JP2015111722A - 太陽電池アセンブリおよびさらに太陽電池構造 - Google Patents

Abstract

【課題】二次オプティックスの助けを得て光学的特性を向上させ、かつ、より経済的な形で可能にする集光器モジュールの提供。【解決手段】太陽電池アセンブリ１において、ヒートシンクとして働き、銅から形成される電気的に伝導性の基板２の中央に凹所６に電気的伝導性の接着剤８を用いてＩＩＩ〜Ｖ族のマルチプル太陽電池４が搭載され、絶縁体３上のＣｕ／Ｎｉ／Ａｕの層順序で形成される金属化表面７が、コンタクトパッドとして働きく。屈折性二次オプティックス５は、レンズ形状の入射開口１２を備えるガラス本体であり、出射開口１３は、太陽電池と同じ形状および寸法を有し、円錐の側面領域は保護層１５として銀を含む高度に反射性のコーティングが施され、接着材料１７により保護される。【選択図】図１

Description

本発明は、光吸収または発光太陽電池アセンブリと、また、２個から１０，０００個の
、本発明による太陽電池アセンブリから構築される太陽電池構造とに関する。

太陽光発電では、光が、太陽電池によって電気エネルギーに変換される。集光型太陽光
発電の場合、光学系（たとえば、レンズまたはミラーを備える）が使用されて、光が太陽
電池上に集光される。それによって、できるだけ多くの光が太陽電池上に衝突することを
保証しなければならない。というのは、太陽電池の近隣に衝突する光は、電気エネルギー
に変換することができないからである。

光起電集光器モジュールには、複数の太陽電池が、組み込まれて電気的に配線される。
太陽電池は、湿気および機械的ストレスから保護しなければならない。この目的のために
、太陽電池は、一般にカプセル化される。この文脈では、カプセル化は、まず、損傷を与
える影響からカプセル化された太陽電池を保護し、および同時に、その機能をできるだけ
わずかしか損なわない材料を用いて、囲むことを意味する。

一般的には、集光器モジュールは、拡散した光を活用することがほとんどできない。と
いうのは、直射日光（十分に平行な）のみを集光することができるだけであるからである
。さらに、集光器モジュールは、太陽に向けて方向付けしなければならず、そうでなけれ
ば、集光された光線が、太陽電池上に衝突しないことになるはずである。したがって、集
光器モジュールは、ほとんど、太陽に向けてモジュールを方向付ける追跡システム上に搭
載される。

光学的開口面積と太陽電池の割合が、（幾何学的）集光比と呼ばれる。集光器システム
にとっては、集光比が高いことが望ましい。高度に集光性の光起電システム（集光比＞３
００）を構成するために、二次オプティックスを使用することが可能である。それによっ
て、２段階の光学的概念が使用されて、それは、いわゆる一次オプティックスおよび二次
オプティックスから構成される。この２段階の概念によって、オプティックスの実現およ
びモジュールの幾何学的形状における設計の自由度をより広くするのが可能になり、かつ
、さらに、集光比をより高くし、あるいは、製造での配置、調節および太陽に対する方向
付けに関する許容誤差をより大きくすることが許される。これらの設計によって、受光器
面上に入射する光を、さらに均質にすることができる、すなわち、入射強度の一様性を向
上させることができ、それは、二次オプティックスの潜在的な利点として、たとえ、それ
が具体的に述べられなくても、常に一緒にそれに続いて存在する。

集光器モジュールのための二次オプティックスは、たとえば、反射性の要素として、と
はいえ、しばしば屈折性の要素として、構成される。反射要素の場合、光は、（表面）反
射によって、太陽電池に向けて誘導され、屈折要素の場合、屈折または内部全反射によっ
て誘導される。たとえば、円錐状で先細の光ガイド、先端を切り取ったピラミッド、先端
を切り取った円錐、直方体、円柱、レンズまたはパラボラなどの構成要素の形態が、二次
オプティックスについて知られている。

また、これらの形態の組み合わせが知られている。屈折性の二次オプティックス（後の
実施形態がこのタイプに関する）は、できるだけ少ない光しか吸収しないようにするため
に、ガラスまたは透明なプラスティック材料（ＰＭＭＡ、ポリカーボネート等）など、高
度に透明な材料から製造しなければならない。二次オプティックス中に吸収される光は、
太陽電池が使用することができない。さらに、二次オプティックスは、一般に、一次オプ
ティックスの焦点中に位置し、それゆえに集光された太陽放射に晒される。したがって、
集光された太陽放射の吸収が少ない場合でさえ、二次オプティックスが大変加熱されて、
最終的にその破壊につながる恐れがある。また、二次オプティックスと電池の間の接続部
によって、電池が加熱され、そのことは、望ましいことではない。二次オプティックスと
太陽電池の間の界面における光学的損失を回避するために、この領域は、光学的結合媒体
によって充填されることがしばしばである。内部全反射（ＴＩＲ：ｉｎｔｅｒｎａｌ ｔ
ｏｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を使用する二次オプティックスを用いるとき、それに
よって、以下の問題が生じる。

