(57)【要約】  本発明は、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換するための複数の光起電ユニット（２２）を有する集光光起電装置（１０）に関し、複数の前記光起電ユニット（２２）には、第一の光学ユニット（２４）上に形成された光入射表面（２０）と、前記光起電ユニット（２２）の前記光入射表面（２０）より小さい表面の広がりを有する太陽電池（５６）がそれぞれ設けられ、前記第一の光学ユニット（２４）は、前記光入射表面（２０）を通って前記太陽電池（５６）のより小さい表面により決定される所定の領域（３４）上に入る太陽照射を集光又は集中するように設計されており、光入射表面（２０）から間隔を空けられていて光入射表面（２０）より面積において小さい。より小さい面積の太陽電池の使用によって太陽電池の位置決めにおけるいかなる問題もなくより安価な装置を達成するために、本発明によれば、前記複数の光起電ユニット（２２）には関連付けられた前記太陽電池（５６）を所定の領域（３４）内に位置付ける保持装置（３０）が設けられることと、前記保持装置（３０）が第一の終端（３２）により前記第一の光学ユニット（２４）に付加され、前記太陽電池（５６）が前記保持装置（３０）の対向する第二の終端（３４）に付加されることが提案される。さらにその上、前記装置のための光起電ユニット及びこれを生産するための有利な方法が説明される。
2009510739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換するための複数の光起電ユニット（２２）を有する集光光起電装置（１０）であって、
複数の前記光起電ユニット（２２）には、第一の光学ユニット（２４）上に形成された光入射表面（２０）と、前記光起電ユニット（２２）の前記光入射表面（２０）より小さい表面の広がりを有する太陽電池（５６）がそれぞれ設けられ、
前記第一の光学ユニット（２４）は、前記光入射表面（２０）を通って前記太陽電池（５６）のより小さい表面により決定される所定の領域（３４）上に入る太陽照射を集光又は集中するように設計されており、前記光入射表面（２０）から間隔を空けられて存在し、前記光入射表面（２０）より面積において小さく、
前記複数の光起電ユニット（２２）には関連付けられた前記太陽電池（５６）を所定の領域（３４）内に位置付ける保持装置（３０）が設けられることと、前記保持装置（３０）は第一の終端（３２）により前記第一の光学ユニット（２４）に付加され、前記太陽電池（５６）は前記保持装置（３０）の対向する第二の終端（３４）に付加されることを特徴とする、集光光起電装置。
【請求項２】
前記保持装置（３０）が中空の空洞を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の光起電ユニット。
【請求項３】
前記保持装置（３０）が、少なくとも前記第一の終端（３２）から前記第二の終端（３４）に向かって内側上において先細になるように構築されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光起電ユニット。
【請求項４】
前記保持装置（３０）が円錐台又は角錐台の形態に構築されていることを特徴とする、請求項３に記載の光起電ユニット。
【請求項５】
前記第二の終端（３４）に、前記第一の光学ユニット（２４）を通じて集中された入射光をさらに集中するための第二の光学ユニット（４２）が固定されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の光起電ユニット。
【請求項６】
前記保持装置（３０）が閉じられた外面（３６）を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の光起電ユニット。
【請求項７】
前記保持装置（３０）が前記第一の終端（３２）及び前記第二の終端（３４）において開放されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の光起電ユニット。
【請求項８】
前記第一の光学ユニット（２４）が、光入射表面（２０）に対向して前記太陽電池（５６）に向けられたその側面（２６）上に前記保持装置（３０）の前記第一の終端（３２）を位置決めするための位置決め要素（４０）を備えていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の光起電ユニット。
【請求項９】
