ES2835739T3 - Unidad de célula solar - Google Patents
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Abstract
Unidad de célula solar (10) con, - un cuerpo semiconductor (20) configurado como célula solar, que presenta un lado frontal con una primera conexión eléctrica y un lado trasero con una segunda conexión eléctrica y una superficie lateral (28) configurada entre el lado frontal y el lado trasero, y - un soporte (30) con un lado superior y un lado inferior, presentando el soporte (30) en el lado superior una primera zona de pista conductora (40) configurada como parte del soporte (30) y estando interconectada eléctricamente la primera conexión eléctrica con la primera zona de pista conductora (40), y presentando el soporte (30) en el lado superior una segunda zona de pista conductora (45) configurada como parte del soporte (30) y estando interconectada eléctricamente la segunda conexión eléctrica con la segunda zona de pista conductora (45), - un elemento óptico secundario (22) que presenta un lado inferior (24), conduciendo el elemento óptico secundario (22) la luz al lado frontal del cuerpo semiconductor (20), - el elemento óptico secundario (22) presenta una superficie plana en todo el lado inferior (24), y - una parte de la superficie plana está dispuesta por encima del lado frontal del cuerpo semiconductor (20), caracterizada porque - una parte del lado inferior (24) presenta una primera capa de agente de unión (25) unida al lado inferior (24) mediante adherencia de materiales y se configura una capa adhesiva de polímero (60) al menos entre la primera capa de agente de unión (25) y el lado frontal del cuerpo semiconductor (20) y, sin limitación, para una expansión lateral, - la capa adhesiva de polímero (60) está configurada como masa de relleno en todo el lado inferior (24) del elemento óptico secundario y recubre el lado frontal del cuerpo semiconductor (20) y las superficies laterales (28) del cuerpo semiconductor (20) en arrastre de forma, - la capa adhesiva de polímero (60) está configurada en forma de cojín, - el elemento óptico secundario (22) presenta una forma elipsoidal o está configurado en forma de medio elipsoide, y - el elemento óptico secundario (22) está configurado de una sola pieza a partir de un material inorgánico.
Description
DESCRIPCIÓN
Unidad de célula solar
La invención se refiere a una unidad de célula solar según el preámbulo de la reivindicación 1.
Por el documento EP 2 073 279 A1 se conoce un módulo de célula solar en el que un cuerpo semiconductor configurado como célula solar se dispone en un soporte. Con el fin de proteger el cuerpo semiconductor y, en especial, sus superficies laterales de las influencias ambientales que conducen a una degradación de los parámetros eléctricos, se dispone un marco alrededor del cuerpo semiconductor, en los cuatro lados del mismo, y se cierra con una tapa transparente. A continuación, el espacio intermedio restante se rellena con una masa de relleno transparente y se coloca un elemento óptico. Por el documento US 2011/ 0240096 A1 y por Andreev V M et al; Acta del congreso n.° 25 de la IEEE Photovoltaic specialists conference 1996, IEEE, Bd. Conf. 25, 13 de mayo de 1996; páginas 341-344, también se conocen unidades de células solares. Por el documento EP 1953825 a 2 se conoce otra unidad de célula solar. A este respecto, un cuerpo semiconductor configurado como célula solar se dispone sobre un soporte. Posteriormente, para proteger el cuerpo semiconductor, se disponen en el soporte una película hermética y una carcasa compuesta de varias partes, la cual comprende también un elemento óptico, en un proceso de varias etapas.
Por el documento DE 102009 006 286 A1 se conoce una unidad de célula solar que presenta una pluralidad de células solares individuales en un soporte. Por encima de la célula solar está, entre otros, un elemento óptico, que también se denomina elemento óptico secundario “SOE”. El elemento óptico dirige la luz del sol enfocada a través de una lente de Fresnel a la superficie de la célula solar. Mediante la disposición de enfoque, se pueden construir grandes unidades de células solares con pocas células solares pequeñas, que presentan una eficiencia de hasta un 40 % y más. Además, por los documentos US 2009/120500 A1, EP 2278 631, EP 2 312 646 A1 y DE 102011 084054 A1 se dan a conocer dispositivos de este tipo.
