ES2400634B2

ES2400634B2 - Módulos de sistema fotovoltaico de concentración usando células solares de semiconductores iii-v.

Info

Publication number: ES2400634B2
Application number: ES201031151A
Authority: ES
Inventors: Sunil Vaid
Original assignee: Emcore Solar Power Inc; Suncore Photovoltaics Inc
Current assignee: Suncore Photovoltaics Inc
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2013-12-03
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: ITMI20101392A1; CN102044585B; ES2400634A1; IT1401481B1; CN102044585A

Abstract

Un módulo de células solares para su uso en un sistema fotovoltaico de concentración que incluye una carcasa con un primer lado y un segundo lado opuesto y separado, una pluralidad de lentes en el primer lado de la carcasa; y una pluralidad de receptores de células solares en el segundo lado de la carcasa, cada uno de los receptores de células solares estando dispuesto en el camino óptico de una de entre la pluralidad de lentes. Cada uno de los receptores incluye al menos un elemento óptico posicionado sobre una célula solar de compuestos semiconductores III-V multiunión, un diodo de derivación acoplado en paralelo con la célula solar, y un disipador de calor dispuesto bajo la célula solar y acoplado térmicamente a la célula solar.

Description

MÓDULOS DE SISTEMA FOTOVOL TAlCO DE CONCENTRACiÓN USANDO

CÉLULAS SOLARES DE SEMICONDUCTORES III-V

Antecedentes

Se usan células solares para convertir energía solar o radiante en electricidad. Históricamente, la energía solar (tanto en el espacio como en tierra) se ha proporcionado de forma predominante con células solares de silicio. En los últimos años, sin embargo, el alto volumen de fabricación de células solares de alta eficiencia a base de compuestos de semiconductores III-V multiunión ha permitido la consideración de esta tecnología alternativa para la generación de energía en tierra. Comparadas con las de Si, las células de compuestos semiconductores III-V multiunión son, en general, más resistentes a la radiación y tienen mayores rendimientos en la conversión de energía, aunque tienden a ser más caras. Algunas células de compuestos semiconductores III-V tienen un rendimiento energético que supera el 27%, mientras que, en general, las de tecnología de silicio solo alcanzan un rendimiento de aproximadamente el 17%. En concentración, algunas de las actuales células de compuestos semiconductores III-V multiunión tienen rendimientos energéticos que superan el 37%. Cuando lo más importante es generar alta potencia o montajes solares más pequeños en una nave espacial u otro sistema de energía solar, a menudo se usan células de compuestos semiconductores multiunión en lugar de, o en combinaciones híbridas con, células basadas en silicio para reducir el tamaño del montaje.

En general, las células de compuestos semiconductores multiunión son de polaridad n-en-p y están constituidas por compuestos de INGaP/(ln)GaAs/Ge Se pueden hacer crecer capas de células solares de compuestos semiconductores III-V multiunión por medio de deposición química en fase vapor de compuestos metalorgánicos (MOCVD) sobre sustratos de Ge. Como sistema de células solares para aplicaciones terrestres tiene una tensión de salida que normalmente está en el intervalo de los cientos de voltios, y su corriente de salida está en el intervalo de las decenas de amperios. A estos niveles de potencia de salida, si los terminales de la célula solar no están protegidos, tienden a producirse descargas eléctricas incontrolables en forma de chispas, y esto puede causar daños a las células solares y a todo el sistema.

Breve descripción de la invención

La presente solicitud está dirigida a un módulo de células solares para convertir luz en electricidad. El módulo puede incluir una carcasa con un primer lado y un segundo lado separado y opuesto. Se puede colocar una pluralidad de lentes en el primer lado de la carcasa, y se puede colocar una pluralidad de receptores de células solares en el segundo lado de la carcasa. Cada uno de la pluralidad de receptores de células solares puede incluir una célula solar de compuestos semiconductores III-V multiunión. Cada uno puede también incluir un diodo de derivación acoplado con la célula solar. Se puede colocar al menos un elemento óptico sobre la célula solar para guiar la luz desde una de las lentes sobre la célula solar. Cada uno de dichos receptores de células solaes puede colocarse en el camino óptico de una de las lentes. La lente y el al menos un elemento óptico pueden concentrar la luz sobre la célula solar respectiva por un factor de 500 o más para permitir que la célula solar genere más de 15 vatios de potencia pico en CC a plena iluminación.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 es una vista en perspectiva de una implementación de un módulo de células solares. La Figura 2 es una vista en perspectiva de una implementación de un elemento óptico secundario. La Figura 3 es una vista en perspectiva en despiece parcialmente ordenado de una implementación de un receptor de células solares.

La Figura 4 es una perspectiva en despiece parcialm¡9nte ordenado que ilustra la célula solar y el sustrato cerámico metalizado de la Figura 3 con más detalle.