前記第一の光学ユニット（２４）、前記保持装置（３０）及び前記太陽電池（５６）又は前記太陽電池に接続された要素（５８，４４）が封止された体積を取り囲むことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の光起電ユニット。
【請求項１０】
前記保持装置（３０）に、環境又は温度の影響により引き起こされる変形に対して強固にするための補強部が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の光起電ユニット。
【請求項１１】
光入射表面（２０）を有する第一の光学ユニット（２４）と、
前記光入射表面（２０）より小さい表面拡張を有する太陽電池（５６）と、
前記光入射表面（２０）を通って、前記太陽電池（５６）のより小さい表面により決定され、前記光入射表面（２０）から間隔を空けて存在し、かつ前記前記光入射表面（２０）より面積において小さい所定の領域（３４）上に入る太陽照射を集光又は集中するように構築されている第一の光学ユニット（２４）であって、
前記太陽電池（５６）が第一の終端（３２）によって第一の光学ユニット（２４）に取り付けられた保持装置（３０）によって前記所定の領域（３４）内に位置する一方、前記太陽電池（５６）が前記保持装置（３０）の対向する第二の終端（３２）に取り付けられていることを特徴とする第一の光学ユニット（２４）
により特徴付けられる、請求項１乃至１０のいずれかに記載の集光光起電装置（１０）のための光起電ユニット（２２）。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の集光光起電装置（１０）を生産するための方法であって、
ａ）透明パネル（１２）の個々のフィールド（１６）を通ってより小さい所定の領域（３４）に入る光を集中するために第一の光学ユニット（２４）が形成された複数のフィールド（１６）を備えた透明パネル（１２）を設けることと、
ｂ）前記所定の領域（３４）内において、前記フィールド（１６）より面積において小さい太陽電池（５６）を正確に位置決めするために利用されるべき各フィールド（１６）のために一つの保持装置（３０）を設けることと、
ｄ）前記保持装置（３０）を光入射側面（１８）に対向する前記透明パネル（１２）の側面（２６）に取り付けることと、
ｅ）太陽電池（５６）を各保持装置に取り付けること
により特徴付けられる方法。
【請求項１３】
前記ステップａ）が、前記透明パネル（１２）上において前記保持装置（３０）を正確に位置決めするための位置決め補助部（４０）を設けることを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ステップｂ）が、外側ケーシング（３６）、開放された第一の終端（３２）及び前記第一の終端より小さい領域を有する第二の終端（３４）を有する円錐台又は角錐台の形態の前記保持装置（３０）を生産することを含むことを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ステップｂ）と前記ステップｄ）の間に実行されるべきステップ、すなわち
ｃ）前記外側ケーシング上の取付部（abutment）のために、第一の終端を通って前記第二の終端（３４）の領域内の前記外側ケーシングの内部にかみ合うように適応された、第一の光学ユニット（２４）を通って前記太陽電池（５６）のより小さい領域上に集中された光をさらに集光するように設計されている第二の光学ユニット（４２）を挿入し、前記第二の光学ユニット（４２）を前記第二の終端（３４）の内部上に取り付けること
により特徴付けられる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、論文エー．ダブリュ．ベット（A.W. Bett）ら著「FLATCON AND FLASHCON CONCEPTS FOR HIGH CONCENTRATION PV」Proc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition、パリ、フランス、2488頁（2004年）から知られるように、添付の請求項１の前文による集光光起電装置に関する。特に、本発明は、光を電気エネルギーに直接的に変換するための光起電モジュール（ＰＶモジュール）に関する。ここでは、入射光線は太陽電池（ＰＶ集光器モジュール）上に達する前に集光される。本発明は、この種のＰＶ集光器モジュール用の光起電ユニットにも関する。最後に、本発明はこの種の集光光起電装置を生産する方法にも関する。
【０００２】
そのような集光光起電装置のさらなる詳細については、本願の出願人によるドイツ特許出願DE 10 2005 003 272.2が特に参照され、前記特許出願は以前の公開ではない。