En este contexto, el objetivo de la invención consiste en indicar un dispositivo que perfeccione el estado de la técnica.
El objetivo se resuelve mediante una unidad de célula solar con las características de la reivindicación 1. Configuraciones ventajosas de la invención son objeto de las reivindicaciones dependientes.
Según el objeto de la invención, la unidad de célula solar presenta, entre otros, un cuerpo semiconductor configurado como célula solar, presentando el cuerpo semiconductor un lado frontal con una primera conexión eléctrica y un lado trasero con una segunda conexión eléctrica y una superficie lateral configurada entre el lado frontal y el lado trasero, y con un soporte con un lado superior y un lado inferior, presentando el soporte en el lado superior una primera zona de pista conductora configurada como parte del soporte y la primera conexión eléctrica está interconectada eléctricamente a la primera zona de pista conductora, y el soporte en el lado superior presenta una segunda zona de pista conductora configurada como parte del soporte y la segunda conexión eléctrica está interconectada eléctricamente a la segunda zona de pista conductora, y con un elemento óptico secundario que presenta un lado inferior y que conduce luz al lado frontal del cuerpo semiconductor y el elemento óptico presenta en todo el lado inferior una superficie plana y una parte de la superficie plana se dispone por encima del lado frontal del cuerpo semiconductor y una parte del lado inferior del elemento óptico presenta una primera capa de agente de unión unida al lado inferior mediante adherencia de materiales y estando configurada una capa adhesiva de polímero al menos entre la capa de agente de unión y el lado frontal del cuerpo semiconductor.
Cabe señalar que respecto a la célula solar se trata preferiblemente de una célula solar semiconductora III-V basada en GaAs y la célula solar está configurada más preferiblemente como célula solar multiunión apilada y presenta, entre otros, eficiencias superiores al 30 % mediante el uso de componentes de luz UV. Las unidades de células solares de este tipo se emplean preferiblemente en los denominados sistemas CPV, entre otros, debido a los mayores costes de producción en comparación con las células solares de silicio. En los sistemas CPV, la luz solar se concentra alrededor de factores superiores a 50. A este respecto, por medio de un concentrador o elemento óptico primario, la luz concentrada se dirige a un elemento óptico secundario. El elemento primario se dispone por encima del elemento óptico secundario. La luz se dirige desde el elemento óptico secundario a través de la capa adhesiva de polímero hasta el lado frontal de la célula solar.
Para mantener bajas las pérdidas ópticas, la capa adhesiva de polímero debe estar configurada, aparte de con una resistencia elevada a UV, particularmente transparente también en todo el rango espectral que va a aprovecharse. Además, debido a la alta concentración de luz solar, se alcanzan temperaturas elevadas de hasta 120 °C en el lado frontal de la célula solar, es decir, la capa adhesiva de polímero debe estar realizada de manera particularmente resistente a la temperatura y al envejecimiento. Se entiende que la capa de agente de unión presenta una composición química diferente en comparación con la capa adhesiva de polímero. Los estudios han demostrado que una configuración de la capa adhesiva de polímero en el área central en el lado inferior del elemento óptico y, por lo tanto, también en el lado frontal, produce una unión mediante arrastre de fuerza.