La Figura 5 es una vista en sección a lo largo de la línea X-X' de la Figura 3, de la célula solar, el sustrato cerámico metalizado y el disipador de calor

Realización preferente de la invención

La Figura 1 ilustra una implementación de un módulo de células solares 200 que comprende una matriz de lentes 210 Y los receptores de células solares correspondientes 300. Cada una de las lentes 210 está alineada con uno de los receptores de células solares 300. El módulo de células solares 200 puede incluir diversos números de lentes 210 y receptores de células solares

300. La Figura 1 incluye un módulo 200 con 15 lentes 210 Y receptores de célula solare 300 alineados en una matriz de 3 x 5.

Las lentes 210 están formadas sobre una plancha 211 de material óptico (por ejemplo, acrílico). En algunas implementaciones, las zonas de la plancha 211 no formadas como lentes 210 está fabricadas en forma parcial o totalmente opaca. Formando las lentes 210 a partir de una plancha continua 211 se pueden disminuir sustancialmente los costes. En primer lugar, al producir las lentes 210 sobre planchas grandes se disminuyen los costes de producción. En segundo lugar, los costes de montaje disminuyen porque sólo hay que linear un elemento (esto es, la plancha 211 de lentes) con los receptores de célula solar 300.En esta implementación,· la plancha 211 descansa encima de un marco de alineación 221 de una carcasa 220.

Se pueden disponer una o más aberturas de ventilación 228 para facilitar el flujo de aire a través de la carcasa 200. En una forma de realización, las aberturas 228 están posicionadas en las paredes laterales de la carcasa 220 y aproximadamente 7,62 cm por debajo de las lentes 210. El tamaño de las aberturas 228 puede variar. En una forma de realización, cada abertura tiene forma circular con un diámetro de aproximadamente 2,54 cm. Se puede extender una cubierta 229 a través de la aberturas 228 y que actúe como un filtro para impedir la introducción de humedad y suciedad en la carcasa 220. La cubierta 229 puede construirse con una diversidad de materiales, incluidos, entre otros, GORETEX, nailon y polivinilideno.

El marco 221 puede incluir una pluralidad de elementos de alineación de marco, tales como agujeros. Los elementos de alineación pueden estar roscados o adaptados de otra manera para recibir un elemento de sujeción. La plancha 211 puede incluir elementos de alineación de plancha, tales como pasadores, tornillos u otros elementos que se alinean y acoplan a los elementos de alineación del marco. Los elementos de alineación del marco y

. los elementos de alineación de la plancha están situados de tal forma que acoplando los elementos de alíneación de la plancha con los elementos dé alineación del marco, cada una de las lentes 210 está alineada con el receptor de célula solar correspondiente 300. Los elementos de alineación se localizan generalmente en un punto central definido por cuatro de las lentes 210. En una forma de realización, un elemento de alineación está situado en un punto

central definido por las lentes 210a, 210b, 210c y 210d. Otro elemento de alineación puede estar situado en un punto central defínido por otras cuatro . lentes 210. Este patrón de localizar los elementos de alineación en un punto central definido por cuatro lentes puede continuar a todo lo largo de toda la

plancha 211.

En algunas implementaciones, la superficie 222 de la carcasa 220

comprende dispositivos de alineación que aseguran que cada uno de los

receptores de células solares 300 está situado en una posición

predeterminada. Estos dispositivos pueden acoplarse en cada uno de los

receptores de célula solar 300.

En algunas implementaciones, cada una de las lentes 210 es una lente Fresnel de vidrio, disponible comercialmente de diversos fabricantes. El receptor de célula solar 300 correspondiente está situado en la superficie 222 en un extremo opuesto de la carcasa 220. Cada uno de los receptores de células solares 300 incluye una célula solar 310 correspondiente dispuesta en el camino óptico de la lente 210 correspondiente, esto es, de forma que la célula solar 310 correspondiente recibe luz que pasa a través de la correspondiente lente 210. En algunas implementaciones se utilizan elementos ópticos adicionales para colocar la célula solar en el camino óptico de la lente. Por ejemplo, elementos ópticos secundarios 400 se corresponden con cada par de receptores de células solares 300 y con las lentes 210. Los elementos ópticos secundarios 400 recogen la luz de la lente 210 y la dirigen a la célula solar 310 del receptor de célula solar 300. En algunas implementaciones, cada uno de los receptores de células solares 300 está dotado del elemento óptico secundario 400 correspondiente.

Otro elemento óptico incluye un concentrador 450 que está situado entre cada una de las parejas de receptores de células solares 300 y lente 210. El concentrador concentra la luz sobre la célula solar 310. El concentrador es un componente óptico que puede ser fabricado según especificación por un número de fabricantes distintos.

Aunque algunas lentes Fresnel pueden concentrar más luz solar que algunas lentes convexas, las implementaciones pueden usar cualquier tipo de lente 210 que concentre la luz solar incidente. Por ejemplo, cualquiera de las lentes 210 puede tomar la forma de una lente biconvexa, una lente planoconvexa o una lente cóncavo-convexa. Las lentes 210 pueden también comprender un recubrimiento multicapa antireflectante. En un módulo 200, cada una de las lentes 210 puede ser la misma, o el módulo 200 puede incluir dos o más tipos distintos de lentes 210.

