WO2006128417A1 - Konzentrator-photovoltaik-einrichtung, daraus gebildetes pv- konzentratormodul sowie herstellverfahren hierfür - Google Patents

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solar
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transparent
solar cell
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PCT/DE2006/000804
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Erich W. Merkle
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Solartec Ag
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    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic device according to the preamble of the appended claim 1, as known from the article A.W. Bed et. AI: FLATCON AND FLASHCON CONCEPTS FOR HIGH CONCENTRATION PV, Proc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2004, page 2488 is known.
  • the invention relates to a photovoltaic module (PV module) for direct conversion of light into electrical energy, in which the incident light is concentrated prior to impinging on a solar cell (PV concentrator module).
  • PV module photovoltaic module
  • the invention also relates to a photovoltaic device formed from a plurality of photovoltaic devices in the form of a PV concentrator module.
  • the invention relates to a manufacturing method for such a device.
  • Such cells based on semiconductor material can be constructed stepwise as tandem or triple cells and thus use a broader light frequency spectrum.
  • contact electrodes are usually present on the top and bottom of the solar cells, which must be electrically conductively connected to one another and to further electrical switching elements.
  • the connection is made according to the aforementioned prior art individually by contact bridges or loops of an electrical conductor or a stranded wire. This is associated with relatively high production costs.
  • the invention has for its object to construct a photovoltaic device according to the preamble of the appended claim 1, which takes advantage of the PV concentrator technology, so that the above problems are solved.
  • it is necessary to construct a photovoltaic device formed by a plurality of such photovoltaic devices, in particular a PV concentrator module, in such a way that it can be mass produced with little effort and avoids the disadvantages mentioned above.
  • the invention proposes a photovoltaic device with the features mentioned in claim 1.
  • Advantageous embodiments can be found in the dependent claims. An easily produced photovoltaic device formed from a plurality of photovoltaic devices and an advantageous manufacturing method for this are the subject of the additional claims.
  • a hermetic encapsulation of the solar cells and the electrical contacts can be easily achieved on the back of a transparent light-emitting surface.
  • a focusing of the sun's rays is provided on the underside of a transparent light exit body.
  • the transparent material of the light exit body can on the one hand serve as a carrier material for the solar cell (s), and On the other hand, it can cover the sensitive light entry zone of the expensive solar cell (s) against environmental influences.
  • On the back of the transparent light exit body which is preferably plate-shaped or disc-shaped for forming a transparent light exit surface, one moreover simply approaches the solar cells for the purpose of contacting and dissipating heat.
  • a planar heat conductor it would also be possible to provide three-dimensional heat dissipation devices without problems, as are known in high-performance electronic components, for example rib structures.
  • the light exit body is mounted at a distance from an optical (focusing) unit mounted on predetermined areas for concentration of the light. Then, a light entry surface with the focusing unit and the light exit body are arranged at a distance from each other, so that a large distance for focusing is available and you can focus with relatively flat and simple optics all light from a large area on the small solar cell surface.
  • the carrier body has on one side the light entry surface and on the opposite side the light exit surface with the solar cell.
  • the device is so simple and can be handled as small LEDs individually.
  • the light entry surface of the carrier body which is then usually formed as a solid body of suitable transparent material, is correspondingly shaped in order to focus the light onto the solar cell mounted on the rear side.
  • This embodiment of the photovoltaic device can be designed as a single cell, for example as a light-emitting diode, with an approximately circular cross-section.
  • a plurality of these individual cells with an applied carrier body as a focusing device can then be assembled, for example, on a board to a module. If the cross section is not circular, but rectangular or even better square, then the total area can be better equipped.
  • the attachment of the solar cells can be easily automated if they are arranged in a regular pattern, in particular a square pattern. It is particularly easy to produce the light entry surface to be provided with a pattern of many individual optical units when the carrier body is introduced as rolled glass and the focusing pattern is introduced like an ornament in omament glass via a correspondingly patterned roller.
  • the solar cells are arranged on a light exit surface of a transparent supporting body, so that the advantageous techniques explained below for contacting the solar cells are equally applicable to both.
  • the solar cell (s) is / are preferably embedded in and electrically connected to a printed circuit board or conductor foil.
  • conductor tracks for all or one group of solar cells can thus be produced in a simple manner in one step.
  • the circuit board is preferably - for example, flat, in particular full surface - connected to the transparent light exit surface, to ensure safe protection of the cell from penetrating moisture and air.
  • the electrical connections and an insulating layer can also be applied directly to the transparent light exit surface.
  • the methods known from electronics and semiconductor technology for forming integrated interconnects and insulating intermediate regions are applicable.
  • the insulating layer is preferably applied by application of flowable materials. formed.
  • the insulating layer can also serve for embedding and / or fixing of the solar cells and / or other switching elements.
  • the solar cells are further preferably connected at the bottom with a heat conductor layer, which preferably provides both for electrical contact and for the dissipation of the heat impinging on the solar cell.
  • the concentration can be made directly from the spaced optical unit to the solar cell.
  • the focusing or collecting device may also have the first optical unit spaced from the transparent light exit surface and an additional second optical unit in the vicinity of the solar cell.
  • a concentration through the first optical unit may first be made on a secondary lens. This concentrates and bundles the incident light even further onto the solar cell.
  • the first and / or the second optical unit may be made of the same material as a transparent light entrance surface associated with the first optical unit or the e.g. be the second optical unit associated transparent light exit surface, but they can also be applied to the transparent Lichteintritts- or -austrittsharm of other material.
  • Figure 1 is a perspective view of a photovoltaic device in the form of a
  • PV concentrator module with a variety of individual photovoltaic devices (also called concentrator unit), each for direct Conversion of sunlight concentrated on a small-area solar cell into electrical energy serve, and a schematic detail view of the general structure of a first embodiment of the photovoltaic devices;
  • FIG. 2 shows a sectional view through a photovoltaic device which can be used in the photovoltaic device of FIG. 1 according to a first embodiment (with printed circuit board and without secondary lens);
  • FIG. 3 is a sectional view of a photovoltaic device usable in the photovoltaic device of FIG. 1 according to a second embodiment (including a printed circuit board and a secondary lens);
  • FIG. 4 shows a sectional view through a photovoltaic device which can be used in the photovoltaic device of FIG. 1 according to a third embodiment (with conductor tracks and without a secondary lens);
  • FIG. 5 shows a sectional view through a photovoltaic device that can be used in the photovoltaic device of FIG. 5 according to a fourth embodiment (with conductor tracks and with secondary lens);
  • FIG. 6 shows a sectional view along a vertical center plane through a photovoltaic device according to a fifth embodiment
  • Figure 7 is a bottom view of the photovoltaic device according to the fifth embodiment.
  • Figure 8 is a side view of a photovoltaic device according to a sixth
  • Figure 9 is a bottom view of the photovoltaic device according to the sixth embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view of the photovoltaic device according to the sixth embodiment.
  • Fig. 11 is a sectional view of a photovoltaic device formed of a plurality of photovoltaic devices of the sixth embodiment
  • FIG. 12 is a perspective view of a photovoltaic device according to a seventh embodiment.
  • FIG. 13 is a sectional view of the photovoltaic device according to the seventh embodiment.
  • the same reference numerals will be used for corresponding parts.
  • FIG. 1 shows a photovoltaic device 24 in the form of a PV concentrator module with a multiplicity of individual photovoltaic devices 20 in the form of concentrator units with at least one micro-solar cell 5 each.
  • the use of printed circuit boards 7 or conductor foils for the common connection of the plurality of micro-solar cells 5 of the module as well as additional switching elements advantageous for the flow of the electrical current highly productive, automated production.
  • the application of the contact paths and solar cells 5 can be carried out so that a simple test option is carried out by the connection to a DC power source.