Una ventaja del dispositivo según la invención es que el elemento óptico secundario presenta una superficie plana y, a este respecto, se puede producir de forma fácil y económica. Al configurarse una capa adhesiva de polímero entre el lado inferior del elemento óptico secundario y el lado superior del soporte o el lado frontal de la célula solar, que comprende preferiblemente un compuesto de silicona, puede producirse una unión mediante arrastre de fuerzas sin compuestos adicionales de manera sencilla y económica. Se entiende que, entre el lado frontal de la célula solar y el lado inferior del elemento óptico secundario, la capa adhesiva de polímero está configurada con un grosor reducido, preferiblemente inferior a 2 mm, más preferiblemente inferior a 0,5 mm. Los estudios han mostrado que la adhesión entre la capa adhesiva de polímero y el lado inferior plano del elemento óptico secundario puede incrementarse significativamente con la configuración de una fina capa de agente de unión, aumentando así la fiabilidad. Es preferible realizar la capa de agente de unión transparente y muy fina, preferiblemente que el grosor sea inferior a 0,5 mm, más preferiblemente inferior a 0,05 mm. Se muestra que la capa adhesiva de polímero presenta propiedades de sellado y el lado superior del soporte, así como el cuerpo semiconductor y especialmente las superficies laterales del cuerpo semiconductor, están protegidos de manera fiable de las influencias ambientales a través de la capa adhesiva de polímero. Otros estudios han mostrado que es innecesaria una capa adicional de aislamiento que cubra en particular el borde exterior de la capa adhesiva de polímero configurada en forma de cojín. Esto puede reducir aún más el número de etapas de fabricación para la producción de la unidad de célula solar. Una ventaja de la configuración en forma de cojín de la capa adhesiva de polímero por debajo de la superficie plana es que no hay límite para una expansión lateral de la capa adhesiva de polímero. Una expansión o una contracción de la capa adhesiva de polímero tanto perpendicular a la dirección del lado superior del soporte como perpendicular a la dirección resultante de un cambio de temperatura y/o de humedad es posible a este respecto. Esto puede reducir la probabilidad de una delaminación entre la capa adhesiva de polímero y el soporte.
En un perfeccionamiento, entre la capa adhesiva de polímero y el lado frontal del cuerpo semiconductor está configurada una segunda capa de agente de unión y la segunda capa de agente de unión está unida al lado frontal del cuerpo semiconductor por adherencia de materiales. Con la configuración de la segunda capa de agente de unión, la fiabilidad puede aumentarse aún más. Según una forma de realización alternativa, la segunda capa de agente de unión también está configurada en el lado superior del soporte. En otro perfeccionamiento, la primera capa de agente de unión está unida a todo el lado inferior del elemento óptico secundario mediante adherencia de materiales.
Según la invención, la capa adhesiva de polímero está configurada como masa de relleno en todo el lado inferior, estando recubiertos el lado frontal del cuerpo semiconductor y las superficies laterales del cuerpo semiconductor mediante arrastre de forma. La capa adhesiva de polímero está configurada en forma de cojín entre el lado inferior del elemento óptico secundario y el lado superior del soporte. Según una forma de realización alternativa que no es objeto de la presente invención, la capa adhesiva de polímero cierra a ras del borde en el lado inferior del elemento óptico secundario. En otra forma de realización alternativa, la capa adhesiva de polímero sobresale lateralmente hacia el lado inferior del elemento óptico secundario y recubre preferiblemente una parte de la superficie lateral del elemento óptico secundario adyacente al lado inferior del elemento óptico secundario.
Según una forma de realización preferida, en el lado superior del soporte se dispone un diodo protector, preferiblemente configurado como diodo de derivación, y presenta una unión eléctrica con la primera zona de pista conductora y la segunda zona de pista conductora, es decir, el diodo protector está interconectado con la primera zona de pista conductora y con la segunda zona de pista conductora. Cabe señalar que la célula solar también presenta una característica de diodo, y el diodo protector se conmuta antiparalelo a la célula solar. Las superficies del diodo protector que sobresalen del lado superior del soporte están cubiertas preferiblemente por la capa adhesiva de polímero.
En otro perfeccionamiento, el soporte presenta una mayor expansión lateral que el elemento óptico secundario en al menos en una dirección, preferiblemente en ambas direcciones configuradas dentro del plano del lado superior del soporte. Los estudios han demostrado que, a causa de esto, según un perfeccionamiento, la capa adhesiva de polímero sobrepasa lateralmente por encima de la superficie en el lado inferior del elemento óptico secundario y permite alcanzar una unión por arrastre de fuerza particularmente fuerte del elemento óptico secundario con el soporte.