Se puede elegir una distancia X medida entre la plancha 211 que

. comprende las lentes 210 Y las células solares 310 de los receptores de células solares 300 correspondientes en función de la longitud focal de las lentes 210. En algunas implementaciones, la carcasa 220 está dispuesta de forma que la célula solar 310 de cada receptor de célula solar 300 correspondiente esté dispuesta en o cerca del punto focal de la lente 210 respectiva. En algunas implementaciones, la longitud focal de cada una de las lentes 210 está entre aproximadamente 2,54 cm y 7,62 cm. En algunas implementaciones, la longitud focal de cada lente 210 está entre aproximadamente 3,81 cm y 5,08 cm. En algunas implementaciones, la longitud focal de cada lente 210 es de aproximadamente 40,085 cm. En algunas implementaciones, la longitud focal de cada lente 210 varía y la carcasa 220 proporciona múltiples distancias distintas (p. ej., aquéllas que son mayores y/o menores que la distancia X) entre la plancha 211 y la superficie

222.

La carcasa 220 y la plancha de lentes 211 pueden formar un espacio interior cerrado que protege los receptores de célula solar 300 del medio ambiente.

Algunas implementaciones, las lentes 210 concentran la luz solar incidente hasta 1.000 veces la concentración normal (esto es, 1000 soles) o más. Otras implementaciones pueden incluir otras concentraciones. De forma general, el rendimiento en la conversión de energía solar en electricidad se incrementa bajo iluminación concentrada. Por ejemplo, a aproximadamente 1000 soles aproximadamente, un único receptor de célula solar puede generar 25 vatios o más de potencia eléCtrica. En otro ejemplo, a aproximadamente 470 soles o más, un módulo con una única célula solar puede generar 14 vatios o más de potencia eléctrica. La cantidad de potencia eléctrica que un módulo puede producir puede variar dependiendo de, por ejemplo, la combinación de características de las células solares (por ejemplo, tamaño, composición) y las propiedades de la óptica asociada (por ejemplo, concentración, foco, alineación).

En algunas implementaciones, las células solares 310 de cada uno de los receptores de células solares 300 respectivos es una célula solar de triple unión III-V, con cada una de las tres subcélulas dispuestas en serie. En aplicaciones en las que se usan múltiples módulos 200 de células solares, los receptores 210 de los módulos de células solares 200 normalmente están conectados entre sí eléctricamente en serie. Sin embargo, otras aplicaciones pueden usar conexiones en paralelo o serie-paralelo. Por ejemplo, los receptores 300 dentro de un módulo 200 dado pueden estar eléctricamente conectados entre sí en serie, pero los módulos 200 están conectados entre sí en paralelo.

Como se ha explicado previamente, se puede situar un elemento óptico secundario ("EOS") 400 entre la lente 210 y la célula solar 310 correspondiente. Una implementac1ón de un EOS se muestra en la figura 2. El EOS 400 está dispuesto dentro de la carcasa 220 del módulo de células solares 200 y, en general, está diseñado para recoger energía solar concentrada por una de las lentes 210 correspondientes. En algunas implementac1ones, cada uno de los receptores solares 300 tiene un EOS 400 correspond iente.

El EOS 400 comprende un elemento óptico 401 con una entrada óptica 402 y una salida óptica 403, un cuerpo 404 y orejetas de montaje 405. El EOS 400 está montado de de tal forma que el elemento óptico 401 está dispuesto por enc1ma de la célula solar 310 del correspondiente receptor de célula solar

300. Aunque puede variar en func1ón de la implementación, el EOS 400 está montado de tal forma que la salida óptica 403 está a aproximadamente 0,5 mm de la célula solar 310 (por ejemplo, la dimensión 406 es de aproximadamente 0,5 mm). En algunas implementac1ones, las orejetas de montaje 405 se acoplan a la cara 222 de la carcasa 220. El EOS 400 puede estar formado de metal, plástico, vidrio u otros materiales.

En algunas implementaciones, el elemento óptico 401 tiene una secc1ón transversal genéricamente cuadrada que se ahusa desde la entrada 402 hac1a la salida 403. La superficie interior 407 del elemento óptico refleja la luz descendente hacia la salida 403. En algunas implementac10nes se recubre la superfic1e interior 407 con plata u otro material para conseguir una reflectividad alta. En algunos casos, el recubrimiento reflexivo está protegido por un recubrimiento de pasivación tal como el Si02 como protecc1ón frente a la oxidac1ón, el deslustrado o la corrosión. El camino desde la entrada óptica 402 a la salida óptica 403 forma un canal óptico ahusado que captura la energía solar de la lente 210 correspondiente y la guía a la célula solar 310 correspondiente. Tal como se muestra en esta implementación, el EOS 400 comprende un elemento óptico 401 que tiene cuatro paredes reflectoras. En otras implementaciones, se pueden emplear diferentes formas (por ejemplo con tres lados formando una sección triangular).

