realizar esta tarea el módulo queda compuesto por una cavidad que la componen (de arriba abajo siguiendo el camino de la luz): cristal frontal con los POEs (3) adheridos, sustrato (5) con los SOEs (4) y células solares (2) adheridos y un perfil de aluminio (12) en el perímetro que confiere rigidez al conjunto (ver figuras 4 y 12).Finally, to achieve the final process of assembly, it is necessary to integrate the constituent elements of the module with the appropriate optical precision (figure 12). To the perform this task the module is composed of a cavity that they compose it (from top to bottom following the path of light): front glass with the POEs (3) attached, substrate (5) with the SOEs (4) and solar cells (2) attached and an aluminum profile (12) on the perimeter that confers rigidity to the assembly (see figures 4  and 12).

El perfil de aluminio (12), por tanto, como elemento clave para definir el perímetro del módulo, alojar el cristal frontal (13) y el panel posterior (14); En el diseño específico del perfil, se ha previsto una pequeña cámara rellena de material desecante (ver figura 3). De esta forma, el aire contenido en el interior del módulo es aire seco evitando la condensación de vapor de agua que sería perjudicial para el funcionamiento correcto del módulo.The aluminum profile (12), therefore, as key element to define the perimeter of the module, host the front glass (13) and the rear panel (14); In the design specific to the profile, a small camera filled with desiccant material (see figure 3). In this way, the contained air inside the module is dry air preventing condensation of water vapor that would be detrimental to proper operation of the module.

Otra fase de la etapa final de ensamblaje es el pegado de lentes POE (3) al cristal frontal (13) (figura 3 y 12). La lente se adhiere al cristal por la superficie interior al módulo (1) mediante una o varias láminas de adhesivo elastómero transparente que actúan a modo de pegamento (el adhesivo elastómero transparente es un material usado habitualmente para el encapsulado de las células solares en los módulos fotovoltaicos convencionales). En el caso de módulos de concentración, se utiliza para adherir las lentes al cristal evitando cualquier cámara de aire entre lente y cristal. Además de sujeción mecánica, el adhesivo elastómero transparente aporta el acoplamiento de índices de refracción que minimiza las pérdidas ópticas por reflexiones (pérdidas de Fresnel). Para llevar a cabo esta operación, es necesario alterar el perfil de curado de adhesivo elastómero transparente e introducir ciertas modificaciones en el proceso.Another phase of the final assembly stage is the Glued POE lenses (3) to the front glass (13) (Figures 3 and 12). The lens adheres to the glass on the inside surface of the module (1) by one or several sheets of elastomeric adhesive transparent acting like glue (the elastomeric adhesive transparent is a material commonly used for encapsulation of solar cells in conventional photovoltaic modules). In the case of concentration modules, it is used to adhere the glass lenses avoiding any air chamber between lens and crystal. In addition to mechanical fastening, the elastomeric adhesive transparent provides the coupling of refractive indices that minimizes optical losses due to reflections (loss of Fresnel) To carry out this operation, it is necessary to alter The curing profile of transparent elastomer adhesive e introduce certain modifications in the process.

Por otro lado, la precisión en el posicionamiento debe ser alta porque el POE debe situarse a una distancia muy precisa frente al SOE y la célula ya que las precisiones ópticas derivadas del concentrador son las que hay que cuidar más en este módulo. En el conjunto total, célula, SOE y POE, la precisión en x, y, z debe ser de \pm 100 micras.On the other hand, positioning accuracy it must be high because the POE must be located at a very distance precise against the SOE and the cell since the optical accuracies concentrator derivatives are the ones that need to be taken care of more in this module. In the total set, cell, SOE and POE, the precision in x, and, z must be ± 100 microns.

En la figura 12 se muestra un paso intermedio de la fase de ensamblaje, en el se aprecian las lentes POE (3) adheridas al cristal frontal (13) y el detalle del perfil de aluminio (12) que proporciona el cierre en el perímetro del módulo (1). Este perfil permite alojar tanto el cristal (13) corno las PCB's (10) en las que está el SOE y la célula solar.An intermediate step of the assembly phase, in which POE lenses are appreciated (3) adhered to the front glass (13) and the profile detail of aluminum (12) that provides the closure in the perimeter of the module (one). This profile allows to accommodate both the glass (13) and the PCB's (10) in which is the SOE and the solar cell.

Otra opción para el posicionamiento y pegado del POE al cristal es la de incorporar una pieza que funcione como posicionador y que aloje al POE, anclándose al sustrato y proporcionando alojamiento mecánico con la precisión mencionada anteriormente. El adhesivo elastómero transparente para adherir al cristal frontal es necesario igualmente pero en este caso la función principal es la de acoplar índices de refracción.Another option for positioning and pasting the POE to the glass is to incorporate a piece that works as positioner and housing the POE, anchoring to the substrate and providing mechanical housing with the mentioned precision previously. The transparent elastomeric adhesive to adhere to front glass is also necessary but in this case the main function is to couple refractive indexes.

De esta forma el módulo fotovoltaico de concentración queda perfectamente ensamblado, presentado el aspecto que aparece en figura 1, y dispuesto para su instalación en sistemas seguidores del sol.In this way the photovoltaic module of concentration is perfectly assembled, presented the appearance that appears in figure 1, and arranged for installation in followers of the sun.