En una forma de realización, el elemento óptico secundario está configurado en forma de medio elipsoide y presenta, preferiblemente, un cuello circundante en forma de reborde.
Además, es preferible configurar el elemento óptico secundario de una sola pieza a partir de un material inorgánico, preferiblemente de un compuesto de vidrio de cuarzo. Una ventaja del material inorgánico o del compuesto de vidrio de cuarzo es la muy buena transparencia UV y la estabilidad térmica extraordinariamente elevada, así como una gran resistencia mecánica y química en comparación con un compuesto orgánico o plástico.
En otro perfeccionamiento, está configurada una capa metálica en el lado inferior del soporte como parte del soporte, no estando configurada la capa metálica preferiblemente en una zona de borde circundante inmediata al borde del soporte. Una ventaja de la capa metálica es que, en comparación con un soporte sin una capa metálica trasera, el calor del lado superior del soporte se transfiere más uniformemente a todo el soporte. Los estudios han
demostrado que a través de la distribución más uniforme del calor también da como resultado una mayor emisión desde el lado inferior. Además, con el montaje del soporte sobre una base, la resistencia de transferencia de calor entre la base y el soporte puede reducirse mediante la capa metálica trasera.
La invención se explicará con más detalle a continuación con referencia a los dibujos. A este respecto, partes similares están etiquetadas con denominaciones idénticas. Las formas de realización representadas están fuertemente esquematizadas, es decir, las distancias y la extensión lateral y vertical no están a escala y, a menos que se especifique lo contrario, no presentan una relación geométrica deducible entre sí. Así, muestran:
la figura 1 una sección transversal de una forma de realización según la invención de una unidad de célula solar, la figura 2 una vista en planta de la forma de realización de la figura 1 con un diodo protector,
la figura 3 una vista en sección transversal a lo largo de la línea I-I de la forma de realización de la figura 2, la figura 4a una vista en planta desde arriba de un elemento óptico secundario con una forma elipsoidal y un cuello en forma de reborde,
la figura 4b una sección transversal del elemento óptico secundario de la figura 4a,
la figura 4c una vista en planta desde abajo del elemento óptico secundario de la figura 4a,
la figura 5a una vista en planta desde arriba de un elemento óptico secundario de una forma elipsoidal sin cuello en forma de reborde,
la figura 5b una sección transversal del elemento óptico secundario de la figura 5a,
la figura 5c una vista en planta desde abajo del elemento óptico secundario de la figura 5a.
La ilustración de la figura 1 muestra una unidad de célula solar 10 con un cuerpo semiconductor 20 configurado como célula solar, un elemento óptico secundario 22 en forma de medio elipsoide con un reborde circundante en forma de cuello 23. El elemento óptico secundario 22 presenta un lado inferior 24 y conduce la luz que entra en el elemento óptico secundario 22 al lado frontal del cuerpo semiconductor 20. El elemento óptico 22 presenta una superficie plana en todo el lado inferior 24, estando dispuesta una parte de la superficie plana por encima de un lado frontal del cuerpo semiconductor 20. En todo el lado inferior 24 está configurada una primera capa de agente de unión 25 unida al lado inferior 24 mediante adherencia de materiales. El soporte 30 presenta en el lado inferior una capa metálica 31 por toda la superficie, a excepción de una zona de borde estrecha. El soporte 30 presenta también una mayor expansión lateral que el elemento óptico secundario 22.
Además, el cuerpo semiconductor 20 presenta un lado frontal con una primera conexión eléctrica y un lado trasero con una segunda conexión eléctrica y una superficie lateral 28 configurada entre el lado frontal y el lado trasero. La primera conexión eléctrica está interconectada eléctricamente a la primera zona de pista conductora 40 mediante varios conectores soldados 26. El cuerpo semiconductor 20 se dispone con el lado trasero sobre un lado superior de un soporte 30. En el lado superior del soporte 30, está configurada una primera zona de pista conductora 40 configurada como parte del soporte. La primera zona de pista conductora 40 está interconectada a la primera conexión eléctrica. Además, el soporte 30 presenta sobre el lado superior una segunda zona de pista conductora 45 configurada como parte del soporte 30. La segunda zona de pista conductora 45 y la segunda conexión eléctrica están interconectadas eléctricamente entre sí, en las que el lado trasero del cuerpo semiconductor 20 está soldado sobre la segunda zona de pista conductora 45. Además, en el lado superior del soporte 30 están dispuestos dos diodos protectores. Los diodos protectores están configurados como diodos de derivación 47. Se entiende que, con un dimensionamiento diferente de los diodos protectores, también es suficiente un solo diodo protector.