En condiciones ideales, la lente 210 correspondiente asociada con el EOS 400 enfoca la luz directamente sobre la célula solar 310, sin que la luz incida sobre el SOE 400. En la mayoría de las circunstancias, la lente 210 no enfoca la luz directamente sobre la célula solar 310. Esto puede suceder debido a una diversidad de causas, incluidas, pero sin limitarse a, la aberración cromática de un diseño refractivo de lente, la desalineación de la célula solar 310 respecto a la lente 210 durante la construcción, la desalineación durante la operación debido a un error del seguidor, la flexión estructural y la carga de viento. Por tanto, en la mayoría de las condiciones, la lente 210 enfoca la luz de forma que se refleja en el EOS 400. La diferencia entre una instalación ideal y una instalación desalineada puede ser una variación menor en la posición de la lente 210 de menos de 10. Por tanto, el EOS 400 actúa como un recogedor de la luz dispersada y hace que llegue más luz a la célula solar 310. En circunstancias en las que la lente 210 correspondiente no enfoca la luz directamente sobre la célula solar 310. El EOS 400 puede incluir una región intermedia reflectora multicapas, tal como la que se revela en la solicitud de patente de EE.UU. N° 12/402.814 presentada en el 12 de Marzo de 2009, que se incorpora en la presente memoria descriptiva por referencia, en su totalidad.

La región intermedia reflectora multicapa puede estar formada a partir de diferentes materiales y puede tener diferentes características ópticas de forma que la capacidad de reflectividad de los rayos de luz sobre el EOS 400 y transmitida a la célula solar 310 optimiza la irradiancia agregada en la superficie de la célula solar 310 respecto al espectro solar incidente. Por ejemplo, en algunas implementaciones, se puede recubrir la superficie interior del 407 con plata o con otro material para conseguir una alta capacidad de reflectividad. En algunos casos, el recubrimiento reflexivo está protegido por un recubrimiento de pasivación tal como el Si02 para proteger al EOS 400 frente a la oxidación, el deslustrado o la corrosión. El EOS 400 puede, asimismo,

homogeneizar (por ejemplo, mezclar) la luz. En algunos casos, también tiene

algún efecto concentrador.

En algunas implementaciones, la entrada óptica 402 tiene forma

cuadrada y mide aproximadamente 49,60 mm x 49,60 mm (dimensión 408), la

salida óptica es de forma cuadrada y mide aproximadamente 9,9 mm x 9,9 mm

(dimensión 409) y la altura del elemento óptico es de aproximadamente 70,104

mm (dimensión 410). Las dimensiones 408, 409 Y 410 pueden variar con el

diseno del módulo de células solares 200 y el receptor de célula solar 300. Por

ejemplo, en algunas implementaciones, las dimensiones de la salida óptica 403

son aproximadamente las mismas que las dimensiones de la célula solar 310.

Para un EOS 400 que tenga estas dimensiones, el ángulo de media inclinación

es de 15,8°.

Cada una de las células solares 310 puede ser una célula solar de

compuestos semiconductores III-V de triple unión que comprende una célula . superior, una célula intermedia y una célula inferior dispuestas' en serie. En otra forma de realización, las células solares 310 son células solares multiunión que tienen polaridad n en p y compuestas por compuestos de InGaP/(ln)GaAs III-V sobre un sustrato de Ge. En cada caso, las células solares 310 están posicionadas para recibir la energía solar enfocada desde el EOS 400 y/o la

lente 210 correspondiente.

Se puede disponer un recubrimiento antirreflejante en la célula solar

310. El recubrimiento antirreflejante puede ser un recubrimiento antirreflejante multicapa que proporcione una baja' reflectividad en un determinado intervalo de longitudes de onda, por ejemplo, de 0,3 a 1,8 !-1m. Unejeniplo de recubrimiento antirreflejante es una pila dieléctrica de TiOjAI20 3 de capa doble.

Tal como se ilustra en la figura 3, las orejetas 405 del EOS 400 pueden configurarse para fijar el EOS 400 a un soporte 230 por medio de una o más fijaciones 231. El soporte 230 se proporciona para el montaje del EOS 400 sobre un disipador de calor 350 por medio de una o más fijaciones 232. El soporte 230 es conductor térmico de forma que la energía generada por el EOS 400 en operación pueda transferirse al disipador de calor 350 y disiparse.

En una forma de realización, tal como se muestra en las figuras 3 y 4, se dispone un concentrador entre la salida 403 del EOS 400 y la célula solar 310. El concentrador 450 es, de forma preferente de vidrio, y tiene una entrada óptíca 451 Y una salida óptica 452. En una forma de realización, el concentrador 450 es vidrio sólido. El concentrador 450 amplifica la luz que sale del EOS 400 y dirige la luz amplificada hacia la célula solar 310. En algunas implementaciones, el concentrador 450 tiene una sección transversal genéricamente cuadrada que se ahusa desde la entrada 451 hacia la salida

452. En algunas implementaciones, la entrada óptica 451 del concentrador 450 es de forma cuadrada y es de aproximadamente 2 cm x 2 cm y la salida óptica 452 es de aproximadamente 0,9 cm x 0,9 cm. Las dimensiones del concentrador 450 pueden variar con el diseño del módulo solar 200 y del receptor de célula solar 300. Por ejemplo, en algunas implementaciones, las dimensiones de la salida óptica 452 son aproximadamente las mismas que las dimensiones de la célula solar 310. En una forma de realización, el concentrador 450 es un concentrador 2X. La superficie inferior del concentrador 450 puede fijarse directamente a la superficie superior de la célula solar 310 usando un adhesivo tal como un adhesivo de silicona. La célula solar 310 convierte la luz solar entrante en electricidad directamente, por el efecto fotovoltaico.