  • the solar cells 5 then light up due to the design principle, so that a slight visual or technical optical control can be carried out.
  • the electrical characteristics can be determined and compared with reference values. Possible errors of individual solar cells 5 can be corrected by replacing them.
  • the critical positioning of the solar cells 5 is exactly predetermined in a printed circuit board 7 or conductor foil.
  • the entire circuit board 7 can be accurately positioned in an operation thereafter to the focus points of the bundled by an optical unit 2 sun rays.
  • a heat conductor layer 8 (see Figure 2) on the outside 34 of a transparent housing 26 of the photovoltaic device 24 - and here on the outside of the light exit surface 30 forming light exit plate 6 of the housing 26 - is a dissipation of heat to the environment reached.
  • the thermal conductivity of the heat conductor layer 8 can be changed directly by the use of particularly conductive material and / or different thickness of the material directly or even later by the additional application of material layers.
  • the bundled solar beams 3 are first directed onto a secondary lens 4, which then ensures further focusing of the beams and line onto the solar cell 5.
  • the secondary lens 4 can be formed directly from a transparent light exit surface 6 or consist of a different material.
  • a secondary lens 4 has the advantage that, on the one hand, higher concentrations of more than 1000 suns are achieved. This leads to an improvement in the efficiencies of certain multi-stage high-performance solar cells.
  • a secondary lens 4 when using a secondary lens 4, a less accurate tracking of the modules to the light source is required so that the requirements to be imposed on the tracking system are reduced. The resulting savings can exceed the cost of the additional secondary lenses 4. The increase in performance then leads to an additional effect.
  • the electrical conductor tracks 10 and the connections for the solar cell 5 and the further switching elements are applied directly to the underside / outer side 34 of the transparent light exit surface 6. This can e.g. by screen printing or other suitable methods.
  • the solar cells 5 and other switching and connection elements are assembled, connected and tested (see above).
  • the heat conductor layer 8 is mounted on this and on the underside of the solar cell 5.
  • the thermal conductivity of the heat conductor layer 8 can be changed directly by the use of particularly conductive material and / or different thickness of the material directly or even later by the additional application of conductive material layers.
  • the bundled light beams 3 are first directed onto a secondary lens 4, which then ensures further focusing of the beams and line onto the solar cell 5.
  • the secondary lens 4 can be directly from the or part of the transparent light exit surface 30 forming transparent light exit plate 6 may be formed or made of a different material. The advantages of the secondary lens 4 are the same as explained above.
  • a very significant advantage of the new technology is that both the space requirement and the performance-related investment costs in the context of mass production are only about 50% of the costs of conventional silicon flat panel systems. This results in much lower electricity generation costs. Since solar power generation in sun-rich countries is predominantly peak-load (i.e., fully hot during the "hot" time of day in air-conditioning and production), electricity generation costs for conventional power plants are conceivable for the first time.
  • the photovoltaic device 20 is configured to directly convert sunlight into electrical energy as a transparent unit.
  • the photovoltaic device 20 concentrates light radiation entering through a transparent light entry surface 1 with the aid of the optical unit 2 in a predetermined region 22.
  • This predetermined region 22 lies outside the transparent unit, facing away from the light entrance surface.
  • a solar cell 5 is placed in the predetermined area. With the solar cell 5, a heat conductor layer 8 is connected.
  • the photovoltaic device 24 has a housing 26 in which the photovoltaic devices 20 are arranged and connected via a printed circuit board 7.
  • the photovoltaic device 24 thus forms a total of a PV concentrator module (PV means photovoltaic).
  • the optical unit 2 is formed at least partially from a transparent material, in particular silicone material, which is applied directly to the front panel 32 of the housing 26 forming the transparent light entry surface 1 for the entire photovoltaic device 24 in one operation and into the layer is impressed.
  • the optical unit 2 is worked out directly from the transparent light entry surface 1, for example by grinding and / or lapping, so that the transparent material of the optical unit is integral with the transparent material of the light entry surface 1.
  • a method for testing the photovoltaic device 20 and / or the entire photovoltaic device 24 can be carried out in that a test of the connected solar cells 5 takes place by the application of electrical voltage. It can also be a test of the entire assembled unit by applying electrical voltage.
  • a continuous heat conductor layer 8 is connected to the back of the micro-solar cells 5.
  • An additional bundling of the radiation 3 concentrated by the optical unit 2 can be effected by a secondary lens 4 formed directly from the transparent light exit plate 6 (FIG. 5).
  • the additional bundling of the radiation 3 can take place by means of a secondary lens 4 applied to the transparent light exit plate 6 (FIG. 6).
  • the electrical contact and terminal tracks - generally the tracks 10 - as well as the solar cell 5 and any electrical switching elements (capacitive, inductive or in particular ohmic components, controllers, amplifiers , Micro- Chips or microprocessors) are applied directly to the outside of the transparent light exit plate 6.
  • the conductor tracks 10 are applied by means of screen printing.
  • sputtering methods or sputtering methods or the like may be used. These methods are carried out via masks that specify the conductor track course.
  • an insulating layer 9 is applied in accordance with an embodiment, which causes an electrical insulation and / or a re-radiation occurring thermal radiation.
  • the transparent light exit plate 6 may be constructed as a single layer or as a multilayer. For example, it could comprise or be formed by a glass plate. In addition, further transparent layers may be applied, for example an insulating and final layer of silicone or other transparent material which can be applied in a flowable state. If the light exit plate 6 has a glass plate, additional bundling of the radiation 3 can take place by means of a secondary lens 4 formed directly from the rear glass.
  • the secondary lens 4 may also be applied to the glass for additional bundling of the beams 4.
  • the first optical unit 2 can be constructed as described in the aforementioned prior art, for example by means of Fresnel lenses which are formed on the front panel 32 of glass forming the light entry surface 1.
  • the light entry surface 1 and the light exit surface 30 are formed as front and rear sides of a single transparent carrier body 40, 41.
  • the carrier body 40, 41 is formed as a solid body of transparent material, in particular glass.
  • At the light entrance surface 1 of this support body 40, 41 is or the optical (s) units 2 are provided.
  • the solar cell (s) 5 is or are provided.
  • optical units 2 and the contacting; Embedding, cooling and mounting of the solar cells 5 can be done as in the other embodiments described above.
  • the individual photovoltaic devices 20 are designed as single cells 42.
  • Each solar cell 5 has its own carrier body 40, which simultaneously serves as a focusing device for concentrating the light entering on the light entry surface 1 onto the much smaller area of the solar cell 5.
  • the support body 40 is circular in cross section with a round top surface (acting as a lens) and a flat bottom surface.
  • On the underside contact pins 44 may be provided, with which each of these individual cells 42 on a board (not shown) can be placed.
  • a board not shown
  • the support body 40 of each single cell 42 is square in the base.
  • the individual cells 42 can thus be more easily assembled into a PV concentrator module 24, as shown in FIG. Any suitable technique may be used to join the individual support bodies 40, such as by gluing or simply inserting into an outer frame (not shown). In the arrangement with individual cells 42, these can also be subsequently checked at any time by applying a voltage.
  • the solar cells 5 then light up similar to LEDs, only much weaker. If a solar cell does not light up, it can easily be replaced later on single cells.
  • a plurality of solar cells 5 are held on a support body 41.
  • the solar cells 5 are, as described above in the other embodiments, arranged in a pattern, here a square row pattern with equal intervals.
  • the light entry surface of the carrier body 41 is formed in a corresponding pattern into optical units, which focus the light entering in the respective fields 43 onto the respective solar cell 5.
  • these optical units can be formed as explained in the other embodiments.
  • a regular pattern of optical units is to be formed on a surface of a transparent plate
  • a roll (not shown) provided with a negative pattern impresses the pattern directly into the glass mass.
  • This method of preparation is known in the production of Omamentglas.