En el lado frontal del cuerpo semiconductor 20, está configurada una segunda capa de agente de unión 50 y la segunda capa de agente de unión 50 está unida al lado frontal del cuerpo semiconductor mediante adherencia de materiales. En una forma de realización no representada, la segunda capa de agente de unión 50 recubre al menos una parte del lado superior del soporte 30. Entre la primera capa de agente de unión 25 y la segunda capa de agente de unión 50, es decir, el lado superior del soporte 30, una capa de silicona 60 está configurada como una capa adhesiva de polímero. La capa de silicona 60, en forma de masa de relleno, llena completamente mediante adherencia de materiales el espacio entre el lado inferior 24 del elemento óptico secundario 22 y el soporte 30, y produce una unión por arrastre de fuerza entre el elemento óptico secundario 22 y el soporte 30. La capa de silicona 60 recubre tanto las superficies laterales del cuerpo semiconductor 20 como las superficies de los dos diodos protectores que sobresalen del lado superior del soporte 30. Se entiende que la primera capa de agente de unión 25 y/o la segunda capa de agente de unión 50 presentan, en comparación con la capa adhesiva de polímero o la capa de silicona 60, una composición química diferente. En una forma de realización alternativa, representada por líneas discontinuas 66, la capa de silicona 60 sobresale lateralmente con una longitud diferente hacia el lado inferior 24 del elemento óptico secundario 22.
La ilustración de la figura 2 muestra una vista en planta de la forma de realización de la figura 1. A continuación, se explicarán solo las diferencias con respecto a la representación de la figura 1. Se muestra que la expansión lateral del elemento óptico secundario 22, incluyendo el cuello circundante 23, es menor que la expansión del soporte 30. A título ilustrativo, los dos conectores de soldadura 26 con los que se conecta eléctricamente el lado frontal del cuerpo semiconductor 20, están dibujados como líneas discontinuas.
La ilustración de la figura 3 muestra otra sección transversal a lo largo de la línea I-I de la forma de realización de la figura 1. A continuación, se explicarán solo las diferencias con respecto a la representación de la figura 1. Se muestra que la capa adhesiva de polímero, según la expansión lateral, representada por líneas discontinuas 66, está configurada hasta el borde del soporte 20.
La ilustración de la figura 4a muestra una vista en planta desde arriba de otra forma de realización de un elemento óptico secundario con forma elipsoidal y, en comparación con el elemento óptico secundario de la figura 1, un cuello con forma de reborde más pequeño 124. La ilustración de la figura 4b muestra una vista en sección transversal de la forma de realización de la figura 4a, y la figura 4c, una vista en planta desde abajo del elemento óptico secundario de la figura 4a. En la vista en planta desde abajo se muestra que el lado inferior 124 está configurado de forma plana.
La ilustración de la figura 5a muestra una vista en planta desde arriba de otra forma de realización de un elemento óptico secundario 222 con una forma elipsoidal, pero sin cuello en forma de reborde. La ilustración de la figura 5b muestra una vista en sección transversal de la forma de realización de la figura 5a, y la figura 5c, una vista en planta desde abajo del elemento óptico secundario 222 de la figura 5a. En la vista en planta desde abajo se muestra que el lado inferior 224 está configurado de nuevo de forma plana.