En algunas formas de realización, tal como se ilustra en las Figuras 1 y 3, están colocados tanto un EOS 400 como un concentrador 450 a lo largo del camino óptico entre la lente 210 correspondiente y la célula solar 310. Otras formas de realización pueden incluir sólo uno de estos elementos ópticos situados en el camino óptico. Otras formas de realización pueden incluir ninguno de estos elementos a lo largo del camino óptico. Dentro de un módulo 200, cada una de las parejas lente 210/célula solar 310 puede inc.luir la misma

o diferente combinación de elementos para dirigir la luz.

Tal como se ilustra en las Figuras 3 y 4, hay un diodo de derivación conectado 360 en conectado paralelo con la célula solar 310. En algunas implementaciones, el diodo 360 es un dispositivo semiconductor, tal como un diodo de derivación Schottky o una unión p-n que ha crecido epitaxialmente. A efectos de ilustración, el diodo de derivación 360 es un diodo de derivación Schotiky. Se proporcionan terminales de conexión 361 y 362 para la conexión externa de la célula solar 310 Y el diodo 360 a otros dispositivos, por ejemplo, receptores de célula solar adyacentes (no ilustrados).

La funcionalidad del diodo de derivación 360 puede apreciarse considerando múltiples células solares 310 conectadas en serie. Cada célula solar 310 puede verse como una batería, con el cátodo de cada uno de los diodos 360 conectado al terminal positivo de la "batería" asociada y el ánodo de cada uno de los diodos 360 conectado al terminal negativo de la "batería" asociada. Cuando uno de los receptores de célula solar 300 conectados en serie resulta dañado o en sombra, su tensión de salida se reduce o elimina (por ejemplo, a un valor inferior a la tensión umbral del diodo asociado 360) Por tanto, el diodo asociado 360 se vuelve polarizado en sentido directo, y la corriente derivada fluye solamente a través del diodo 360 (y no a través de la célula solar 310). De esta manera, los receptores de célula solar 300 no dañados o sin sombra siguen generando electricidad a partir de la energía solar recibida por dichas células solares. Si no fuera por el diodo de derivación 36·0, prácticamente la totalidad de la electricidad producida por los otros receptores de célula solar pasaría a través del receptor de célula solar dañado

o sombreado, destruyéndolo, y creando un circuito abierto dentro de, por ejemplo, el panel o el conjunto.

El receptor de célula solar 300 también incluye un sustrato cerámico 370 tal como sustrato de alúmina para el montaje de la célula solar 310 y el disipador de calor 350 para disipar el calor generado por la célula solar 310 en

. funcionamiento.

La Figura 4 ilustra la célula solar 310 Yel sustrato cerámico 370 con más detalle. El sustrato cerámico 370 tiene metalizadas las superficies superior e inferior 371 y 372. Ambas superficies 371 y 372 del sustrato cerámico 370 están metalizadas para incrementar la capacidad de transferencia de calor del sustrato cerámico 370, lo que permite al receptor de célula solar 300 gestionar de forma más adecuada los rápidos cambios de temperatura que se producen debido a la variación abrupta de las condiciones de operación de las células solares. Por ejemplo, la célula solar 310 genera energía calorífica cuando convierte luz en electricidad. Teniendo metalizadas ambas superficies superior e inferior 371 y 372 del sustrato cerámico 370 se proporciona un intercambio de energía térmica más rápido desde la célula solar 310 al disipador de calor 350 para su d ísipación. La condición contraria se prod uce cuando la célula 310 queda repentinamente sombreada. Esto es, la célula solar 310 deja de generar electricidad y rápidamente se enfría, tal como lo hace el EOS 400. Las superficies superior e inferior metalizadas 371 y 372 del sustrato cerámico 370 previenen que la célula solar 310 se enfríe demasiado deprisa mediante la transferencia de energía calorífica desde el disipador de calor 350 a la célula solar 310 y, dependiendo de las condiciones térmicas, también al EOS 400. La capacidad aumentada de transferir calor del receptor de célula solar 300 reduce la cantidad de tensión aplicada a la interfaz entre la célula solar 310 yel sustrato cerámico 370 durante los cambios rápidos de temperatura, asegurando una interfaz fiable célula solar-sustrato.