光学的結合媒体が、二次オプティックスの外側表面を濡らす恐れがあり、その結果とし
て、表面輪郭が変化し、したがってＴＩＲに対する条件がもはや満たされない。それゆえ
、光は、これらの濡れた表面上から離れて結合され、太陽電池上にもう衝突しない。また
、二次オプティックスのアセンブリは、しばしば、分解が容易ではない。搭載するための
知られた方法は、一般に、二次オプティックスのために追加の保持装置が必要であり、そ
れによって、材料およびプロセスのコストが増加する。

カプセル化材料が光路中に位置する場合、同じことが、二次オプティックス材料につい
ても当てはまる。太陽電池のための材料は、太陽放射（３００〜２，０００ｎｍ）につい
て、高度に透明でなければならない。カプセル化材料中に吸収される光は、電気エネルギ
ーに変換することができない。さらに、集光された日光の吸収が少ない場合でさえ、材料
が大変加熱されることにつながり、それは、その劣化および最終的には破壊につながる恐
れがある。媒体が一次オプティックスの焦点中に位置するので、使用される材料は、さら
に、高放射線量に対して安定であることが必要である。

材料は、たとえば、空気湿度など、環境による影響から太陽電池を保護することが重要
である。述べた理由のために、一般に透明なシリコーンが、カプセル化のために使用され
る。この目的のために、カプセル化材料は、電池上およびそのまわりに液体状態で塗布さ
れて、その後で硬化させる。さらに、二次オプティックスと太陽電池の間で光学的結合の
ために使用されるシリコーンは、また、太陽電池の縁部を保護するように働くことが可能
である。高度に透明なシリコーンの具体的な欠点は、それが、多くの表面上に全く不適当
に付着し、水蒸気に対して透水性であることである。したがって、高度に透明なシリコー
ンは、太陽電池のカプセル化のために限定された様式だけで適している。

上記に言及した技術の状態には、以下の欠点が、はっきりとある。
− 出射開口より広い入射開口を備える二次オプティックスを搭載するために、追加の取
り付け台が必要であり、それらは、集光器モジュールの材料およびプロセスのコストを増
加させる。
− 光学的結合媒体は、二次オプティックスの側面表面を濡らす恐れがあり、それは、内
部全反射を使用するとき、光の離れた結合につながる。
− 高度に透明な材料だけが、カプセル化材料として、可能である。集光された太陽放射
が、カプセル化材料中に吸収された場合、これは、カプセルの破壊につながる恐れがある
。排他的に高度に透明な材料を使用することは、材料選択が、極めて大いに限定される。

殊に集光型太陽光発電について上記に述べた構成要素はさておき、光ダイオード構成要
素（ＬＥＤ）が、先行技術から知られている。光起電性の集光器システムの適用と同様に
、半導体要素が、光ダイオード構成要素の場合、オプティックスと組み合わされ、電気的
要素のカプセル化が、同時に確保される。本発明は、以下の点でＬＥＤ構成要素と異なる
。
− ＬＥＤ構成要素の場合、光は、一般に半導体から横方向に現れる。光起電性の適用の
場合、光は、正面を介して半導体中に入射する。また、この差は、半導体要素の電気的接
触に反映される。さらにＬＥＤ技術の場合、全正面が、接触表面として働き、太陽光発電
では、接触による遮りを最小にすることを保証しなければならない。
− ＬＥＤ適用の場合、出現する光のスペクトルに影響を与えるために、カプセル化材料
中に充填剤が使用される。光起電性の適用の場合、（照らされる）カプセル化材料は、で
きるだけ透明でなければならない。
− 具体的には、集光型太陽光発電には、ＬＥＤ技術からの構成要素によっては解決でき
ない特別の要件が、必要である。ＬＥＤ適用と著しく異なって、集光型太陽光発電から得
られる結果は、ローカル光強度＞１，０００ｋＷ／ｍ^２である。先行技術から知られるＬ
ＥＤ構成要素が、集光型太陽光発電に使用されることになった場合、これらは、一般に、
破壊されることになるはずである。さらに、コストは、太陽光発電の場合よりＬＥＤ適用
の場合、一般に果たす役割が小さい。ＬＥＤ構成要素の場合、したがって、しばしば追加
の要素（たとえば、保持装置）が使用され、それは、集光器モジュール中の適用にとって
高価すぎることになるはずである。

このことから始めると、本発明の目的は、対応する二次オプティックスの助けを得て集
光器モジュールの光学的特性を向上させ、かつ、このことを、より経済的な形で可能にす
ることである。

この目的は、請求項１による光吸収および／または発光太陽電池アセンブリによって、
解決される。請求項２８は、太陽電池構造に関する。さらなる有利な実施形態が、従属請
求項中に含まれる。

本発明によれば、光吸収および／または発光太陽電池アセンブリが提供され、それは、
電気的に伝導性の基板上に配置され、金属化表面を備える電気的絶縁体と、電気的に伝導
性の基板に接続される屈折性の二次オプティックスを備える、少なくとも１つの太陽電池
と、を含み、太陽電池は、金属化表面を備える絶縁体中の凹所中に配置され、太陽電池は
、基板に向けて方向付けられる側面によって、電気的に伝導性の接続を介して、基板に接
続され、凹所は、隙間が、太陽電池と、金属化表面を備える電気的絶縁体の間に横方向に
生成されるように寸法付けられ、前記隙間は、結合媒体によって充填され、そして、太陽
電池は、少なくとも１つの電気的コンタクトによって、金属化表面に接続される。