  • the carrier body 41 of the seventh embodiment is manufactured in this way.
  • the seventh embodiment is particularly suitable for industrial large-scale production of relatively inexpensive PV concentrator modules.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Einrichtung zur direkten Umwandlung von Son nenenergie in elektrische Energie mit einer Solarzelle, die eine geringere Flächenaus dehnung als eine Lichteintrittsfläche der Photovoltaik-Einrichtung hat, einer optischen Einheit zum Konzentrieren oder Bündeln der durch die Lichteintrittsfläche eintretenden Sonnenstrahlung auf einen von der kleineren Fläche der Solarzelle bestimmten, von der Lichteintrittsfläche beabstandeten und gegenüber der Lichteintrittsfläche kleinflächige ren vorgegebenen Bereich und einem transparenten Trägerkörper, auf dem die Solar zelle angebracht ist. Für eine einfachere und wirtschaftliche Fertigung der Einrichtung wird vorgeschlagen, dass der Trägerkörper ein transparenter Lichtaustrittskörper ist, durch den die konzentrierte oder gebündelte Sonnenstrahlung hindurchtreten kann und dass die Solarzelle auf einer von der Lichteintrittsfläche und/oder der optischen Einheit abgewandten Seite des Lichtaustrittskörpers angebracht ist. Außerdem wird ein aus mehreren solcher Photovoltaik-Einrichtungen gebildetes PV-Konzentrationsmodul sowie ein vorteilhaftes Herstellverfahren hierfür vorgeschlagen.

Description

KONZENTRATOR-PHOTOVOLTAIK-EINRICHTUNG, DARAUS GEBILDETES PV- KONZENTRATORMODUL SOWIE HERSTELLVERFAHREN HIERFÜR
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Einrichtung nach dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 , wie sie aus dem Artikel A.W. Bett et. AI: FLATCON AND FLASHCON CONCEPTS FOR HIGH CONCENTRATION PV, Proc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2004, Seite 2488 bekannt ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein photovoltaisches Modul (PV-Modul) zum direkten Umwandeln von Licht in elektrischen Energie, bei der das einfallende Licht vor dem Auftreffen auf eine Solarzelle konzentriert wird (PV-Konzentratormodul). Auch betrifft die Erfindung eine aus mehreren der Photovoltaik-Einrichtungen gebildete Photovoltaik- Vorrichtung in Form eines PV-Konzentratormoduls. Schließlich betrifft die Erfindung ein Herstellverfahren für eine solche Vorrichtung.
Im Bereich der Nutzung der Solarenergie ist ca. seit 50 Jahren bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist mono- oder multikristallines Silizium verwendet. Die Leistung dieser Solarzellen ist allerdings relativ gering, da sie nur ein begrenztes Spektrum der auftreffenden Strahlung in elektrischen Strom umwandeln. Grosse Erfolge in Richtung auf eine deutlich höhere Effizienz mit über 36 % Umwandlung der Solarstrahlung sind in den letzten Jahren mit Hochleistungs-PV-Zellen aus höherwertigen Halbleiterverbindungen (HI-IV- Halbleitermaterial) wie z.B. GalliumArsenid (GaAs) erzielt worden.
Solche Zellen auf Halbleitermaterialbasis können stufenartig als Tandem- oder Tripel- zellen aufgebaut werden und nutzen dadurch ein breiteres Licht-Frequenzspektrum.
Die großflächige Produktion solcher Zellen ist jedoch sehr kostenintensiv. Es wurde daher der Ansatz gewählt, das einfallende Sonnenlicht auf eine sehr kleine Fläche von z.B. unter 1 mm2 zu konzentrieren. Nur für diese kleine Fläche ist dann eine Solarzelle notwendig. Der Materialeinsatz kann dann bei unter 1 % gegenüber dem flächiger Einsatz solcher Zellen liegen. Durch die Konzentration lässt sich die hohe Lichtausbeute von Hochleistungs-PV-Zellen von z.Zt. über 36 % nutzen. Da nur die Verbindung mehrerer Solar-Einheiten einen wirtschaftlichen Einsatz eines solchen PV-Systems ermöglicht, werden diese vorzugsweise zu einem PV-Konzentratormodul zusammengefasst.
Die Artikel A.W. Bett et al. FLATCON AND FLASHCON CONCEPTS FOR HIGH CON- CENTRATION PV1 Proc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, and Exhibition, Paris, France, 2004, Seite 2488 sowie der Artikel G. Siefer et al. ONE YEAR OUTDOOR EVALUATION OF A FLATCON CONCENTRATOR MODULE, Proc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2004, Seite 2078 beschreiben den derzeitigen Stand der Technik zu solchen PV- Konzentratormodulen, der den Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 bildet.
Um die Solarzellen elektrisch zu verschalten, sind üblicherweise Kontaktelektroden auf der Ober- und der Unterseite der Solarzellen vorhanden, die elektrisch leitend miteinander und mit weiteren elektrischen Schaltelementen verbunden werden müssen. Die Verbindung erfolgt nach dem zuvor erwähnten Stand der Technik einzeln durch Kontaktbrücken- oder -schleifen aus einem elektrischen Leiter oder einer Litze. Dies ist mit relativ hohem Fertigungsaufwand verbunden.
Bei einem PV-Konzentratormodul kommt noch hinzu, dass eine Ableitung der entstehenden Wärme an der Solarzelle notwendig ist und jede der kleinen Solarzellen exakt im Brennpunkt der Linse positioniert werden muss. Zum Schutz der Solarzellen vor äußeren Einflüssen werden diese in ein geschlossenes PV-Konzentratormodul eingebaut. Im Stand der Technik werden die Solarzellen innerhalb eines aus mehreren Glasscheiben aufgebauten transparenten Gehäuses auf der Innenseite einer unteren Glasscheibe aufgebracht. Die Anbringungsart führt jedoch zu Problemen bei der notwendigen Wärmeabführung nach außen sowie zu Verunreinigungen der Modulinnenseiten einschließlich der empfindlichen Solarzellen. Wegen des hohen Aufwands wurden bisher Systeme mit relativ großen Optiken (meist über 300 mm Kantenlänge) und damit relativ großen Brennweiten eingesetzt. (Näheres siehe z.B. auf Seiten 462 und 463 des Kapi- tels 11 im „Handbook of Photovoltaic science and engineering", herausgegeben von Antonio Luque und Steven Hegedus, neu gedruckt im Jahr 2005). Deren Kombination zu leistungsfähigen Einheiten (Solarkraftwerken) führt zu sehr großem Gewicht, sodass die Anforderungen an die Statik eines Nachführsystems, mit dem die PV-Module dem Sonnenlicht nachgeführt werden, aufgrund z.B. der Windkräfte beträchtlich sind.
Wegen des hohen Aufwands konnten daher die bekannten Konzentratorsysteme trotz des hohen Wachstums der photovoltaischen Stromerzeugung keine Verbreitung finden.