La superficie superior metalizada 371 del sustrato cerámico 370 está en contacto con la célula solar 310 Y tiene regiones de conducción separadas 375 y 376 para proporcionar vías conductoras eléctricamente aisladas a la célula solar 310, La primera región conductora 375 proporciona un contacto eléctrico anódico para la célula solar 310 y la segunda región conductora 376 proporciona un punto de conexión catódico a la célula solar 310. La célula solar 310 tiene una superficie inferior conductora 372, oculta en la Figura 4, pero visible en la sección transversal de la Figura 5, que está situada en', y conectada a, la primera región conductora 375 de la superficie metalizada superior 371 del sustrato cerámico 370. La superficie superior opuesta 311 de la célula solar 310 tiene un área de contacto conductora 312 conectada a la segunda área conductora 376 del sustrato cerámico 370.

En una forma de realización, la superficie conductora inferior 313 de la célula solar 310 forma un terminal anódico de la célula solar 310 y el área de contacto conductora 312 dispuesta en la superficie superior 311 de la célula solar 310 forma un terminal catódico, De acuerdo con esta forma de realización, la superficie inferior conductora 313 de la célula solar 310 está posicionada en la primera región conductora 375 del sustrato cerámico 370 y eléctricamente aislada de la segunda región conductora 376, para asegurar una correcta operación de la célula solar 310. En una forma de realización, la primera región conductora 375 del sustrato cerámico 370 está al menos parcialmente rodeada por tres lados por la segunda región conductora en una zona periférica del sustrato cerámico 370.

En una forma de realización, el área de contacto conductora 312 dispuesta en la superficie superior 311 de la célula solar 310 ocupa el perímetro de la célula solar 310. En algunas implementaciones, la superficie de contacto superior 312 puede se menor o mayor para permitir el tipo de conexión deseada. Por ejemplo, el área de contacto superior 312 puede tocar solamente uno, dos o tres lados (o partes de los mismos) de la célula solar 310. En algunas implementaciones, el área de contacto superior 312 se hace lo más pequeña posible para maximizar el área que convierte energía solar en electricidad, a la vez que se permite la conexión eléctrica. Mientras que la dimensiones particulares de la célula solar 310 variarán en función de la aplicación, las dimensiones normales son de aproximadamente 1 cm2. Por ejemplo, un conjunto de dimensiones estándar puede ser de aproximadamente 12,58 mm x 12,58 mm en total, aproximadamente 0,160 mm de espesor, y un área activa total de 108 mm2• Por ejemplo, en una célula solar 310 que sea aproximadamente de 12,58 mm x 12,58 mm, la superficie superior de contacto conductora 312 puede ser de alrededor de 0,98 mm de ancho y el área activa puede ser de alrededor de 10 mm x 10 mm.

El área de contacto superior conductora 312 de la célula solar 310 puede estar formada por diversos materiales conductores, por ejemplo, cobre, plata, y/o plata recubierta con oro. En esta implementación, el lado de la célula solar 310 que recibe la luz es el cátodo n-conductor (esto es, el emisor) y, por tanto, el área conductora de contacto superior 312 está dIspuesta sobre el lado del cátodo de la célula solar 310. En una forma de realización, el área conductora de contacto superior 312 de la célula solar 310 está unida por hilo a la segunda región conductora 376 de la superficie metalizada superior 371 del sustrato cerámico 370 por medio de uno o más hilos de unión 365. El número de hilos de unión 365 usados en una realización puede estar relacionado, entre otras cosas, con la cantidad de corriente generada por la célula solar 310. En general, cuanto mayor sea la corriente, mayor será el número de hilos de unión 365 que se usan.

El diodo de derivación 360 acopla en la primera región conductora 375 de la superficie superior metalizada 371 del sustrato cerámico 370 a la segunda región conductora 376. En una realización, un terminal catódico del diodo de derivación 360 está conectado al terminal anódico de la célula solar 310 a través de la primera región conductora del sustrato cerámico 370 y un terminal anódico del diodo de derivación 360 está conectado eléctricamente al terminal catódico desde la célula solar 310 a través de la segunda región conductora 376 del sustrato cerámico 370. El terminal anódico de la célula solar 310 está formado por la superficie inferior conductora 313 de la célula solar 310 tal como se ha descrito antes y está oculto en la Figura 4, pero se ve en la sección transversal de la Figura 5. El terminal catódico de la célula solar

310 está formado por el área de contacto superior conductora 312 de la célula

solar tal como también se ha descrito en lo que antecede. Los terminales de

conexión externa 361 y 362 dispuestos en la superficie superior metalizada 371

del sustrato cerámico 370 proporcionan el acoplamiento eléctrico de un

'5: dispositivo a la célula solar 310 y el diodo de derivación 360. En algunas

realizaciones, los terminales de conexión 361 y 362 corresponden a los

terminales ánodo y cátodo, y están diseñados para aceptar conectores de

enchufe (no mostrados) para la conexión a los receptores de célula solar

adyacentes.