Claims (8)

1. Módulo fotovoltaico de concentración, caracterizado porque presenta células solares (2) de semiconductores compuestos III – V de la tabla periódica que se crecen bien mediante tecnología de deposición química de vapor a partir de precursores metalorgánicos, bien mediante epitaxia de haces moleculares o bien mediante epitaxia en fase líquida sobre sustratos (5) o (5') de germanio o GaAs fundamentalmente.1. Concentration photovoltaic module, characterized in that it presents solar cells (2) of compound semiconductors III-V of the periodic table that are grown well by chemical vapor deposition technology from metalorganic precursors, either by molecular beam epitaxy or by epitaxy in liquid phase on substrates (5) or (5 ') of germanium or GaAs mainly. 2. Módulo fotovoltaico de concentración, según reivindicación primera, caracterizado porque presenta un sistema óptico formado por dos lentes (3) y (4) que concentra la luz sobre la célula solar (2).2. Photovoltaic concentration module, according to claim one, characterized in that it has an optical system consisting of two lenses (3) and (4) that concentrates the light on the solar cell (2). 3. Módulo fotovoltaico de concentración, según reivindicación primera, caracterizado porque presenta un sistema óptico concentrador que funciona mediante reflexión total interna y refracción.3. Photovoltaic concentration module, according to claim one, characterized in that it has an optical concentrator system that operates by means of total internal reflection and refraction. 4. Procedimiento de ensamblaje de módulos fotovoltaicos de concentración, de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta las siguientes fases o procesos:4. Assembly method of photovoltaic concentration modules, of the preceding claims, characterized in that it has the following phases or processes:
--
pegado de la célula solar (2) al sustrato (5) o (5') mediante pasta o epoxi adhesivo conductor térmico y eléctrico;glued from the solar cell (2) to the substrate (5) or (5 ') by paste or thermal and electric conductive adhesive epoxy;
--
proceso de conexión del contacto frontal al exterior mediante soldadura ultrasónica o termosónica;front contact connection process outside by ultrasonic or thermosonic welding;
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proceso de pegado de la lente secundaria (SOE) (4) al sustrato (5) o (5') con alta precisión;secondary lens bonding process (SOE) (4) to the substrate (5) or (5 ') with high precision;
--
proceso de llenado de la lente secundaria (SOE) (4) con un encapsulante transparente tipo gel o silicona;lens filling process secondary (SOE) (4) with a transparent gel-type encapsulant or silicone;
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finalmente, el último paso es el ensamble general del módulo (1) cuyos elementos son el cristal frontal (13), las lentes primarias (POE) (3), (una por célula), el panel trasero (14), los conjuntos célula y secundario ya encapsulados (2-4) y los perfiles de aluminio (12) que le confieren al módulo rigidez mecánica.finally, the last step is the general assembly of the module (1) whose elements are glass frontal (13), primary lenses (POE) (3), (one per cell), the rear panel (14), the cell and secondary assemblies already encapsulated (2-4) and aluminum profiles (12) that give the module mechanical rigidity.
5. Procedimiento de ensamblaje de módulos fotovoltaicos de concentración, según reivindicación 4ª, caracterizado porque el encapsulado de la célula solar (2) y la lente SOE (4) se lleva a cabo mediante la opción de leadframe, (placas de cobre), permitiendo según diseño la conexión en serie de las células que contiene.5. Assembly procedure of photovoltaic concentration modules, according to claim 4, characterized in that the encapsulation of the solar cell (2) and the SOE lens (4) is carried out by means of the leadframe option (copper plates), allowing according to design the serial connection of the cells it contains. 6. Procedimiento de ensamblaje de módulos fotovoltaicos de concentración, según reivindicación 4ª, caracterizado porque el encapsulado de la célula solar (2) y la lente SOE (4) se realiza mediante la opción de PCB's (10) mejoradas térmicamente que se componen de aluminio, dieléctrico y cobre.6. Assembly procedure of photovoltaic concentration modules, according to claim 4, characterized in that the encapsulation of the solar cell (2) and the SOE lens (4) is carried out by means of the option of thermally improved PCB's (10) that are made of aluminum , dielectric and copper. 7. Procedimiento de ensamblaje de módulos fotovoltaicos de concentración, según reivindicación 4ª, caracterizado porque la lente POE (3) se adhiere al cristal (13) por la superficie interior al módulo mediante una o varias láminas de adhesivo elastómero transparente que evita, además, cualquier cámara de aire entre la lente y el cristal.7. Assembly procedure of photovoltaic concentration modules, according to claim 4, characterized in that the POE lens (3) adheres to the glass (13) by the inner surface of the module by means of one or several sheets of transparent elastomeric adhesive that also prevents any air chamber between the lens and the glass. 8. Procedimiento de ensamblaje de módulos fotovoltaicos de concentración, según reivindicación 4ª, caracterizado porque el posicionamiento y pegado del POE (3) se realiza incorporando una pieza de sujeción del POE al panel trasero o elemento que represente el plano de la célula solar y SOE (4) y que proporciona alojamiento mecánico.8. Assembly procedure of photovoltaic concentration modules, according to claim 4, characterized in that the positioning and gluing of the POE (3) is carried out by incorporating a fastening piece of the POE to the rear panel or element that represents the plane of the solar cell and SOE (4) and that provides mechanical housing.
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