Zwar wurden in den letzten Jahren auch Konzentratorsysteme mit kleinflächigen Optiken vorgestellt, die ebenfalls z.T. eine mehr als 500-fache Konzentration des Sonnenlichts ermöglichten. In diesem Fall sind jedoch sehr viele Zellen notwendig um ein wirtschaftlich arbeitendes Solarkraftwerk zu erstellen. Bei Verwendung von 40x40 mm großen Linsen sind für eine Solaranlage mit 100 KW Leistung ca. 250.000 Solarzellen erforderlich (bei 25 % Systemeffizienz). Die konstruktiven Probleme der Verkabelung so vieler kleinster Solarzellen sowie zusätzlicher Schaltelemente sowie die exakte Positionierung und Fixierung jeder Zelle im Brennpunkt, verursachen in den bisher gewählten Ansätzen einen erheblichen Aufwand, der die beabsichtigte Kostenersparnis aufzehrt. Nicht gelöst ist die Abführung hoher Wärmekonzentrationen nach außen, der Schutz der empfindlichen Solarzellen vor Umwelteinflüssen, insbesondere eindringender Feuchtigkeit und Gase sowie die Testmöglichkeit der montierten Solarzellen vor der Montage des PV-Konzentratormoduls.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photovoltaik-Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruches 1 , die die Vorteile der PV- Konzentratortechnologie nutzt, so aufzubauen, dass die vorstehenden Probleme gelöst sind. Insbesondere gilt es, eine aus mehreren solcher Photovoltaik-Einrichtungen gebildete Photovoltaik-Vorrichtung, insbesondere ein PV-Konzentratormodul, so aufzubauen, das sich dieses mit geringem Aufwand in Serien herstellen lässt und die o.a. Nachteile vermeidet. Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Photovoltaik-Einrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Eine aus mehreren Photovoltaik-Einrichtungen gebildete einfach herzustellende Photovoltaik-Vorrichtung sowie ein vorteilhaftes Herstellverfahren hierfür sind Gegenstand der Nebenansprüche.
Vorteile der vorliegenden Erfindung und/oder deren bevorzugter Ausgestaltungen sind:
• Durch die Platzierung der Solarzellen auf der Außenseite der transparenten Rückseite eines Trägerkörpers lassen sich die Wärmeableitung und den Schutz der Solarzellen zu verbessern.
• Durch eine automatisierte Platzierung und Verkabelung der großen Zahl von Solarzellen eines Moduls sowie der dadurch möglichen automatischen Positionierung aller Solarzellen eines Moduls lässt sich eine erhebliche Vereinfachung der Montage erreichen.
• Durch die einfache Testmöglichkeit des Moduls vor der Endmontage lässt sich eine frühe Qualitätskontrolle durchführen mit der Möglichkeit, defekte Solarzellen oder Schaltelemente auszutauschen.
• Durch die Aufbringung einer wärmeleitenden Platte an der Außenseite des Moduls wird eine effiziente Wärmeableitung an die Umgebung ermöglicht.
• Auf der Rückseite einer transparenten Lichtaustrittsfläche lässt sich eine hermetische Verkapselung der Solarzellen sowie der elektrischen Kontakte einfach erreichen.
Um die dargestellten, für eine wirtschaftliche Produktion eines PV-Konzentratormoduls wichtigen Aufgaben zu erfüllen, wurde der bisherige Entwicklungsweg verlassen, der u.a. dadurch gekennzeichnet ist, dass die Solarzellen in dem Modul innen einzeln angeordnet, einzeln kontaktiert werden und nach oben weitgehend ungeschützt Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.
Bei der Erfindung ist eine Fokussierung der Sonnenstrahlen auf der Unterseite eines transparenten Lichtaustrittskörpers vorgesehen. Das transparente Material des Lichtaustrittskörpers kann so einerseits als Trägermaterial für die Solarzelle(n) dienen, ande- rerseits kann es die empfindliche Lichteintrittszone der teueren Solarzelle(n) gegen Umwelteinflüsse abdecken. Auf der Rückseite des transparenten Lichtaustrittskörpers, der vorzugsweise zum Bilden einer transparenten Lichtaustrittsfläche platten- oder scheibenförmig ausgebildet ist, kommt man darüber hinaus einfach an die Solarzellen zwecks Kontaktierung und Wärmeabführung heran. Man könnte so anstelle eines flächigen Wärmeleiters auch ohne Probleme dreidimensionale Wärmeableitungsvorrichtungen vorsehen, wie sie bei elektronischen Hochleistungsbauelementen bekannt sind, zum Beispiel Rippenstrukturen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtaustrittskörper im Abstand von einer zur Konzentration des Lichts auf vorgegebene Bereiche angebrachten optischen (Fo- kussier-) Einheit angebracht. Dann sind eine Lichteintrittsfläche mit der fokussierenden Einheit und der Lichtaustrittskörper mit Abstand zueinander angeordnet, so dass eine große Strecke für die Fokussierung zur Verfügung steht und man mit relativ flachen und einfachen Optiken alles Licht von einer großen Fläche auf die kleine Solarzellenfläche fokussieren kann.
In einer aber ebenfalls sehr interessanten anderen Ausführungsform hat der Trägerkörper auf einer Seite die Lichteintrittsfläche und auf der entgegengerichteten Seite die Lichtaustrittsfläche mit der Solarzelle. Die Einrichtung ist so einfach aufgebaut und lässt sich wie kleine Leuchtdioden einzeln handhaben. Die Lichteintrittsfläche des dann meist als Vollkörper aus geeignetem transparenten Material auszubildenden Trägerkörpers ist entsprechend geformt, um das Licht auf die auf der Rückseite angebrachte Solarzelle zu fokussieren.
Diese Ausführung der Photovoltaik-Einrichtung kann als Einzelzelle, zum Beispiel wie eine Leuchtdiode, mit etwa kreisrundem Querschnitt ausgebildet sein. Eine Vielzahl dieser Einzelzellen mit aufgebrachtem Trägerkörper als Fokussiereinrichtung kann dann zum Beispiel auf einer Platine zu einem Modul zusammengestellt werden. Wenn der Querschnitt nicht kreisrund, sondern rechteckig oder noch besser quadratisch ist, lässt sich die Gesamtfläche dann besser bestücken. Die Ausführung, bei der nur der Trägerkörper als Fokussiereinrichtung vorgesehen ist, ist aber besonders elegant und einfach dadurch zu einem Modul zusammenstellbar, dass ein einzelner Trägerkörper mehrere Solarzellen auf der Rückseite trägt und auf der als Lichteintrittsfläche wirkenden Vorderseite zum Bilden entsprechender optischer Einheiten ausgeformt ist. Die Anbringung der Solarzellen lässt sich einfach automatisieren, wenn diese in einem regelmäßigen Muster, insbesondere einem quadratischen Muster, angeordnet sind. Man kann die mit einem Muster vieler einzelner optischer Einheiten zu versehende Lichteintrittsfläche besonders einfach herstellen, wenn der Trägerkörper als Walzglas eingebracht wird und das Fokussier-Muster wie ein Ornament in Omamentglas über eine entsprechend gemusterte Walze eingebracht wird.
Bei beiden grundsätzlichen Ausführungsformen sind die Solarzellen an einer Lichtaustrittsfläche eines transparenten Tragkörpers angeordnet, so dass die im folgenden erläuterten vorteilhaften Techniken zum Kontaktieren der Solarzellen bei beiden gleichermaßen anwendbar sind.
Alternativ oder zusätzlich zu der Anbringung an der Rückseite der transparenten Lichtaustrittsfläche ist/sind die Solarzelle(n) vorzugsweise in eine Leiterplatte oder Leiterfolie eingebettet und mit dieser elektrisch verbunden. Anstelle der komplizierten Herstellung mittels Einzelkontaktierung lassen sich so in einfacher Weise Leiterbahnen für alle oder eine Gruppe der Solarzellen in einem Schritt herstellen.
Die Leiterplatte ist vorzugsweise - zum Beispiel flächig, insbesondere vollflächig - verbunden mit der transparenten Lichtaustrittsfläche, um einen sicheren Schutz der Zelle vor eindringender Feuchtigkeit und Luft zu gewährleisten.
Alternativ zu der Verwendung einer LeiterplatteA-folie können die elektrischen Verbindungen und eine Isolierschicht auch auf die transparente Lichtaustrittsfläche direkt aufgebracht werden. Hierzu sind die aus der Elektronik und Halbleitertechnik bekannten Verfahren zum Bilden von integrierten Leiterbahnen sowie isolierenden Zwischenbereichen anwendbar. Vorzugsweise wird die Isolierschicht durch Auftrag fließfähigen Mate- rials gebildet. Die Isolierschicht kann auch zum Einbetten und/oder zur Befestigung der Solarzellen und/oder weiterer Schaltelemente dienen.