10: La superficie superior 371 del sustrato cerámico 370 puede metalizarse

fijando las capas de metalización 375 y 376 al sustrato. En una forma de

realización, se forman los agujeros 377 en las capas, de metalización 375 y

376. La Figura 4 muestra el sustrato cerámico con dos capas de metalización

375 y 376 fijadas a la superficie superior del sustrato 371 (la superficie inferior

15: metalizada está oculta en la Figura 4, pero es visible en la sección transversal

de la Figura 5). Se pueden formar en el sustrato cerámico 370 topes 378

correspondientes (ocultos en la Figura 4 pero visibles en la sección transversal

de la Figura 5). Los topes 378 están al menos parcialmente asentados en los

agujeros 377 formados en las capas de metalización 375 y 376. Los agujeros

20: 377 en las capas de metalización 375 y 376 se llenan entonces con soldadura

u otro tipo de material de unión tal como un adhesivo, fijando las capas de

metaliZación 375 y 376 a la superficie superior 371 del sustrato cerámico 370.

La superficie inferior 372 del sustrato cerámico 370 puede metalizarse de igual

forma. Como alternativa, no se producen topes 378 en le sustrato cerámico

25: 370 Y el sustrato es relativamente plano dentro de las tolerancias de

fabricación normales

La Figura 5 ilustra una vista en sección transversal de la célula solar

310, el sustrato cerámico 370 y el disipador de calor 350 del receptor de célula

solar 300 a lo largo de la línea marcada con X-X' en la Figura 3. El EOS 400, el

30: concentrador de luz 450 y los terminales 361, 362 no se muestran en la Figura

5 para simplificar la representación. Las superficies superior e inferior 371 y

372 del sustrato cer$mico 370 pueden tener topes 378 que están al menos

parcialmente asentados en los agujeros 377 formados en las capas de

metalización 375, 376 Y 379 para fijar las capas de metalización al sustrato

35: cerámico 370 tal como se ha descrito en lo que antecede. De forma alternativa,

el sustrato cerámico 370 es relativamente plano dentro de las tolerancias normales de fabricación. En ambos casos, las superficies superior e inferior 371 y 372 del sustrato cerámico 370 están metalizadas. La superficie superior metalizada 371 del sustrato 370 tiene regiones conductoras separadas 375 y 376 para proporcionar conexiones anódica y catódica eléctricamente aisladas para la célula solar 310 tal como se ha descrito con anterioridad.

La célula solar 310 tiene una superficie conductora inferior 313 conectada a la región conductora 375 de la superficie superior metalizada 371 del sustrato cerámico 370. En una forma de realización, la superficie conductora inferior 313 de la célula solar 310 forma el terminal anódico de la célula solar 310 Y el área de contacto conductora 312 dispuesta en la superficie superior 311 de la célula 310 forma el terminal catódico de la célula solar310. La superficie inferior conductora 313 de la célula solar está situada en la primera región conductora 375 de la superficie superior metalizada 371 del sustrato cerámico 370 y está eléctricamente aislada de la segunda región conductora 376 para asegurar una correcta operación de la célula solar 310.

La superficie inferior 372 del sustrato cerámico 370 también tiene una capa de metalización 379 que está unida al disipador de calor 350 por medio de un medio de unión 380 de alta conductividad térmica, tal como un adhesivo epoxi con carga metálica o soldadura. Cargar un adhesivo epoxi tal como la silicona, con un metal incrementa la conductividad térmica de la interfaz entre el sustrato cerámico 370 y el disipador de calor 350, mejorando más aún las características de transmisión térmica del receptor de célula solar 300. En una forma de realización, el medio de fijación de alta conductividad térmica es un adhesivo epoxi con cargas metálicas que tiene un espesor fepoxi de aproximadamente 0,0254 mm a 0,0762 mm. El adhesivo epoxi con cargas metálicas puede ser aplicado a la superficie inferior metalizada 372 del sustrato cerámico 370, el disipador de calor 350 o ambos y después curado para unir el disipador de calor 350 al sustrato 370. En una forma de realización, el disipador de calor 350 es un disipador de calor extruido en una única pieza de aluminio tal como se muestra en la figura 3.

El receptor de célula solar 300 puede fabricarse proporcionando el sustrato cerámico metalizado 370 y conectando la superficie conductora inferior 313 de la célula solar 310 a la primera región conductora 375 de la superficie superior metalizada 371 del sustrato 370. El área de contacto conductora 312 dispuesta en la superficie superior 311 de la célula solar 310 está conectada a la segunda región conductora 376 de la superficie superior metalizada 371 del sustrato cerámico 370, por ejemplo, mediante uno o más hilos de contacto 365. El disipador de calor 350 está unido a la superficie

5 inferior metalizada 372 del sustrato cerámico por medio del adhesivo con carga metálica 380.

En diversas implementaciones descritas en el presente documento, se usa una célula solar de materiales compuestos semiconductores III-V de triple unión, pero se podrían usar células solares de otros tipos dependiendo de la

10 aplicación. Las células solares 310 pueden estar formadas de, por ejemplo, silicio (incluido amorfo, nanocristalino o protocristalino) teluro de cadmio, CIGS (diseleniuro de cobre indio galio), CIS (películas de calcopirita de seleniuro de indio y cobre (CulnSe2)), arseniuro de galio (por ejemplo, multiuniones de GaAs), tintes absorbentes de luz (por ejemplo tinte de rutenio metalorgánico) o

15 semiconductores orgánicos (por ejemplo, polifenileno vinileno, ftalocianuro de cobre o fulerenos de carbono). Dado que un único módulo solar 200 no puede producir suficiente electricidad para una aplicación dada, podrán agruparse dos o más módulos de células solares 200 juntos para dar un conjunto. A estos conjuntos se

20 refieren a veces como "paneles" o "paneles solares".