それによって、本発明は、太陽電池が、凹所によって形成される空洞内に全体が配置さ
れる実施形態と、また、太陽電池が、絶縁体の金属表面を越えて部分的に突き出す実施形
態と、を含む。

ここで提案する二次オプティックスによって、そうでなければ太陽電池の近隣に衝突す
ることになるはずの光が、太陽電池上に誘導される。さらに、より大きい立体角からの光
を、二次オプティックスによって、太陽電池のために活用することができる。太陽電池お
よびまた場合により電気的コンタクトが、全体的にカプセル化される結果として、太陽電
池は、何をおいても、ほこり、湿気、腐食性ガスおよび機械的ストレスから保護され、そ
の結果として、太陽電池アセンブリの長期にわたる安定性が、増加される。

すべての知られる太陽電池が、太陽電池アセンブリ（ＳＣＡ： ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ
ａｓｓｅｍｂｌｙ）のための太陽電池として、ここで使用することができる。さらに、
また、モノリシックのマルチプル太陽電池、特には、モノリシックのマルチプル太陽電池
を備える３重の太陽電池を使用することができる。さらに、太陽電池は、主族ＩＩＩおよ
びＶからの元素によってドープすることができる。

本発明の主題は、統合された二次オプティックスを使用して、知られる太陽電池アセン
ブリを向上させることにある。この太陽電池アセンブリの利点は、太陽電池から発散され
る熱の良好な放散、腐食からの太陽電池の保護、集光された太陽放射に対して使用される
要素すべての抵抗性または保護、全体の構造の長期安定性、できるだけ経済的である出発
材料の使用、ならびに、また、動作中に生じる熱ストレスに対する補償である。

本発明による、統合された屈折性二次オプティックスを備える太陽電池アセンブリの製
造のためのプロセス中で生じる、材料およびプロセスのコストが、低い。さらに、太陽電
池に対する二次オプティックスの位置決め精度が高いことが保証され、また、太陽電池、
二次オプティックスまたは太陽電池アセンブリ中に存在する他の要素に対する損傷が、装
備プロセス中、回避されることが保証される。

結合媒体が、透明材料、シリコーン、シリコーン油、ポリカーボネート、ポリアクリル
酸塩、ポリ（メタ）アクリレート、ガラス、石英ガラス、熱可塑性プラスティックおよび
その混合物からなる群から選択されることが好ましい。これらの材料は、正確に測定する
ことができ、したがって、優れたやり方で狭い領域中に充填することができる。

また、結合媒体によって、太陽電池および電気的コンタクトを完全にカプセル化するこ
とができる。その結果、太陽電池および少なくとも１つの電気的コンタクトは、たとえば
、湿気または腐食性ガスなど、有害な環境による影響から最適に保護される。その結果と
して、本発明による太陽電池アセンブリの長期安定性が、このようにして、増加される。
また、１回だけの作業ステップでカプセル化媒体を塗布することができるので、それゆえ
、製造の簡単化を可能にすることができる。

さらに、太陽電池の基板への電気的伝導性接続を、接着剤、はんだ、接着接続、および
／または溶接によって達成することができる。これらは、位置精度を有して施すことがで
き、かつ高い安定性を有することができる。

太陽電池アセンブリの金属化表面は、金属、特には、銅、銀、ニッケル、金、プラチナ
、チタン、パラジウム、アルミニウムまたはゲルマニウム合金から構成することができ、
または、これらを含むことができる。これらの材料は、殊に接触するのに適しており、ま
た、配線パッドとして働くことができる。

太陽電池アセンブリのための基板は、銅、アルミニウム、チタン、鋼鉄、シリコン合金
または金属合金から構成されることが好ましい。これらの基板によって、熱伝導が最適で
あることが保証され、太陽電池から発散される熱を良好に放散することが可能になる。そ
れゆえに、熱ストレスの結果としての太陽電池アセンブリの破壊は、事実上不可能である
。また、基板は、その表面が電気的に伝導性である限り、絶縁体について後で例として述
べるように、絶縁性材料から構成することができる。上記に述べた材料は、表面被覆のた
めの電気的伝導性の材料として可能である。

電気的絶縁体は、エポキシ樹脂、熱可塑性プラスティック、セラミック、酸化アルミニ
ウム、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーンまたは
ガラスから構成されることが好ましい。これらの材料は、不活性であり、その結果として
長期安定性を向上させる。

本発明の代替の変形形態では、太陽電池は、少なくとも二次オプティックスに接続され
る側面上に、光学的に透明な金属から形成される、酸化アルミニウム、シリコン、酸化ケ
イ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ポリカーボネート、ポリ（メタ）アクリレート、シリコ
ーン、ガラス、石英ガラスまたは熱可塑性プラスティックから形成される、少なくとも１
つの保護コーティングを有する。

さらに、太陽電池アセンブリは、日光を太陽電池上に合焦させるための屈折性二次オプ
ティックスが、４００と２，５００ｎｍの間の波長範囲内で平均伝達率が少なくとも９０
％であり、層厚さが１ｍｍと測定される、光学的に透明な誘電性材料から堅固に構成され
る屈折器を含み、前記屈折器は、日光に向けて方向付けられる入射開口と、太陽電池に向
けて方向付けされる出射開口とを有し、その入射開口および／または出射開口は、入射日
光の屈折性の集光が達成されるように設計されることを特徴とすることができる。