Die Solarzellen sind weiter vorzugsweise an der Unterseite mit einer Wärmeleiterschicht verbunden, die vorzugsweise sowohl für elektrischen Kontakt als auch für die Ableitung der auf die Solarzelle auftreffenden Wärme sorgt.
Wie im Stand der Technik kann die Konzentration direkt von der beabstandeten optischen Einheit auf die Solarzelle erfolgen. Alternativ kann die Fokussier- oder Sammeleinrichtung auch die von der transparenten Lichtaustrittsfläche beabstandete erste optische Einheit und eine zusätzliche zweite optische Einheit in der Nähe der Solarzelle aufweisen. Zum Beispiel kann eine Konzentration durch die erste optische Einheit zunächst auf eine Sekundärlinse erfolgen. Diese konzentriert und bündelt das auftreffende Licht dann noch weiter auf die Solarzelle.
Die erste und/oder die zweite optische Einheit können aus dem gleichen Material wie eine der ersten optischen Einheit zugeordnete transparente Lichteintrittsfläche bzw. die z.B. der zweiten optischen Einheit zugeordnete transparente Lichtaustrittsfläche sein, sie können aber auch aus anderem Material bestehend auf den transparenten Lichteintritts- bzw. -austrittskörper aufgebracht werden.
Da bei der oben beschriebenen Erfindung sehr kleine Solarzellen verwendet werden können, fallen die hohen Kosten mehrstufiger Solarzellen wenig ins Gewicht. Mit dieser Erfindung konzentrierte Solarsysteme zur Erzeugung von Strom benötigen daher wesentlich geringere Investitionskosten und Flächen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Photovoltaik- Vorrichtung in Form eines
PV-Konzentratormoduls mit einer Vielzahl von einzelnen Photovoltaik- Einrichtungen (auch Konzentratoreinheit genannt), die jeweils zur direkten Umwandlung von auf eine kleinflächige Solarzelle konzentrierten Sonnenlichts in elektrische Energie dienen, sowie eine schematische Detailansicht des allgemeinen Aufbaus einer ersten Ausführungsform der Photovoltaik- Einrichtungen;
Figur 2 eine Schnittansicht durch eine in der Photovoltaik-Vorrichtung von Figur 1 verwendbare Photovoltaik-Einrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform (mit Leiterplatte und ohne Sekundärlinse);
Figur 3 eine Schnittansicht durch eine in der Photovoltaik-Vorrichtung von Figur 1 verwendbare Photovoltaik-Einrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform (mit Leiterplatte und mit Sekundärlinse);
Figur 4 eine Schnittansicht durch eine in der Photovoltaik-Vorrichtung von Figur 1 verwendbare Photovoltaik-Einrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform (mit Leiterbahnen und ohne Sekundärlinse); und
Figur 5 eine Schnittansicht durch eine in der Photovoltaik-Vorrichtung von Figur 5 verwendbare Photovoltaik-Einrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform (mit Leiterbahnen und mit Sekundärlinse);
Figur 6 eine Schnittansicht entlang einer vertikalen Mittelebene durch eine Photovoltaik-Einrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
Figur 7 eine Unteransicht der Photovoltaik-Einrichtung gemäß der fünften Ausführungsform;
Figur 8 eine Seitenansicht einer Photovoltaik-Einrichtung gemäß einer sechsten
Ausführungsform;
Figur 9 eine Unteransicht der Photovoltaik-Einrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform;
Figur 10 eine Draufsicht der Photovoltaik-Einrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform;
Figur 11 eine Schnittansicht durch eine aus mehreren Photovoltaik-Einrichtungen der sechsten Ausführungsform gebildete Photovoltaik-Vorrichtung;
Figur 12 eine perspektivische Ansicht einer Photovoltaik-Vorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform; und
Figur 13 eine Schnittansicht durch die Photovoltaik-Vorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform. Bei der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen werden für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
In Figur 1 ist eine Photovoltaik-Vorrichtung 24 in Form eines PV-Konzentratormoduls mit einer Vielzahl von einzelnen Photovoltaik-Einrichtungen 20 in Form von Konzentra- toreinheiten mit je wenigstens einer Mikrosolarzelle 5 dargestellt. Bei einer in Figur 1 und Figur 2 dargestellten ersten Ausführungsform der Photovoltaik-Einrichtung 20 wird durch die Verwendung von Leiterplatten 7 oder Leiterfolien für den gemeinsamen An- schluss der Vielzahl von Mikrosolarzellen 5 des Moduls sowie von für den Fluss des elektrischen Strom vorteilhaften zusätzlichen Schaltelementen eine hochproduktive, automatisierte Fertigung ermöglicht.
Die Aufbringung der Kontaktbahnen und Solarzellen 5 kann so erfolgen, dass eine einfache Testmöglichkeit durch den Anschluss an eine Gleichstromquelle erfolgt. Die Solarzellen 5 leuchten dann aufgrund des Konstruktionsprinzips auf, sodass eine leichte visuelle oder technisch gestützte optische Kontrolle erfolgen kann. Weiterhin können die elektrischen Kenndaten ermittelt und mit Referenzwerten verglichen werden. Eventuelle Fehler einzelner Solarzellen 5 lassen sich durch deren Austausch korrigieren.
Die kritische Positionierung der Solarzellen 5 ist bei einer gedruckten Leiterplatte 7 oder Leiterfolie exakt vorgegeben. Die gesamte Leiterplatte 7 kann in einem Vorgang danach an die Fokuspunkte der durch eine optische Einheit 2 gebündelten Sonnenstrahlen 3 exakt positioniert werden.
Durch die Aufbringung einer Wärmeleiterschicht 8 (siehe Figur 2) an der Außenseite 34 eines transparenten Gehäuses 26 der Photovoltaik-Vorrichtung 24 - und zwar hier an der Außenseite einer die Lichtaustrittsfläche 30 bildenden Lichtaustrittsplatte 6 des Gehäuses 26 - wird eine Ableitung der Wärme an die Umgebung erreicht. Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleiterschicht 8 kann gezielt durch die Verwendung von besonders leitfähigem Material und/oder unterschiedlicher Stärke des Materials direkt bzw. auch später noch durch die zusätzliche Aufbringung von Materialschichten verändert werden. Bei einer in Figur 3 dargestellten zweiten Ausführungsform werden die gebündelten Sonnenstrahlen 3 zunächst auf eine Sekundärlinse 4 geleitet, die dann für eine weitere Bündelung der Strahlen und Leitung auf die Solarzelle 5 sorgt. Die Sekundärlinse 4 kann dabei direkt aus einer transparenten Lichtaustrittsfläche 6 geformt sein oder aus einem anderen Material bestehen. Die Verwendung einer Sekundärlinse 4 hat den Vorteil, dass zum einen höhere Konzentrationen von über 1000 Sonnen erreicht werden. Dies führt zu einer Verbesserung der Wirkungsgrade bestimmter mehrstufiger Hochleistungssolarzellen. Zum anderen ist bei Verwendung einer Sekundärlinse 4 eine weniger genaue Nachführung der Module zur Lichtquelle erforderlich, sodass die an das Nachführsystem zu stellenden Anforderungen reduziert werden. Die dadurch möglichen Einsparungen können die Kosten der zusätzlichen Sekundärlinsen 4 übersteigen. Die Leistungssteigerung führt dann noch zu einem zusätzlichen Effekt.