【０００３】
本発明は、集光太陽光モジュールの分野におけるものである。この種のモジュールにおいては、直接の太陽照射を高性能太陽電池上に集光する複数のユニットは、封止されたモジュールと組み合わされる。前記太陽電池は直接的に利用可能な電流を生成する。
【背景技術】
【０００４】
太陽光エネルギーの開発の分野において、太陽エネルギーがシリコンによって電流に変換され得ることは約５０年間知られてきた。現在一般に使用される太陽電池においては、一般に単結晶又は多結晶シリコンが使用される。しかし、入射照射の限定されたスペクトルだけを電流に変換させるため、前記太陽電池の性能は比較的低い。近年には、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）のような高い価数の半導体化合物（例えばIII-IV半導体物質）から作られた高性能ＰＶセルにより、太陽光照射の３６％より大きい非常に高い効率に関して、相当な成功が達成された。本発明の一つの目的は、経済的に魅力のあるそのようなＰＶセルの用途を作ることである。
【０００５】
半導体物質を基礎とするこの種のセルは、多層又は三重接合セルとして階段状に形成され、結果としてより広い光の周波数スペクトルを利用し得る。しかし、そのようなセルの大きい表面領域の生成は非常にコストが大きい。従って、適応されたアプローチは、例えば１ｍｍ２未満の非常に小さい表面上への入射太陽光を集光することである。次に太陽電池は、この小さい表面領域のためにのみ必要とされる。この集光は、現在３６％より大きい高い光収率の高性能ＰＶセルが利用され得ることを意味する。太陽光施設のシステム費用は生成された電力に従って計算されるので、前記のコストは非常により安価な集光光学系と小さいが高効率のセルによる大面積太陽電池の置き換えの結果として削減される。太陽の動きを追跡するためのシステムの調整に関わる労力は、達成された増加された効率性に対して比較的小さい。
【０００６】
しかしながら、これまでに使用されたシステムは、大部分は比較的大きい焦点距離を有する比較的大きなフレネスレンズと共に動作し、前記フレネスレンズはモジュールの十分な厚みをもたらした。それらを必要な性能のユニットに組み合わせることは非常に大きな重量をもたらし、例えば風力のため誘導システムの構造設計の要件が考慮すべきであるとの結果を伴う。そのため、関連する大きな作業のため、この種の集光器システムは光起電電流生成の大きい成長にもかかわらず受け入れられなかった。
【０００７】
確かに最近では、いくつかの場合に太陽光の５００倍より大きい集光をも提供する小さいフレネスレンズを有するシステムも提案された。しかしながら、この場合は経済的に実行可能な太陽発電設備の建設のために非常に多数のユニットが必要とされる（例えば５００ｋＷの電力に対して１５万セル、太陽電池の３０％の「性能」）。今までのところは、熱の高い集中の外部への排出、及び環境的影響（特に浸透性の高い湿気とガス）からの繊細な太陽電池の保護の問題は解決されていない。
【０００８】
各セルの正確な位置決めと焦点距離の固定という構造上の問題は、これまで適応されたアプローチにおける相当の作業を引き起こし、予想されたコスト節減を大きく吸収する。正確な位置決めの問題は可能な集光を制限し、ゆえに太陽電池のサイズを制限する。そのため、本発明のシステム（ベットらを参照）は、最大約５００倍の太陽の集光と２．５ｍｍ長の側面を有する太陽電池を使用する。
【０００９】
正確な位置決めの問題は、添付の図５を参照して以下説明されている。集光された後でさえ、光は均一に分散されず、図５の参照符号１に図式的に示されるようにガウス分布を有する。Ｘ１は、光の強度の約９０％が直撃する光の中心からの距離を示す。太陽電池のエッジの位置決めが点Ｘ１から大幅にずれた場合、光強度の相当の割合が失われる。そのため、最大の光強度が太陽電池を直撃するように、可能な限り正確に太陽電池を位置決めすることが重要である。このことは、より大きな太陽電池によれば相当により容易であるが、その結果太陽電池を製造するための費用は実質的に増加した。
【００１０】
太陽電池は、半導体ウェハ上において製造される。前記ウェハは、通常には直径が１０ｃｍ以上のオーダーの円形ディスクである。太陽電池を製造するために必要な製造段階の全ては、ウェハから製造されている太陽電池の数に関わりなく、ウェハ毎に実行されるべきである。次に、リソグラフィーマスクのみが異なるであろう。換言すれば、一つのウェハから製造される太陽電池の数が増加すれば、太陽電池毎の費用は相応に減少する。２０×２０ｍｍの領域を有する太陽電池によれば、数個だけの太陽電池がウェハの表面に適合するであろう。加えて、太陽電池の生産のために使用されることのない円形のエッジの周りに大きな断面領域が残る。太陽電池の横断面が小さければ、より多くの太陽電池がウェハの表面に適合し、これによりウェハのエッジの周りを含めて、はるかに多い太陽電池が一つのウェハから作られ得る。しかし、太陽電池が小さいほど、位置決めはより正確でなければならない。