二次オプティックスのための光学的に透明な誘電性材料は、エポキシ樹脂、シリコーン
、シリコーン樹脂、ポリカーボネート、ポリアクリル酸塩、ポリ（メタ）アクリレート、
ガラス、石英ガラス、熱可塑性プラスティック、酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニ
ウムおよびその混合物からなる群から選択されることが好ましい。使用される化合物の耐
候性、およびまた入射光の低吸収性のために、述べた材料は、特に良く適している。

二次オプティックスの入射開口および／または出射開口は、平坦な、凸状の、かつ／ま
たは凹状の表面輪郭を有することができる。どの表面輪郭を選ぶのかは、とりわけ使用さ
れる材料に依存する。これによって、屈折性二次オプティックスは、たとえば、放物体、
先端が切り取られた円錐、光ガイド、先端が切り取られたピラミッドなど、もっとも様々
な形態を有することができる。

二次オプティックスの入射開口の面積は、二次オプティックスの出射開口の面積より広
いことが好ましい。出射開口の面積に対する入射開口の面積の割合が大きいほど、二次レ
ンズ系の集光比が、ますます高くなる。

屈折性二次オプティックスは、屈折器を囲繞し、好ましくは入射開口の高さで配置され
、さらに好ましくは、屈折器と一体に接続されるまたはそれとぴったりと合う形である、
突起部を有することができる。突起部の結果として、たとえば、ピックアンドプレース法
（Ｐｉｃｋ ＆ Ｐｌａｃｅ ｍｅｔｈｏｄｓ）による二次レンズ系の搭載中、単純化を
可能にすることができる。というのは、これらのオプティックスを、簡単な方法で機械に
よって、しっかりとつかむことができるからである。

さらに、屈折器は、入射開口および出射開口の領域、および／または出射開口に向けて
方向付けられる突起部の側面を除いて、４００から８００ｎｍまでの波長範囲内で反射度
ρ＞７０％である、および／または９００から２，５００ｎｍまでの波長範囲内で反射度
ρ＞８０％である、高度に反射性のコーティングを用いて、被覆することができる。コー
ティングによって、入射光が太陽電池の周辺部に衝突することなく、入射光の太陽電池上
への優れた集光が可能にされる。それゆえ、加熱および放射損失が、それと関連して、防
止される。さらに、また、非透明のカプセル化材料を使用することができる。

二次オプティックスの高度に反射性のコーティングは、金属、特には、好ましくは高度
に純粋な形態（重量で＞９９％）でアルミニウム、または銀、および／または屈折率

が異なる、ある層順序の材料、および／または合金を含む、あるいはこれらから構成され
ることが好ましい。また、このコーティングまたは層順序は、保護機能または保護層を含
むことができる。

二次レンズ系の高度に反射性のコーティングは、層厚さを１ｎｍから３ｍｍとする、好
ましくは１μｍから２００μｍとすることができる。その結果、少量の材料だけが必要で
あり、それにもかかわらず反射、したがって太陽電池上への集光が、効果的に増加される
。

太陽電池アセンブリの代替の実施形態では、屈折器は、接着剤による接着および／また
は機械的な取り付けによって、金属化表面上に固定される。その結果、外部条件に対する
太陽電池アセンブリの安定性が、さらに向上される。

これによって、接着を形成するための材料は、熱可塑性プラスティック、エポキシ樹脂
、シリコーン、アクリレート、シアノアクリレート、ポリカーボネート、ポリアクリル酸
塩、ポリ（メタ）アクリレートおよびその混合物からなる群から選択することができる。
この接着材料は、透明である必要はない。

接着を形成するための材料は、電気的に絶縁性である熱伝導性材料であることが好まし
い。その結果、一方では太陽電池アセンブリの過熱が、かつ他方では短絡の発生が、防止
される。さらに、接着材料は、また、電気的コンタクトのカプセル化のために働く。

さらに、接着材料および結合媒体は、同一とすることができる。したがって、ピックア
ンドプレース法によって、また、達成することができる製造が、容易になる。というのは
、１つのステップだけが、接着材料および結合媒体の塗布のために必要であり、それらは
、この場合、同一であるからである。

接着を形成するための材料は、二次オプティックスの突起部によって、完全に被覆する
ことができる。その結果、接着材料への環境条件による影響（たとえば、太陽放射など）
は、たとえば、材料の脆化を生じさせる恐れがあるはずだが、効果的に防止される。

屈折性二次オプティックスは、ケーシングによって、ぴったりと合った形で囲まれ、ケ
ーシングの上部側が、入射開口を形成し、ケーシングの下部側が、出射開口を形成するこ
とが好ましい。ケーシングは、たとえば、円形の、長円形の、または四角形にカットされ
たベースを有することができ、その結果として、円筒形またはプリズム形状とすることが
できる。なるべくなら、ケーシングは、円筒がよい。

屈折性二次オプティックスは、長手方向にケーシングを越えて突き出す、凸状に構成さ
れる入射開口を有することができる。したがって、入射光を集光するための、レンズ形状
の入射開口が、簡単な方法で形成される。