In der in Figur 4 dargestellten dritten Ausführungsform werden statt der Verwendung einer Leiterplatte 7 die elektrischen Leiterbahnen 10 sowie die Anschlüsse für die Solarzelle 5 und die weiteren Schaltelemente (nicht dargestellt) direkt auf die Unterseite/Außenseite 34 der transparenten Lichtaustrittsfläche 6 aufgebracht. Dies kann z.B. durch Siebdruck oder andere geeignete Verfahren erfolgen. Die Solarzellen 5 und weitere Schalt- und Anschlusselemente werden montiert, angeschlossen und getestet, (siehe oben). Nach dem Auftragen einer (klebenden) Isolierschicht 9 wird auf diese und auf die Unterseite der Solarzellen 5 die Wärmeleiterschicht 8 montiert. Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleiterschicht 8 kann gezielt durch die Verwendung von besonders leitfähigem Material und/oder unterschiedlicher Stärke des Materials direkt bzw. auch später noch durch die zusätzliche Aufbringung von leitenden Materialschichten verändert werden.
Bei der in Figur 5 dargestellten vierten Ausführungsform werden die gebündelten Lichtstrahlen 3 zunächst auf eine Sekundärlinse 4 geleitet, die dann für eine weitere Bündelung der Strahlen und Leitung auf die Solarzelle 5 sorgt. Die Sekundärlinse 4 kann dabei direkt aus der die oder einen Teil der transparenten Lichtaustrittsfläche 30 bildenden transparenten Lichtaustrittsplatte 6 geformt sein oder aus einem anderen Material bestehen. Die Vorteile der Sekundärlinse 4 sind die gleichen wie oben erläutert.
Ein ganz wesentlicher Vorteil der neuen Technologie liegt darin, dass sowohl der Flächenbedarf als auch die leistungsbezogenen Investitionskosten im Rahmen einer Großserienfertigung nur bei etwa 50 % der Kosten herkömmlicher Flachpanelsysteme aus Silizium liegen. Dadurch ergeben sich wesentlich niedrigere Stromgestehungskosten. Da die solare Stromerzeugung in sonnenreichen Ländern überwiegend im Spitzenlastbereich erfolgt (d.h. zur „heißen" Tageszeit in der Klimaanlagen und Produktion voll laufen), sind erstmals Stromgestehungskosten im Bereich herkömmlicher Kraftwerke denkbar.
Gemäß den Figuren ist die Photovoltaik-Einrichtung 20 zum direkten Umwandeln von Sonnenlicht in elektrische Energie als transparente Einheit aufgebaut. Die Photovoltaik- Einrichtung 20 konzentriert durch eine transparente Lichteintrittsfläche 1 eintretende Lichtstrahlung mit Hilfe der optischen Einheit 2 in einem vorgegebenen Bereich 22. Dieser vorgegebene Bereich 22 liegt außerhalb der transparenten Einheit, abgewandt gegenüber der Lichteintrittsflächel . In dem vorgegebenen Bereich ist eine Solarzelle 5 platziert. Mit der Solarzelle 5 ist eine Wärmeleiterschicht 8 verbunden.
Wie Fig. 1 zeigt, sind eine Vielzahl solcher Photovoltaik-Einrichtungen 20 in der Photo- voltaik-Vorrichtung 24 zusammengefasst. Die Photovoltaik-Vorrichtung 24 hat ein Gehäuse 26, in dem die Photovoltaik-Einrichtungen 20 angeordnet und über eine Leiterplatte 7 verbunden sind. Die Photovoltaik-Vorrichtung 24 bildet so insgesamt ein PV- Konzentratormodul (PV bedeutet Photovoltaik).
Die Kontakte zwischen den Solarzellen 5 der einzelnen Photovoltaik-Einrichtungen 20 und eventuell zu weiteren elektrischen Schaltelementen, die zur Steuerung und Umwandlung vorgesehen sein können, sind direkt außenseitig auf der transparenten Lichtaustrittsplatte 6 oder auf der Leiterplatte 7 oder Leiterfolie aufgebracht. Die optische Einheit 2 wird in einer Ausführungsform zumindest teilweise aus einem transparenten Material, insbesondere Silikonmaterial gebildet, das für die gesamte Pho- tovoltaik- Vorrichtung 24 in einem Vorgang direkt auf die die transparente Lichteintrittsfläche 1 bildende Frontplatte 32 des Gehäuses 26 aufgetragen und in die Schicht eingeprägt wird.
In einer alternativen Ausbildung wird die optische Einheit 2 direkt aus der transparenten Lichteintrittsfläche 1 herausgearbeitet, beispielsweise durch Schleifen und/oder Läppen, so dass das transparente Material der optischen Einheit einstückig mit dem transparenten Material der Lichteintrittsfläche 1 ist.
Ein Verfahren zum Testen der Photovoltaik-Einrichtung 20 und/oder der gesamten Pho- tovoltaik-Vorrichtung 24 kann darin durchgeführt werden, dass ein Test der angeschlossenen Solarzellen 5 durch das Anlegen elektrischer Spannung erfolgt. Dabei kann auch ein Test der gesamten montierten Einheit durch das Anlegen elektrischer Spannung erfolgen.
Zum Bilden der Wärmeleiterschicht 8, welche zum Abführen der Wärme von den Solarzellen 5 dient, wird eine durchgehende Wärmeleiterschicht 8 mit der Rückseite der Mik- rosolarzellen 5 verbunden.
Eine zusätzliche Bündelung der von der optischen Einheit 2 konzentrierten Strahlung 3 kann durch eine direkt aus der transparenten Lichtaustrittsplatte 6 ausgeformten Sekundärlinse 4 erfolgen (Figur 5).
Alternativ kann die zusätzliche Bündelung der Strahlung 3 durch eine auf die transparente Lichtaustrittsplatte 6 aufgebrachte Sekundärlinse 4 erfolgen (Fig. 6).
Anstelle dem Vorsehen einer Leiterplatte 7 oder Leiterfolie können, wie in Fig. 5 gezeigt, die elektrischen Kontakt- und Anschlussbahnen - allgemein die Leiterbahnen 10 - ebenso wie die Solarzellen 5 und eventuelle elektrischen Schaltelemente (kapazitive, induktive oder insbesondere ohmsche Bauelemente, Steuerungen, Verstärker, Mikro- Chips oder Mikroprozessoren) direkt auf die Außenseite der transparenten Lichtaustrittsplatte 6 aufgebracht werden. Dies kann auf verschiedenem Wege erfolgen, wie dies aus dem Gebiet der Elektronik bekannt ist. Vorzugsweise werden die Leiterbahnen 10 mittels Siebdruckverfahren aufgebracht. Alternativ können Bedampfungsverfahren oder Sputterverfahren oder dergleichen eingesetzt werden. Diese Verfahren erfolgen über Masken, die den Leiterbahnenverlauf vorgeben. Es sind auch die aus der Halbleitertechnik bekannten Verfahren denkbar, wo zunächst eine gesamte leitende Schicht auf ein transparentes Material aufgebracht wird, dann ein photosensitives Material aufgebracht wird, welches nach Belichtung selektiv abgetragen wird, um dann den Abtrag der nicht gewünschten Bereiche der leitenden Schicht vorzunehmen, während die verbleibenden Leiterbahnenbereiche durch das stehen gelassene Material geschützt werden.
Auf die Leiterbahnen 10 wird gemäß einer Ausführungsform eine Isolierschicht 9 aufgebracht, die eine elektrische Isolation und/oder eine Rückstrahlung auftretender Wärmestrahlung bewirkt.
Die transparente Lichtaustrittsplatte 6 kann einschichtig oder mehrschichtig aufgebaut sein. Zum Beispiel könnte sie eine Glasplatte aufweisen oder durch eine solche gebildet sein. Zusätzlich können noch weitere transparente Schichten aufgetragen sein, beispielsweise eine isolierende und abschließende Schicht aus Silikon oder sonstigem transparenten in fließfähigem Zustand aufbringbaren Material. Wenn die Lichtaustrittsplatte 6 eine Glasplatte aufweise, kann eine zusätzliche Bündelung der Strahlung 3 durch eine direkt aus dem Rückseitenglas ausgeformten Sekundärlinse 4 erfolgen.