【００１１】
集光器レンズに対する太陽電池の正確な位置決めは、研究所での試験において受動的に実行され得る。しかし、可能な限り長く可能な最低の費用にて可能な最大の光の強度を利用するように、実際に生産される可能な最小の太陽電池さえ使用され得る構造と製造方法を提供することが重要である。
【００１２】
従来技術における太陽電池の正確な位置決めは多数の要因により影響を受け、そのいくつかは動作中に変化し得るため、実際に制御することが困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、より高い集光が達成され、位置決めにより発生する任意の問題なしにより小さい表面面積を有する太陽電池が使用され得るように、添付の請求項１の前文の特徴を有する集光光起電装置を構築することである。結果として、全体においてモジュールを組み立てるために実質的により安いシステムを使用することが可能となるべきである一方、モジュールを誘導するためのシステムは生産するためにより単純でより安くあるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題は、添付の請求項１の特徴を有する集光光起電装置により解決される。
【００１５】
本発明の有用な実施形態は、従属請求項の主題である。この種の光起電装置用の個々の光起電ユニットは、独立請求項の主題である。高価でない生産の方法は、他の独立請求項において記述される。
【００１６】
ゆえに、本発明は太陽光エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換するための複数の光起電ユニットを有する光起電装置を提供する。多数の光起電ユニットには、それぞれ光入射表面が形成された第一の光学ユニットと、個々の光起電ユニットの光入射表面より小さい表面膨張を有する太陽電池が設けられる。第一の光学ユニットは、光入射表面を通じた太陽光照射を、光入射表面に対して小さい表面領域を有して太陽電池のより小さい表面領域により決定される所与の領域上に集光又は集中するように働く。第一の光学ユニットの集中レンズのため、第一の光学ユニットが入射太陽照射を集中する所定の領域は、光入射表面から対応する距離において形成される。
【００１７】
「フラットコン（Flatcon）」のブランド名の下にフラウンホファー‐ゲゼルシャフト，インスティトゥート・ソラレネルギースィステメ（Fraunhofer-Gesellschaft, Institut Solarenergiesysteme）により現在開発中であって大量生産の用意がされたような以前に知られた集光器モジュールも、類似の構造である。
【００１８】
しかし、既知の集光器モジュールにおいては個々の第一の光学ユニットを形成する複数のフィールドを有する透明な表面は、箱形の構造の一つの側面として構成され、終板は箱の対向する第二の側面を形成する。本発明によれば、複数の光起電ユニットに、関連付けられた太陽電池が所定の領域に位置決めされるそれ自体の保持装置がそれぞれ設けられることが予想される。保持装置は第一の終端において第一の光学ユニットに固定され、太陽電池は保持装置の対向する第二の終端に取り付けられる。
【００１９】
そのような構造が、おそらく位置決めに伴う問題を引き起こさずに太陽電池の寸法を削減することに関して重要な利点を有する理由は、以下により詳細に説明される。
【００２０】
本提案によれば、エネルギーを供給するための発電所にこの種の集光器モジュールが取り付けられることになる。その野心的な計画は、高い太陽光照射が存在する沿岸地域にそのような発電所を建設することに向けられている。従って、実際には集光器モジュールが相当な温度の変動に曝されるであろうことが仮定される。そのような地域において起こる自然の温度変化に加えて、入射光の集光により引き起こされる相当な加熱も考慮されなければならない。従って、集光器モジュール上には１００℃より大きい温度変化が予想されなければならない。一つの側面がフレネルレンズとして構築され他の側面が太陽電池の保持板である、以前に知られた箱の形態の構造においては、箱の終端の壁は二つのパネルを互いに対して位置決めし、繊細な太陽電池の表面を保護するために密閉して封止されなければならず、このことは、材料が異なる温度膨張係数を有するため考慮すべき問題を作り出す。結果として、温度変化に反応して第一の光学ユニットに一致する太陽電池の相対的位置は相応に変化する。この問題は、光が集光されそのため相応に加熱される大きな囲まれた空間によって悪化させられる。