二次オプティックスは、太陽電池および／または基板に、少なくとも１つの留め要素を
介して接続することができる。さらに、基板は、少なくとも１つの留め要素をそれに接続
することができる、少なくとも１つのぴったりと合う形の可逆的なロック装置を有するこ
とができる。

好ましい実施形態では、少なくとも１つの保護ダイオード、および／または、二次オプ
ティックス上に集光するための少なくとも１つの一次オプティックス、たとえば、フレネ
ルコレクタ（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）、レンズおよび／またはミラーなど
が、太陽電池アセンブリ中に含められる。

これらの構成要素は、二次オプティックス上へ光を最初に合焦させるために働く。
太陽電池アセンブリの変形形態では、太陽電池は、直列におよび／または並列に、少な
くとも１つのさらなる太陽電池に、少なくとも１つのコンタクトを介して、電気的に接続
される。

さらに、本発明は、２個から１０，０００個の、述べた太陽電池アセンブリから構築さ
れることを特徴とする太陽電池構造を含む。
太陽電池アセンブリおよび太陽電池構造の両方は、追跡システム上に配置することがで
きる。

用途による主題は、以下の図１〜３および実施例１〜３を参照して、より詳細に説明す
るが、前記主題が、これらの変形形態に限定されることを望まないものと意図する。

突起部を有する屈折性二次オプティックスを備える太陽電池アセンブリを示す図である。 凸状の入射開口を有する屈折性二次オプティックスを備える太陽電池アセンブリを示す図である。 ケースに入れた屈折性二次オプティックスを有する太陽電池アセンブリを示す図である。

図１に、ヒートシンクとして働き、銅から形成される電気的に伝導性の基板２を含む、
太陽電池アセンブリ１を示す。太陽電池４が、ＩＩＩ〜Ｖ族のマルチプル太陽電池である
。絶縁体３上にＣｕ／Ｎｉ／Ａｕの層順序で形成される金属化表面７が、コンタクトパッ
ドとして働き、中央に凹所６を有する。屈折性二次オプティックス５が、先端が切り取ら
れた円錐として構成され、レンズ形状の入射開口１２を備えるガラス本体である。これに
よって、出射開口１３が、太陽電池４と同じ形状および寸法を有する。先端が切り取られ
た円錐の側面領域は、保護層１５として追加の層を備える、銀を含む高度に反射性のコー
ティングが施され、したがって環境による影響から保護される。二次オプティックス５は
、入射開口１２の側面上に、突起部１４を有し、それは、ピックアンドプレース法の間、
しっかりとつかむことを容易にし、接着のための材料１７による、その後のカプセル化の
ために、追加で保護する。二次オプティックス５は、ガラス成形プロセス（より一般的に
は；ガラス熱成形）で製造することができ、理想的には、複数のオプティックスが、１回
の成形プロセス中で製造される。その結果、このプロセスの時間は、短縮される。

太陽電池４は、太陽電池４上の電気的伝導性の接着剤８を用いて、搭載される。代替え
として、太陽電池４は、はんだ付けすることができる。その結果として、太陽電池４の後
側コンタクトが、銅プレート２を介して生成される。金属化表面７を備える電気的絶縁体
３が、Ｃｕ太陽電池４が凹所６の中央に位置するように、ヒートシンク２上に接着される
。接着プロセス中に、電気的コンタクト１０が、太陽電池の正面と金属化表面７の間に、
細いワイヤボンディング（理想的には金のワイヤ）によって生成される。

少量の光学的結合材料２０が、太陽電池の正面または出射開口１３上に塗布される。こ
の目的のために、液体の透明なシリコーンを使用することができる。二次オプティックス
５は、出射開口１３を備える太陽電池の上部側に配置される。その後に、接着のための材
料１７が、太陽電池４および二次オプティックス５のまわりに塗布され、また、電気的コ
ンタクト部１０が、カプセル化される。注入または分注プロセスが、とりわけ、カプセル
化プロセスに適している。最後に、カプセル化材料２０は、硬化させる。図１の実施例の
場合、それによって、接着のための材料１７および結合媒体２０は、同一である。したが
って、簡単で経済的なプロセスが可能となる。というのは、１つの材料だけが必要である
からである。

図２に、凸状の入射開口１２を有する屈折性二次オプティックス５を備える太陽電池ア
センブリ１を示す。電気的伝導性の基板２が、ヒートシンクとして働き、銅から構成され
る。太陽電池４が、ＩＩＩ〜Ｖ族のマルチプル太陽電池である。絶縁体３上にＣｕ／Ｎｉ
／Ａｕの層順序で形成される金属化表面７が、コンタクトパッドとして働き、中央に凹所
６を有する。二次オプティックス５が、円筒形で、凸状でレンズ形状の入射開口１２およ
び平坦な出射開口１３を備えるガラス本体である。入射開口１２および出射開口１３の両
方は、太陽電池４の表面より広い。二次オプティックス５は、ガラス成形プロセスで製造
することができ、理想的には、複数のレンズ系が、１回の成形プロセス中で製造される。
その結果、このプロセスの時間は、短縮することができる。

太陽電池４は、太陽電池４上の電気的伝導性の接着剤を用いて、搭載される。その結果
として、太陽電池４の後側コンタクトが、銅プレート２を介して生成される。金属化表面
７を備える電気的絶縁体３は、太陽電池４が凹所６の中央に位置するように、ヒートシン
ク２上に接着される。接着プロセス中に、電気的コンタクト１０が、太陽電池の正面と金
属化表面７の間に、細いワイヤボンディング（理想的には金のワイヤ）によって生成され
る。