Alternativ kann die Sekundärlinse 4 zum zusätzlichen Bündeln der Strahlen 4 auch auf das Glas aufgebracht sein.
Die erste optische Einheit 2 kann wie im eingangs erwähnten Stand der Technik beschrieben aufgebaut sein, zum Beispiel mittels Fresnel-Linsen die an der die Lichteintrittsfläche 1 bildenden Frontplatte 32 aus Glas ausgebildet sind. Bei der in den Figuren 6 bis 13 dargestellten fünften bis siebten Ausführungsform sind die Lichteintrittsfläche 1 und die Lichtaustrittsfläche 30 als Vorder- bzw. Rückseite eines einzelnen transparenten Trägerkörpers 40, 41 ausgebildet. Der Trägerkörper 40, 41 ist als Vollkörper aus transparenten Material, wie insbesondere Glas, ausgebildet. An der Lichteintrittsfläche 1 dieses Trägerkörpers 40, 41 ist bzw. sind die optische(n) Einheiten) 2 vorgesehen. An der Lichtaustrittsfläche 30 dieses Trägerkörpers 40, 41 ist bzw. sind die Solarzelle(n) 5 vorgesehen.
Die Herstellung der optischen Einheiten 2 und die Kontaktierung; Einbettung, Kühlung und Anbringung der Solarzellen 5 kann so wie bei den oben beschriebenen weiteren Ausführungsformen geschehen.
Bei der in den Figuren 6 bis 10 dargestellten fünften und sechsten Ausführungsform sind die einzelnen Photovoltaik-Einrichtungen 20 als Einzelzellen 42 ausgebildet. Jede Solarzelle 5 hat ihren eigenen Trägerkörper 40, der gleichzeitig als Fokussiereinrichtung zum Konzentrieren des auf der Lichteintrittsfläche 1 eintretenden Lichts auf die viel kleinere Fläche der Solarzelle 5 dient.
Bei der fünften Ausführungsform ist der Trägerkörper 40 im Querschnitt kreisrund mit einer runden oberen Oberfläche (wirkt als Linse) und einer flachen Unterseite. An der Unterseite können Kontaktstifte 44 vorgesehen sein, mit der jede dieser Einzelzellen 42 auf einer Platine (nicht dargestellt) aufgesetzt werden kann. So kann eine Anordnung aus Einzelzellen 42 zu einem PV-Modul zusammengesetzt werden.
Bei der sechsten Ausführungsform ist der Trägerkörper 40 jeder Einzelzelle 42 quadratisch in der Grundfläche. Die Einzelzellen 42 können so zu mehreren leichter zu einem PV-Konzentratormodul 24 zusammengesetzt werden, wie in Figur 11 dargestellt. Zum Verbinden der einzelnen Trägerkörper 40 kann jede geeignete Technik eingesetzt werden, wie zum Beispiel kleben oder auch einfach Einsetzen in ein äußeres Rahmengestell (nicht dargestellt). Bei der Anordnung mit Einzelzellen 42 können diese auch nachträglich jederzeit durch Anlegen einer Spannung überprüft werden. Die Solarzellen 5 leuchten dann ähnlich wie Leuchtdioden, nur um einiges schwächer. Leuchtet eine Solarzelle nicht, kann sie bei Einzelzellen auch später noch einfach ersetzt werden.
Bei der siebten Ausführungsform sind an einem Trägerkörper 41 mehrere Solarzellen 5 gehalten. Die Solarzellen 5 sind, wie zuvor bei den anderen Ausführungsformen beschrieben, in einem Muster, hier einem quadratischen Reihenmuster mit gleichen Abständen, angeordnet. Die Lichteintrittsfläche des Trägerkörpers 41 ist in einem entsprechenden Muster zu optischen Einheiten geformt, die das in den jeweiligen Feldern 43 eintretende Licht auf die jeweilige Solarzelle 5 fokussieren.
Auch diese optische Einheiten können wie bei den anderen Ausführungen erläutert ausgebildet werden. Es gibt zusätzlich bei allen Ausführungen, bei denen ein regelmäßiges Muster von optischen Einheiten auf einer Fläche einer transparenten Platte herzustellen ist, auch die Möglichkeit, diese im Walzglasverfahren herzustellen. Hierbei prägt während der Glasherstellung eine mit Negativmuster versehene Walze (nicht dargestellt) das Muster direkt in die Glasmasse ein. Diese Herstellweise ist bei der Herstellung von Omamentglas bekannt. Insbesondere ist der Trägerkörper 41 der siebten Ausführungsform in dieser Weise hergestellt.
Die siebte Ausführungsform eignet sich insbesondere zur industriellen Großfertigung von relativ kostengünstigen PV-Konzentratormodulen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich durch beliebige Kombinationen der Einzelmerkmale der verschiedenen Ausführungsformen. Bezugszeichenliste
1 transparente Lichteintrittsfläche
2 optische Einheit
3 Strahlen durch optische Einheit
4 Sekundärlinse
5 Solarzelle
6 transparente Lichtaustrittsplatte (Rückplatte)
7 Leiterplatte/Folie
8 Wärmeleiterschicht
9 Isolierschicht
10 Leiterbahnen
20 Photovoltaik-Einrichtung
22 vorgegebener Bereich (Fokus)
24 Photovoltaik-Vorrichtung (PV-Konzentratormodul)
26 Gehäuse
30 transparente Lichtaustrittsfläche
32 Frontplatte
34 Außenseite
40 Trägerkörper (Einzelzelle)
41 Trägerkörper (Modul)
42 Einzelzelle
43 Feld
44 Kontaktstifte

Claims

ANSPRUCHE
1. Photovoltaik-Einrichtung (20) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit einer Solarzelle (5), die eine geringere Flächenausdehnung als eine Lichteintrittsfläche (1) der Photovoltaik-Einrichtung (20) hat, einer optischen Einheit (2) zum Konzentrieren oder Bündeln der durch die Lichteintrittsfläche (1) eintretenden Sonnenstrahlung (3) auf einen von der kleineren Fläche der Solarzelle (5) bestimmten, von der Lichteintrittsfläche (1 ) beabstandeten und gegenüber der Lichteintrittsfläche (1 ) kleinflächigeren vorgegebenen Bereich (22) und einem transparenten Trägerkörper (6, 30), auf dem die Solarzelle (5) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper ein transparenter Lichtaustrittskörper (6, 30) ist, durch den die konzentrierte oder gebündelte Sonnenstrahlung (3) hindurchtreten kann und dass die Solarzelle (5) auf einer von der Lichteintrittsfläche (1 ) und/oder der optischen Einheit (2) abgewandten Seite (34) des Lichtaustrittskörpers (6, 30) angebracht ist.
2. Photovoltaik-Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtaustrittskörper eine Lichtaustrittsplatte (6) aus transparentem Material aufweist.
3. Photovoltaik-Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (5) unmittelbar die der Lichteintrittsfläche (1 ) abgewandten Seite (34) der Lichtaustrittsplatte (6) kontaktiert.
4. Photovoltaik-Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Solarzelle (5) und der der Lichteintrittsfläche (1) abgewandten Seite (34) der Lichtaustrittsplatte (6) eine Schicht (9) in fließfähigem Zustand auftragbaren transparenten Materials eingefügt ist.
5. Photovoltaik-Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einer der Lichteintrittsfläche (1 ) zugeordneten ersten optischen Einheit (2) eine dem Lichtaustrittskörper (6) zugeordnete zweite optische Einheit (4) zum weiteren Konzentrieren und Bündeln der Sonnenstrahlung (3) in dem vorgegebenen Bereich (22) vorgesehen ist.