【００２１】
図５の参照符号１により示されるように、入射光がガウス分布の形態により集光されることも念頭に置かれなければならない。照射されたエネルギーの９０％は、光強度の中心からｘ１〜ｘ１により表される距離内に見付けられる。
【００２２】
使用される材料の異なる温度膨張による問題に加えて、個々の太陽電池の設置における一次光学系の焦点についてのあり得る誤差が存在する。さらにその上、いわゆる追跡整合における誤差は、光強度の中心に対するあり得る太陽電池の位置の不整合をもたらす。「追跡整合」の語は、具体的には太陽に向かっての太陽光モジュールの誘導と、風のような環境的影響に応答した太陽光モジュールの位置の修正に及ぶ。個々の集光器太陽光モジュールが保持される支持構造の温度膨張の場合及び組み立て中に、他の欠陥が発生し得る。
【００２３】
前記の全てのあり得る欠陥は光学ユニットに関する太陽電池のあり得る不整合に影響を与えたため、従前のシステムにおいては、高い光収率が実際に達成されるべき場合には相対的に大きな面積の太陽電池が使用されなければならなかった。
【００２４】
本発明による構造においては、上述の欠陥は太陽電池の第一の光学ユニットに対する相対的位置に非常により小さい影響しか有しない。本発明によれば個々の各光学ユニットは各光学ユニットに割り当てられた各光学ユニット自体の保持装置を有し、前記保持装置は関連付けられた太陽電池をそれぞれの第一の光学ユニットに対して位置決めする。前記保持装置もまた第一の光学ユニットに取り付けられる。
【００２５】
このように、熱膨張の異なる度合いにより引き起こされる欠陥は、各光起電装置の小さいシステム内における影響だけを有する。個々の各光起電装置はそれ自体の保持装置を形成し、これにより従来技術におけるように熱膨張誤差が全体の領域上に一緒に加えられることはない。これにより、集光器モジュールの壁の熱膨張はもはや個々の太陽電池の位置に影響を与えない。
【００２６】
さらにその上、個々の保持装置のおかげで、個々の各太陽電池が置かれるべき正確な位置がより満足に予め決定され得て、これにより一次光学系の焦点における個々の太陽電池の設置における誤りが削減される。本発明によれば、個々の保持装置の設置においてのみ特別の注意が必要とされる。誤りがこの点において起こった場合、このことは個々の光起電ユニットにのみ影響を与え、全体の集光器モジュール、すなわち全体の光起電装置には影響を与えない。
【００２７】
選択された保持構造は、電気的接続の目的のために個々の太陽電池が容易に後方から接触可能であるという利点をも有する。また、太陽電池が保持装置により前面において固定されるため、冷却フィン又は類似の冷却構造を提供するための十分な空間も存在する。
【００２８】
有利なことに、保持装置は第一の光学ユニットによって集中された太陽光の光線が第一の光学ユニットから太陽電池に空洞内において拡散し得る空洞を有する。その結果、たとえ保持装置が光入射表面の平面と太陽電池の平面の間の空間内に位置するとしても、保持装置は妨げられない光の拡散についていかなる影響も有しない。空洞は空であるか、任意の所望の透明な媒体により満たされ得る。
【００２９】
光入射表面から所定の領域に集光された光の拡散に従って、保持装置は好適には第一の終端から第二の終端に向かって円錐状に徐々に細くなって形成される。その結果、一方では保持装置は非常に少ない材料から作られ得る。他方では、そのため太陽電池の位置を正確に固定する第二の終端の位置を決定することが可能であり、これにより組み立て品における曖昧さの余地が存在しない。保持装置については、前記目的のために円錐台又は角錐台の形態であることが特に好適である。角錐台形状は、以下の理由により特に好ましい。従来技術において基本的に知られるように、集光器モジュールに向かう多量の光を個々の太陽電池上に可能な限り集中するために、光学ユニットは好適には透明パネルの個々のフィールドとして構築される。個々のフィールドは、一つを他に対して密接に適合させるために、正方形又は長方形の形状である。外側（光入射表面）を通って入る光が一点上に集中されるように、各フィールドは内部上に構築される。これらの個々のフィールドの形状に従って、保持装置もまた角錐台として構築され得て、互いに干渉することなく透明パネルの内部上に近接して配置され得る。角錐形状は、例えば射出成形によるプラスチックから容易に生産され得る一方、より弱い材料が使用された場合には角錐形状のエッジは安定化効果を有する。その結果、角錐の頂点は第一の光学ユニットの焦点の周囲に容易に位置決めされ得る。