Claims (14)
1. Unidad de célula solar (10) con,
- un cuerpo semiconductor (20) configurado como célula solar, que presenta un lado frontal con una primera conexión eléctrica y un lado trasero con una segunda conexión eléctrica y una superficie lateral (28) configurada entre el lado frontal y el lado trasero, y
- un soporte (30) con un lado superior y un lado inferior, presentando el soporte (30) en el lado superior una primera zona de pista conductora (40) configurada como parte del soporte (30) y estando interconectada eléctricamente la primera conexión eléctrica con la primera zona de pista conductora (40), y presentando el soporte (30) en el lado superior una segunda zona de pista conductora (45) configurada como parte del soporte (30) y estando interconectada eléctricamente la segunda conexión eléctrica con la segunda zona de pista conductora (45),
- un elemento óptico secundario (22) que presenta un lado inferior (24), conduciendo el elemento óptico secundario (22) la luz al lado frontal del cuerpo semiconductor (20),
- el elemento óptico secundario (22) presenta una superficie plana en todo el lado inferior (24), y
- una parte de la superficie plana está dispuesta por encima del lado frontal del cuerpo semiconductor (20), caracterizada porque
- una parte del lado inferior (24) presenta una primera capa de agente de unión (25) unida al lado inferior (24) mediante adherencia de materiales y se configura una capa adhesiva de polímero (60) al menos entre la primera capa de agente de unión (25) y el lado frontal del cuerpo semiconductor (20) y, sin limitación, para una expansión lateral,
- la capa adhesiva de polímero (60) está configurada como masa de relleno en todo el lado inferior (24) del elemento óptico secundario y recubre el lado frontal del cuerpo semiconductor (20) y las superficies laterales (28) del cuerpo semiconductor (20) en arrastre de forma,
- la capa adhesiva de polímero (60) está configurada en forma de cojín,
- el elemento óptico secundario (22) presenta una forma elipsoidal o está configurado en forma de medio elipsoide, y
- el elemento óptico secundario (22) está configurado de una sola pieza a partir de un material inorgánico.
2. Unidad de célula solar (10) según la reivindicación 1, caracterizada porque entre la capa adhesiva de polímero (60) y el lado frontal del cuerpo semiconductor (20) está configurada una segunda capa de agente de unión (50) y la segunda capa de agente de unión (50) está unida mediante adherencia de materiales al lado frontal del cuerpo semiconductor (20).
3. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la primera capa de agente de unión (25) está unida a la superficie en todo el lado inferior (24) del elemento óptico secundario (22) mediante adherencia de materiales.
4. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la capa adhesiva de polímero (60) sobresale lateralmente hacia el lado inferior del elemento óptico secundario (22).
5. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque la capa adhesiva de polímero (60) recubre una parte de la superficie lateral que sigue al lado inferior (24) del elemento óptico secundario (22).
6. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la capa adhesiva de polímero (60) comprende un compuesto de silicona.
7. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque la primera capa de agente de unión (25) y/o la segunda capa de agente de unión (50) presentan, en comparación con la capa adhesiva de polímero (60), una composición química diferente.
8. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en el lado superior del soporte (30) se dispone un diodo de derivación (47) y el diodo de derivación (47) se dispone
entre el lado inferior del elemento óptico secundario (22) y el soporte (30), y está completamente recubierto por la capa adhesiva de polímero (60).
9. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque el soporte (30) presenta una mayor expansión lateral que el elemento óptico secundario (22).
10. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la capa adhesiva de polímero (60) presenta un grosor inferior a 2mm o un grosor inferior a 0,5 mm.
11. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque el elemento óptico secundario (22) presenta un cuello circundante en forma de reborde (23).
12. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones 1 a 10 caracterizada porque la primera y/o la segunda capa de agente de unión (25, 50) presenta un grosor inferior a 0,5 mm o un grosor inferior a 0,05 mm.
13. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque el material inorgánico del elemento óptico secundario de una sola pieza (22) es un compuesto de vidrio de cuarzo.
14. Unidad de célula solar (10) según una de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque presenta, adicionalmente, un elemento óptico primario, y el elemento óptico secundario (22) conduce luz enfocada al lado frontal del componente semiconductor (20) a través del elemento óptico primario configurado por encima del elemento óptico secundario (22).
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