透明で液体のシリコーン２０が、シリコーンのいくらかが隙間９から出てくるように、
太陽電池４と絶縁体３の間の隙間９中に充填される。出射開口１３を備える二次オプティ
ックス５は、光学的コンタクトが生成されるように、この現れたシリコーン２０中に圧入
される。ここで、太陽電池４は、結合媒体２０によって、全体がカプセル化される。二次
オプティックス５の出射開口１３と太陽電池４の間の間隔が、絶縁体３の厚さによって決
定され、集光器オプティックスの全体設計に影響を及ぼす。最後に、シリコーンは、硬化
される。

図３に、ケースに入れた屈折性二次オプティックス５を有する太陽電池アセンブリ１を
示す。ヒートシンクとしての電気的伝導性の基板２は、銅から構成される。太陽電池４が
、ＩＩＩ〜Ｖ族のマルチプル太陽電池である。絶縁体３上にＣｕ／Ｎｉ／Ａｕの層順序で
形成される金属化表面７が、コンタクトパッドとして働き、中央に凹所６を有する。ケー
シング１６としてアルミニウムから形成される金属シリンダが、凹所６より大きい内径を
有する。太陽電池４と金属化表面７を備える絶縁体３の間の隙間９が、結合媒体２０によ
って充填される。

太陽電池４は、太陽電池４上の電気的伝導性の接着剤８を用いて、搭載される。代替え
として、太陽電池４は、また、はんだ付けすることができる。その結果として、太陽電池
４と銅プレート２の間の後側コンタクトが、生成される。絶縁体３上にＣｕ／Ｎｉ／Ａｕ
の層順序で形成される金属化表面７が、コンタクトパッドとして働き、中央に凹所６を有
する。接着プロセス中に、電気的コンタクト１０が、太陽電池の正面と金属化表面７の間
に、細いワイヤボンディング（理想的には金のワイヤ）によって生成される。アルミニウ
ムの中空シリンダ１６は、ケーシング１６の軸が太陽電池４の中央を貫通して伸びるよう
に、金属化表面７上に配置される。また、中空シリンダ１６は、安定性を増加するために
、しっかりと接着することができる。透明で液体のシリコーン５が、それがアルミニウム
の中空シリンダ１６から現れ始める、またはシリンダ１６の開いた端面を越えて出っ張り
始めるまで、シリンダ１６中に充填される。湾曲した表面が、シリコーンの表面張力によ
って生じ、その表面の最終的な形状は、充填量、充填、硬化および使用中の温度、ならび
に硬化中の形状の起こり得る変化（たとえば、体積収縮）によって決定される。太陽電池
アセンブリ１の全体の光学的設計によって、どの表面形状を設定するのか、またはアルミ
ニウムシリンダ１６の高さが、どれくらいでなければならないのかが、指示される。その
後、シリコーン５は、硬化される。

二次オプティックスが使用され、二次オプティックスの入射開口が、出射開口より広い
。二次オプティックスは、透明の誘電体（たとえば、ガラス、ＰＭＭＡ、ポリカーボネー
トなど）から構成され、原理上、その形状が、入射開口から出射開口に向けて先細りであ
る（たとえば、放物体、先端が切り取られた円錐、光ガイド、先端が切り取られたピラミ
ッドなど）。入射開口および／または出射開口は、平坦とする、または湾曲をなして形成
することができる。

二次オプティックスの側面表面は、高度に反射性の、たとえば銀を含んだ、層を備え、
またこの高度に反射性の層を保護する保護層を備える。二次オプティックスを搭載するた
めに、出射開口を備える二次オプティックスは、太陽電池上に配置される（ピックアンド
プレース法）。それによって、二次オプティックスと太陽電池の間の隙間が、光学的結合
媒体によって充填することができる。

その後、二次オプティックスは、接着される。この目的のために、接着剤または接着材
料が使用され、それが、二次オプティックス、太陽電池の縁部および電気的コンタクト部
（接着または溶接接続）の外側を囲繞する。その結果、二次オプティックスの搭載、なら
びに太陽電池および電気的接続またはコンタクト部のカプセル化の両方が、保証される。

二次オプティックスが使用される場合、外側面は、金属製で反射性の層が施されるので
、カプセル化または接着の材料は、透明である必要がない。カプセルは、二次オプティッ
クスによって集光された太陽放射から保護される。さらに、上部側の二次オプティックス
は、集光された放射からカプセル化材料をさらに保護する突起部を有することができる（
たとえば、円周方向のリングの形で）。さらに、かかる突起部は、それがピックアンドプ
レース法のためのしっかりとつかむことができる領域として働く搭載の際に、有利になる
ことがある。さらに、突起部は、二次レンズ系をさらに機械的に搭載するために、使用す
ることができる。

レンズ形状の二次オプティックスが使用される。二次オプティックスは、透明な誘電体
から構成され（たとえば、ガラス、ＰＭＭＡ、ポリカーボネートなど）、その入射開口が
凸形状である。入射開口上に衝突する集光された光が、さらに集光される、またはより大
きい（入射）立体角からの光が、出射開口に向けて誘導される。