6. Photovoltaik-Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit (2) oder wenigstens eine von mehreren optischen Einheiten (2, 4) eine aus dem Material einer transparenten Lichteintrittsplatte (32) oder einer transparenten Lichtaustrittsplatte (6) oder des Trägerkörpers geformte Sammellinse (4) aufweist.
7. Photovoltaik-Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit (2) oder wenigstens eine von mehreren optischen Einheiten (2, 4) eine auf eine transparente Lichteintrittsplatte (32) oder auf eine transparente Lichtaustrittsplatte (6) oder auf den Trägerkörper durch Materialauftrag aufgebrachte Sammellinse (4) aufweist.
8. Photovoltaik-Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen (10) zur Kontaktierung der Solarzelle (5) unmittelbar auf dem Trägerkörper (6) durch Materialauftrag aufgebracht sind, insbesondere aufgedruckt oder aufgesputtert sind.
9. Photovoltaik-Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitereinrichtung (8) zum Ableiten von Wärme mit der Solarzeile (5), insbesondere an deren dem Trägerkörper (6) abgewandten Seite, verbunden ist.
10. Photovoltaik-Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper einstückig sowohl die Lichteintrittsfläche mit der optischen Einheit als auch die Lichtaustrittsfläche mit der daran angebrachten Solarzelle aufweist.
11. Photovoltaik-Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der als Vollkörper aus transparenten Material aufgebaute Trägerkörper auf einer Seite die zum Bilden der optischen Einheit entsprechend geformte Lichteintrittsfläche aufweist und auf der entgegengerichteten Seite im Fokusbereich der optischen Einheit die kleinere Solarzelle trägt.
12. Photovoltaik-Einrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sie als Einzelzelle aus einem für eine Solarzelle ausgebildeten Trägerkörper und der einen Solarzelle an dem Trägerkörper besteht.
13. Photovoltaik-Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper im Schnitt parallel zur Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche einen etwa kreisrunden, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt hat.
14. Photovoltaik-Vorrichtung (24) mit einer Mehrzahl von Photovoltaik-Einrichtungen (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche.
15. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Modul aus mehreren vereinzelten Photovoltaik-Einrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zusammengesetzt ist.
16. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Trägerkörper für mehrere der Photovoltaik-Einrichtungen einstückig ausgebildet ist und somit mehrere der Solarzellen trägt.
17. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Trägerkörper als Vollkörper aus transparentem Material aufgebaut ist, auf seiner Lichtaustrittsfläche in einem regelmäßigen Muster die Solarzellen trägt und auf der entgegengerichteten Seite mit einer zum Bilden eines entsprechenden Musters optischer Einheiten ausgeformten Oberfläche versehen ist.
18. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster optischer Einheiten durch Walzen eines aus Glas gebildeten Tragkörpers mit einer entsprechend gemusterten Walze hergestellt ist.
19. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem, der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Gehäuse (26) versehen ist, dessen transparente Frontplatte (32) die Lichteintrittsflächen (1) der Photovoltaik-Einrichtungen (20) bildet und dessen transparente Rückplatte (6) den gemeinsamen Lichtaustrittskörper der Photovoltaik- Einrichtungen (20) bildet.
20. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus dem als Vollkörper ausgebildeten Trägerkörper, dessen eine Seite die Lichteintrittsfläche (1 ) der Photovoltaik-Einrichtungen (20) bildet und des- sen Rückseite die Lichtaustrittsfläche mit den diese kontaktierenden Solarzellen (5) bildet, sowie den Solarzellen (5) und deren Anschlusseinrichtungen besteht.
21. Photovoltaik-Vorrichtung (24) mit mehreren Photovoltaik-Einrichtungen, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und/oder nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder wenigstens eine Gruppe der Solarzellen (5) der Photovoltaik-Vorrichtung (24) gemeinsam in eine Leiterplatte (7) oder Leiterfolie eingebettet und mit dieser elektrisch verbunden sind.
22. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen (10) zum Kontaktieren der Solarzellen (5) der Photovoltaik- Einrichtungen (20) auf den transparenten Trägerkörper (6) durch Materialauftrag aufgebracht sind, insbesondere aufgedruckt oder aufgesputtert oder in Masken- oder Fototechnik aufgebracht sind.
23. Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaik-Vorrichtung (24), die mehrere Photovoltaik-Einrichtungen (20) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie aufweist, welche (20) jeweils mit wenigstens einer Solarzelle (5), die eine geringere Flächenausdehnung als eine jeweilige Lichteintrittsfläche (1 ) der Photovoltaik- Einrichtung (20) hat, und einer optischen Einheit (2, 4) zum Konzentrieren oder Bündeln der durch die Lichteintrittsfläche eintretenden Sonnenstrahlung (3) auf einen von der kleineren Fläche der Solarzelle (5) bestimmten, von der Lichteintrittsfläche (1 ) beabstandeten und gegenüber der Lichteintrittsfläche kleinflächigeren vorgegebenen Bereich (22) versehen sind, wobei die Solarzellen (5) gemeinsam auf einem transparenten Trägerkörper (6) angebracht werden, gekennzeichnet durch die folgende Reihenfolge von Schritten: a1 ) Versehen einer Seite (34) des transparenten Trägerkörpers (6) mit Leiterbahnen
(10) zum Kontaktieren der Solarzellen (5), b1 ) Bestücken der mit Leiterbahnen (10) versehenen Seite (34) des Trägerkörpers
(6) mit den Solarzellen (5) und e1 ) Aufbringen einer Wärmeleiteinrichtung (8) auf die dem Trägerkörper (6) abgewandte Seite der Solarzellen (5).
24. Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaik-Vorrichtung (24), die mehrere Pho- tovoltaik-Einrichtungen (20) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie aufweist, welche (20) jeweils mit wenigstens einer Solarzelle (5), die eine geringere Flächenausdehnung als eine jeweilige Lichteintrittsfläche (1 ) der Photovoltaik- Einrichtung (20) hat, und einer optischen Einheit (2, 4) zum Konzentrieren oder Bündeln der durch die Lichteintrittsfläche eintretenden Sonnenstrahlung (3) auf einen von der kleineren Fläche der Solarzelle (5) bestimmten, von der Lichteintrittsfläche (1 ) beabstandeten und gegenüber der Lichteintrittsfläche kleinflächigeren vorgegebenen Bereich (22) versehen sind, wobei die Solarzellen (5) gemeinsam auf einem transparenten Trägerkörper (6) angebracht werden, gekennzeichnet durch die folgende Reihenfolge von Schritten: a2) Vorsehen einer Leiterplatte (7) oder Leiterfolie mit vorgefertigten Leiterbahnen zum Kontaktieren der Solarzellen (5), b2) Bestücken der Leiterplatte (7) bzw. Leiterfolie oder einer Seite (34) des Trägerkörpers mit den Solarzellen (5), e2) Aufbringen der Leiterplatte (7) bzw. Leiterfolie auf die mit den Solarzellen zu bestückenden oder bestückten Seite (34) des Trägerkörpers (6).
25. Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch den vor oder nach Schritt d2) durchzuführenden Schritt: f) Aufbringen einer Wärmeleiteinrichtung (8) auf die Leiterplatte (7) bzw. Leiterfolie.
26. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den vor dem Schritt e1 ) oder e2) durchzuführenden Schritt: d) Auftragen eines transparenten fließfähigen, vorzugsweise aushärtenden Materials (9) auf die mit den Solarzellen (5) zu bestückende oder bestückte Seite (34) des Trägerkörpers (6) zur schützenden Umhüllung der Solarzellen (5).
27. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den zwischen den Schritten b1 ) bzw. b2) einerseits und e1 ) bzw. e2) andererseits durchzuführenden Schritt: c) Testen der bestückten und angeschlossenen Solarzellen (5) durch Anlegen einer Spannung über die Leiterbahnen.
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