【００３０】
本発明の特に好適な実施形態において、保持装置の第二の終端上には、第一の光学ユニットを通って集中された入射光をさらに集光する第二の光学ユニットが存在する。その後、好適には前記第二の光学ユニットの下に太陽電池が配置される。第一の光学ユニットと第二の光学ユニットの組み合わせは、光入射表面を通って入る光を集光することが可能であり、これにより小さい表面でさえある小さい面積の太陽電池が照射される。試験により、小表面太陽電池の一部が照射されただけであるが、対応してより集光された光により照射された場合においてさえ、高いエネルギー産出が達成されることが示された。太陽電池の小さい比率のみが照射される事実のおかげで、このより小さい光の点が、不整合の場合においてさえ太陽電池の有効な表面内に依然残るであろう大きな可能性が存在する。保持装置のため、第一の光学ユニットに対する第二の光学ユニットの正確な位置決めと、二つの光学ユニットに対する太陽電池の正確な位置決めをも達成することも可能である。
【００３１】
集光器モジュールに伴う別の大きな問題は、あり得る太陽電池の汚れのリスクである。小さい面積のみが利用されるため、塵埃粒子又は湿気のような小さい汚れの量でさえ、性能について大きな影響を有し得る。そのため、環境からの有効な太陽電池表面のスクリーニングは、前記の集光器モジュール全てにおいて大きな問題を構成する。第二の光学ユニットを有する本発明の有用な実施形態においては、太陽電池の有効表面領域は第二の光学ユニット上に直接的に設置され、そのため前記第二の光学ユニットによって封止される。この場合において、保持装置もまた、例えば取り付けられた太陽電池を有する第二の光学ユニットを適宜に位置付ける多数のロッドによって形成され得る。代替的には、種々の開口部が保持装置のケーシング内に設けられ得る。この構造は、空気のような媒質が開口部を通じて逃げることが可能であるため、保持装置によって囲まれる空洞内に位置する媒体の任意の熱膨張が、保持装置の安定性及び位置について影響を有しないという利点を有するであろう。しかし、このことは保持装置が閉じた外側表面を有する場合に有効な太陽電池表面の必要とされた清浄度に関して特に有用である。このことは、汚れ又は蒸気が有効な太陽電池表面に達することを防ぐ。有利なことに、第一の光学ユニット、保持装置及び太陽電池は封止された体積を囲み、保持装置は第一及び第二の終端において開放されており、それぞれ第一の光学ユニットと太陽電池によって前記終端において閉鎖されている。
【００３２】
結果として、前記モジュールは接触を促進するために後面において開放されるように構築され得る。そのため、冷却媒質は容易に補充され保持装置によって提供された拡大された表面領域上において効率的に冷却される。
【００３３】
円錐台又は角錐台の形態における保持装置の構造により、保持装置は漏斗又は小さい円錐のように適宜成形される。このことは、製造工程のために大きな利点をも有する。第二の光学ユニットの配置及び位置決めのために、例えば第二の光学ユニットはレンズのように構築され得て、第二の光学ユニットの側壁は円錐台又は角錐台の頂点の内壁に対応するように構築される。前記側壁にいくつかの接着部を有するレンズを提供することと、上から漏斗に落とすことが、必要とされることの全てである。この方法により、第二の光学ユニットを形成するレンズは同時に正確に位置決めされ得る。
【００３４】
保持装置が第一の光学ユニットに自動的に適合するように保持装置を位置決めするために、第一の光学ユニット上に特別の位置決め要素が第一の光学ユニット上に配置され得る。前記位置決め要素は、光入射表面に対向する内部表面上に有利に設置され、保持装置が固定される場所である太陽電池に向けられる。保持装置が円錐台又は角錐台として構築された場合、第一の終端における保持装置のエッジ形状に対応する溝構造が前記内部表面上に形成され得る。第一の終端を固定するために必要なことの全ては、溝に接着剤を塗布し、エッジを溝に挿入することである。この方法により、中心化（centring）相互ロック係合によって、保持装置が適切に第一の光学ユニットと位置合わせされる。しかし、説明された溝の代わりに、例えば第一の終端における射出係合（projection engagement）のような他の位置決め要素を使用することも可能であり、前記他の位置決め要素は同一の効果を有する。
【００３５】