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un módulo de células solares para un sistema fotovoltaico de concentración que comprende: una carcasa que comprende un primer lado y un segundo lado opuesto y separado; una pluralidad de lentes en el primer lado de la carcasa; una pluralidad de receptores de célula solar en el segundo lado de la carcasa, estando cada uno de la pluralidad de los receptores de célula solar dispuesto en el camino óptico de la respectiva lente incluida en la pluralidad de lentes, del primer lado de la carcasa comprendiendo cada receptor:

una célula solar de compuestos semiconductores III-V multiunión

incluyendo una primera superficie y una segunda superficie;

un diodo de derivación acoplado en paralelo con la célula solar;

un disipador de calor situado debajo de la segunda superficie de la

célula solar térmicamente acoplada a la célula solar; y

al menos un elemento óptico posicionado por encima de la primera superficie para guiar la luz a la célula solar, donde el receptor incluye un sustrato cerámico tiene la superficie superior metalizada, con la célula solar y el diodo de derivación montados en dicha superficie superior del sustrato y estando el disipador de calor montado en la superficie inferior del sustrato, caracterizado porque la superficie inferior del sustrato también está metalizada y el disipador de calor está unido a la superficie inferior metalizada del sustrato cerámico por medio de un adhesivo epoxi con cargas metálicas, incluyendo dicho disipador una estructura extruida en una sola pieza de aluminio incluyendo una placa plana que tiene un lado superior directamente contiguo al sustrato, y un lado inferior con una pluralidad de aletas más planas que radian desde una línea que se extiende a lo largo del centro del lado inferior.
2.

El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que al menos un elemento óptico está situado en el camino óptico formado entre una lente y la célula solar correspondiente, e incluye un elemento óptico secundario hueco dispuesto en el camino óptico que incluye una abertura de entrada encarada

alejada de la célula solar para recibir la luz y una abertura de salida encarada hacia la célula solar para dirigir la luz hacia la célula solar, con el elemento óptico secundario incluyendo una forma de sección decreciente siendo la abertura de entrada mayor que la abertura de salida.
3.

El módulo de células solares de la reivindicación 1, en la que al menos un elemento óptico incluye un concentrador sólido de vidrio dispuesto dentro del camino óptico y que incluye una entrada óptica encarada respecto a la célula solar y una salida óptica encarada hacia la célula solar, incluyendo el concentrador una forma de sección decreciente con la entrada óptica mayor que la salida óptica.
4.

El módulo de células solares de la reivindicación 3, en el que el concentrador sólido de vidrio tiene un poder de concentración de 2X.
5.

El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de lentes del primer lado de la carcasa son lentes de vidrio Fresnel dispuestas en una matriz de 3 x 5.
6.

El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que la carcasa y la pluralidad de lentes forman un interior cerrado con la célula solar dispuesta dentro del interior cerrado.
7.

El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de lentes está construida como una plancha de lentes unificada que se extiende a través del primer lado de la carcasa.
8.

El módulo de células solares de la reivindicación 2, en el que el elemento óptico secundario está asegurado al disipador de calor con un soporte.
9.

El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que el receptor incluye un sustrato cerámico con una primera y segunda trazas conductoras separadas, estando la primera traza conductora está acoplada a un contacto

superior de la célula solar, y una segunda traza conductora estando directamente acoplada al contacto inferior de la célula solar.
10.

El módulo de células solares de la reivindicación 1, que además comprende una pluralidad de aberturas cubiertas en la carcasa para facilitar el flujo de aire a través de la carcasa.
11.

El módulo de células solares de la reivindicación 10, que además comprende un primer terminal de salida metálico montado en, y eléctricamente conectado a, la primera traza conductora, y un segundo terminal de salida metálico montado en, y eléctricamente conectado a, la segunda traza conductora.
12.

El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que el elemento óptico incluye un elemento óptico secundario hueco dispuesto dentro del camino óptico y que incluye una abertura de entrada encarada respecto a la célula solar para recibir la luz, una abertura de salida encarada hacia la célula solar para dirigir la luz hacia la célula solar, incluyendo el elemento óptico secundario una forma de sección decreciente con su abertura de entrada mayor que su abertura de salida; y un concentrador sólido de vidrio que incluye una entrada óptica en la abertura de salida del elemento óptico secundario, incluyendo el concentrador una forma de sección decreciente con su entrada óptica mayor que su salida óptica que está directamente adyacente a, y encarado hacia, la célula solar.
13.

El módulo de células solares de la reivindicación 1, en el que la célula solar está compuesta por compuestos de InGaP/(In)GaAs III-V sobre un sustrato de Ge.

u..

FIG.2

,J

FIG~3

362:

FIG .. 4

FI,G~5