それなので、正面コンタクトを生成するためのコンタクトパッドが、太陽電池を完全に
囲繞すべきである。さらに、コンタクトパッドは、少なくとも、使用される太陽電池と厚
さが同じであるべきである。電池とコンタクトパッドの間の体積は、カプセル化材料また
は結合媒体を用いて、いくぶん過大に充填され、その小量が、その体積からあふれ出てく
る。二次オプティックスは、さらに接着することができる。たとえば、カプセル化材料と
しての透明なシリコーンを使用することができる。

二次オプティックスは、円筒形ケーシングが、太陽電池、および電気的コンタクト部と
して働く、電気的で接着された、または溶接された接続を囲むように、円筒形ケーシング
が配置されるように構成される。その後、太陽電池とケーシングの間の体積が、光学的に
透明な誘電性材料を用いて充填される。材料の充填量および濡れ特性に従って、光路中で
都合よくかみ合い、太陽電池上に光を誘導する、または合焦させる湾曲した表面を生成す
ることができる。したがって、たとえば、透明シリコーンから形成されるカプセル化のた
めの材料は、太陽電池の保護および電気的コンタクト部の保護のために働く。

Claims (28)

1. 電気的に伝導性の基板（２）上に配置され、金属化表面（７）を備える電気的絶縁体（
   ３）と、
   前記電気的に伝導性の基板（２）に接続される屈折性二次オプティックス（５）を備え
   る、少なくとも１つの太陽電池（４）と、を含む、光吸収および／または発光太陽電池ア
   センブリ（１）であって、
   前記太陽電池（４）は、前記金属化表面（７）を備える前記絶縁体（３）中の凹所（６
   ）中に配置され、
   前記太陽電池（４）は、前記基板（２）に向けて方向付けられる側面によって、電気的
   に伝導性の接続（８）を介して、前記基板（２）に接続され、
   前記凹所（６）は、隙間（９）が、前記太陽電池（４）と前記金属化表面（７）を備え
   る電気的絶縁体（３）の間で横方向に生成されるように、寸法付けられ、
   前記隙間（９）は、結合媒体（２０）を用いて充填され、
   前記太陽電池（４）は、少なくとも１つの電気的コンタクト（１０）によって、前記金
   属化表面（７）に接続されることを特徴とする、太陽電池アセンブリ（１）。
2. 前記結合媒体（２０）は、透明材料、シリコーン、シリコーン油、ポリカーボネート、
   ポリアクリル酸塩、ポリ（メタ）アクリレート、ガラス、石英ガラス、熱可塑性プラステ
   ィックおよびその混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の
   太陽電池アセンブリ（１）。
3. 前記結合媒体（２０）は、前記太陽電池（４）および前記少なくとも１つの電気的コン
   タクト（１０）を完全にカプセル化することを特徴とする、請求項１または２に記載の太
   陽電池アセンブリ（１）。
4. 前記太陽電池（４）の前記基板（２）への前記電気的に伝導性の接続（８）は、接着剤
   、はんだ、接着接続、および／または溶接によって達成されることを特徴とする、請求項
   １から３の一項に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
5. 前記金属化表面（７）は、金属、特には、銅、銀、ニッケル、金、プラチナ、チタン、
   パラジウム、アルミニウム；ゲルマニウム合金から構成される、またはこれらを含むこと
   を特徴とする、請求項１から４の一項に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
6. 前記基板（２）は、銅、アルミニウム、チタン、鋼鉄、シリコン合金または金属合金か
   ら構成されることを特徴とする、請求項１から５の一項に記載の太陽電池アセンブリ（１
   ）。
7. 前記電気的絶縁体（３）は、エポキシ樹脂、熱可塑性プラスティック、セラミック、酸
   化アルミニウム、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、シリコ
   ーンまたはガラスから構成されることを特徴とする、請求項１から６の一項に記載の太陽
   電池アセンブリ（１）。
8. 前記太陽電池（４）は、少なくとも前記二次オプティックス（５）に接続される側面上
   に、光学的に透明な金属から形成される、酸化アルミニウム、シリコン、酸化ケイ素、窒
   化ケイ素、炭化ケイ素、ポリカーボネート、ポリ（メタ）アクリレート、シリコーン、ガ
   ラス、石英ガラスまたは熱可塑性プラスティックから形成される、少なくとも１つの保護
   コーティングを有することを特徴とする、請求項１から７の一項に記載の太陽電池アセン
   ブリ（１）。
9. 前記太陽電池（４）上に日光を合焦させるための前記屈折性二次オプティックス（５）
   は、４００と２，５００ｎｍの間の波長範囲内で平均伝達率が少なくとも９０％であり、
   層厚さが１ｍｍと測定される、光学的に透明な誘電性材料から堅固に構成される屈折器を
   含み、
   前記屈折器は、日光に向けて方向付けられる入射開口（１２）と、前記太陽電池に向け
   て方向付けされる出射開口（１３）とを有し、
   前記入射開口（１２）および／または出射開口（１３）は、入射日光の屈折性の集光が
   達成されるように設計されることを特徴とする、請求項１から８の一項に記載の太陽電池
   アセンブリ（１）。
10. 前記二次オプティックス（５）のための前記光学的に透明な誘電性材料は、エポキシ樹
    脂、シリコーン、シリコーン樹脂、ポリカーボネート、ポリアクリル酸塩、ポリ（メタ）
    アクリレート、ガラス、石英ガラス、熱可塑性プラスティック、酸化ケイ素、炭化ケイ素
    、酸化アルミニウムおよびその混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求
    項９に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
11. 前記二次オプティックス（５）の前記入射開口（１２）および／または出射開口（１３
    ）は、平坦な、凸状の、かつ／または凹状の表面輪郭を有することを特徴とする、請求項
    ９または１０に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
12. 前記二次オプティックス（５）の前記入射開口（１２）の面積が、前記二次オプティッ
    クス（５）の前記出射開口（１３）の面積より広いことを特徴とする、請求項９から１１
    の一項に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
13. 前記屈折性二次オプティックス（５）は、前記屈折器を囲繞し、好ましくは前記入射開
    口（１２）の高さで配置され、さらに好ましくは、前記屈折器と一体に接続されまたはぴ
    ったりと合う形である、突起部（１４）を有することを特徴とする、請求項９から１２の
    一項に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
14. 前記屈折器は、前記入射開口（１２）および出射開口（１３）の領域、および／または
    前記出射開口（１３）に向けて方向付けられる前記突起部（１４）の側面を除いて、４０
    ０から８００ｎｍまでの波長範囲内で反射度ρ＞７０％である、および／または９００か
    ら２，５００ｎｍまでの波長範囲内で反射度ρ＞８０％である、高度に反射性のコーティ
    ング（１５）を用いて、被覆されることを特徴とする、請求項１３に記載の太陽電池アセ
    ンブリ（１）。
15. 前記二次オプティックス（５）の前記高度に反射性のコーティング（１５）は、金属、
    特には、好ましくは高度に純粋な形態（重量で＞９９％）でアルミニウム、または銀、お
    よび／または屈折率
    