保持装置が封止された体積を囲む場合、強い加熱中に前記体積内に囲まれた媒質が膨張して保持装置の外部表面に対して押圧することが起こり得る。太陽電池の不整合を引き起こす前記のことを防ぐために、保持装置は好適にはこれを強固にするための補強材により分割される。しかし、内部体積を排出し、又は少ししか膨張しないガスにより内部体積を満たすこともまた可能である。
【００３６】
このように、本発明による構造により、その中の太陽エネルギーを電流又は熱エネルギーに変換するために、太陽エネルギーは高性能太陽電池に集光され得る。このように、本発明は、光変換において半導体材料から作られた多段階太陽電池の高効率の経済的利用を可能にする。好適には、太陽光の集光は太陽光に対して透明なパネルの下面上に搭載される光学ユニットによって実行される。
【００３７】
第一の光学ユニットにより集中された光線は、好適には第一の光学ユニットから間隔を空けられた第二の光学ユニットを直撃する。第二の光学ユニットは第二光学系としても参照され、光入射表面のサイズに対して非常に小さい太陽電池上にさらに光を集光して集中するように働く。非常に小さい太陽電池の正確な位置決めは、光入射表面のに接続された留めユニットによって実行される。本明細書において説明された構造により、非常に小さな太陽電池を使用することが可能であり、０．５ｍｍ長より小さい側面を有する太陽電池さえ可能である。その結果、多段階太陽電池の高い費用は重要でなくなる。本発明により実装された電流を生成するための太陽光システムは、そのため実質的により低い投資費用とより小さい表面面積を必要とする。
【００３８】
最初に述べたように、最大５００倍構造を有する既知の集光器ユニットと比較して、本発明による構造を使用することにより、通常の太陽光と比較して２，０００倍より大きく最大１０万倍の集光が可能とされる。０．５ｍｍ長より小さい側面を有する上述の太陽電池は、（例えばＦＬＡＴＣＯＮシステムにおける）６．５ｍｍ２の既知の太陽電池に対して、非常に高価な半導体の０．２５ｍｍ２だけの表面面積を必要とする。加えて、より小さい表面面積は、ウェハ上においてウェハのエッジがより良く利用されることを意味する。特定された表面面積は、以前に必要とされた面積の４％にしか対応しない。そのため、以前の太陽電池の費用の約５％だけが適用される。それにもかかわらず、より正確な太陽電池の位置決めの可能性のため、太陽電池モジュールの誘導においてより高い耐久性が与えられ得る。既知の集光器モジュールにおいて誘導が±０．５°の角度内に正確でなければならなかった一方、本発明による構造を有する誘導の正確さは、±３°の角度でさえあればよい。
【００３９】
結果として、本発明はモジュールを組み立てるための実質的により安いシステムと、太陽に対して追跡するための実質的により安いシステムを使用することを可能にする。この理由により、費用の実質的削減が期待され得る。そのため、本発明はこの価値ある環境的に有用な技術の産業化に向かう大きなステップを表す。
【００４０】
本発明又はその好適な実施形態の利点は以下の通りである。
【００４１】
・特別な光学的特性を有する二次光学系を使用することにより、極めて小さい領域上への入射太陽光の緊密な集中を達成することが可能である。
【００４２】
・二次光学系は、多数の角度により垂直に入射する太陽光の角度における偏向が存在する場合に、やはり正確な光線形成と所定の点への集中を達成するであろう。
【００４３】
・個々の光入射表面のエッジに取り付けられた保持装置の構築の結果、太陽電池は個々の焦点に正確に位置決めされる一方、加えて切り替え及び熱伝導パネルは太陽電池上に搭載され得る。
【００４４】
・第二光学系の構築及び位置決めにより、気密封止によって太陽電池の非常に繊細な表面を保護するために、気密封止を太陽電池により直接的に達成することが可能となる。
【００４５】
・それぞれの場合における一つだけの堅固に固定された光起電装置（集光器ユニット）のための熱伝導パネルの構築及び適合は、複数の太陽電池が熱伝導パネル又は基礎プレート上に固定して搭載される集光器モジュールと対照的に、高い温度差の結果として起こる種々の材料の膨張がごく僅かな応力にのみ導くことを確実にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
本発明を例証する実施形態は、添付の図面を参照して本明細書の以下に説明される。
【００４７】