    

    が異なる、ある層順序の材料、および／または合金を含む、あるいはこれらから構成され
    ることを特徴とする、請求項１４に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
16. 前記二次オプティックス（５）の前記高度に反射性のコーティング（１５）は、層厚さ
    が１ｎｍから３ｍｍ、好ましくは１μｍから２００μｍであることを特徴とする、請求項
    １４または１５に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
17. 前記屈折器は、接着剤による接着（１７）および／または機械的な取り付けによって、
    前記金属化表面（７）上に固定されることを特徴とする、請求項９から１６の一項に記載
    の太陽電池アセンブリ（１）。
18. 前記接着（１７）を形成するための材料は、熱可塑性プラスティック、エポキシ樹脂、
    シリコーン、アクリレート、シアノアクリレート、ポリカーボネート、ポリアクリル酸塩
    、ポリ（メタ）アクリレートおよびその混合物からなる群から選択されることを特徴とす
    る、請求項１７に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
19. 前記接着（１７）用材料は、電気的に絶縁性である熱伝導性材料であることを特徴とす
    る、請求項１７または１８に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
20. 前記接着（１７）を形成するための材料および前記結合材料（２０）は、同一であるこ
    とを特徴とする、請求項１８または１９に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
21. 前記接着（１７）を形成するための材料は、突起方向に、前記二次オプティックス（５
    ）の前記突起部（１４）によって完全に被覆されることを特徴とする、請求項１７から１
    ９の一項に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
22. 前記屈折性二次オプティックス（５）は、ケーシング（１６）によって、ぴったりと合
    った形で囲まれ、
    前記ケーシングの上部側が、前記入射開口（１２）を形成し、前記ケーシングの下部側
    が、前記出射開口（１３）を形成することを特徴とする、請求項１から１２の一項に記載
    の太陽電池アセンブリ（１）。
23. 前記屈折性二次オプティックス（５）は、長手方向に前記ケーシング（１６）を越えて
    突き出す、凸状に構成される入射開口（１２）を有することを特徴とする、請求項２２に
    記載の太陽電池アセンブリ（１）。
24. 前記二次オプティックス（５）は、前記太陽電池（４）および／または前記基板（２）
    に、少なくとも１つの留め要素を介して接続されることを特徴とする、請求項１から２３
    の一項に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
25. 前記基板（２）は、少なくとも１つの留め要素をそれに接続することができる、少なく
    とも１つのぴったりと合う形の可逆的なロック装置を有することを特徴とする、請求項１
    から２４の一項に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
26. 少なくとも１つの保護ダイオード、および／または、前記二次オプティックス（５）上
    に集光するための少なくとも１つの一次オプティックス、たとえば、フレネルコレクタ（
    Ｆｒｅｓｎｅｌ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）、レンズおよび／またはミラーなどが、前記太陽
    電池アセンブリ（１）中に含められることを特徴とする、請求項１から２５の一項に記載
    の太陽電池アセンブリ（１）。
27. 前記太陽電池（４）は、直列におよび／または並列に、少なくとも１つのさらなる太陽
    電池に、前記少なくとも１つのコンタクトを介して、電気的に接続されることを特徴とす
    る、請求項１から２６の一項に記載の太陽電池アセンブリ（１）。
28. ２個から１０，０００個の、請求項１から２７の一項に記載の太陽電池アセンブリから
    構築されることを特徴とする、太陽電池構造。

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