図１は、集光器モジュール１０の形態の光起電装置を示す。集光器モジュール１０は、フレーム１４により固定されている透明パネル１２を有し、詳細には示されていない既知の種類の装置によって可能な限り太陽光の照射に対して垂直に位置決めされ得る。透明パネル１２は、複数の正方形又は長方形のフィールド１６に分割され、フィールド１６は太陽に面するその外側の側面１８上に、独立した集光器ユニット２２の形態の独立した光起電ユニットの光入射表面２０を形成する。これにより、集光器モジュール１０が全体として複数の集光器ユニット２２から作られるように、各フィールド１６は単一の集光器ユニット２２を表す。各集光器ユニット２２は透明パネル１２の一部を使用し、これにより集光器ユニット２２が透明パネル１２により共に結合される。
【００４８】
図２は、複数の集光器ユニット２２の例として、独立した集光器ユニット２２のより詳細な図を示す。フィールド１６のそれぞれは、外側の側面１８に対向して内部上に、光入射表面２０を通って入射する全ての光が集光器ユニット２２毎に一つの焦点に集光される、一次光学系（optic）の形態の第一の光学ユニット２４を有する。一次光学系を形成するために、フレネルレンズが各フィールド１６上に形成され、フィールド１６は対応する構造と共に内部２６上に設けられている。
【００４９】
光を集中するように働くフレネル構造２８に加えて、内部２６に取り付けられて、保持装置３０も存在する。図３に最も明確に示されるように、保持装置３０は角錐台の外見の形態に構築される。角錐台の基礎領域は、フィールド１６の形状に対応する。第一の終端３２は、角錐台の基礎において開放されるように構築される。対応して面積においてより小さくなるように構築される角錐台の頂点の第二の終端３４も、開放されている。外側の表面３６は、全体的に閉じられている。保持装置３０の壁は好適にはプラスチックにより作られているが、金属薄板のような他の材料も可能である。
【００５０】
図２ａに最も明確に示されるように、第一の終端３２において形成されている保持装置３０のエッジは、各フィールド１６のエッジ領域内の透明パネルの内部２６上に、エッジ３８を補完する形状に形成されている対応する溝４０内に固定されている。エッジ３８は、例えば溝４０内に接着接合されている。
【００５１】
図４により明確に示される二次光学系４２の形態の第二の光学ユニットは、保持装置３０の角錐台の形状の頂点に固定される。二次光学系４２は、ガラスのような光学材料の本体４４により形成され、特に、本体４４の側壁４６は角錐台の頂点の領域内の保持装置３０の内部に一致する。従って、本体４４もまた示された実施形態における角錐台のように形作られる。前記角錐台の基礎表面４８上に、照射された光をさらに集光するためのレンズを形成する凸部５０が存在する。平面の表面５４は、本体４４の角錐形状のより小さい領域の頂点上に対応して形成される。純粋に図示の目的のために図４に示された、表面５４から間隔を開けられた太陽電池５６は、表面５４が封止する態様により太陽電池５６の光感知表面を覆うように、表面５４に接続される。二次光学系４２の本体４４は、その側壁４６により保持装置３０の外側表面３６に接着接合される。前記方法により、太陽電池５６もまた保持装置３０に固定して接続され、一次光学系２４に対して正確に位置決めされる。
【００５２】
図２及び４から分かり得るように、太陽電池５６は、詳細は示されないが十分に周知であるさらなる切り換え及び接続素子が設けられる熱伝導パネル５８に取り付けられる。
【００５３】
以下の手順は、集光器モジュール１０の製造において使用される。
【００５４】
まず、透明パネル１２は、外側上において平坦であるような方法により生産され、独立したフレネル構造２８及び独立した各フィールド１６上の溝４０が内部上に設けられる。
【００５５】
保持装置３０は、例えば最も低い可能な拡張係数を有する材料から、プラスチック射出成形のような適切な製造工程により生産される。
【００５６】
加えて、二次光学系４２の本体４４は、正確な凸部５０を有して生産され、その後本体の側壁４６には接着剤が与えられ、開放された第一の終端３２を介して保持装置３０内に挿入される。補完的な態様により適合する保持装置３０の内壁と側壁４６のおかげで、二次光学系４２は挿入されたように自動的に正しく位置決めされる。その結果、図３に示される保持装置３０と二次光学系４２から形成された光学ユニット６０が得られる。前記光学ユニット６０は、その後透明パネルの内部に取り付けられ、それ故にエッジ３８を溝４０に挿入することにより一次光学系２４に取り付けられる。この接続は、例えば接着接合のような適切な接合技術により固定される。一つの実施形態において、透明パネルがまだ柔らかい間に接合は行われ、これにより透明パネルが硬化すると、透明パネル１２と光学ユニット６０の間において固定された接続が自動的に得られる。
【００５７】
太陽電池５６と他の切り替え及び接続素子は、接続及び試験されて熱伝導パネル５８上に搭載される。好適には金属から作られた熱伝導パネルの熱伝導性は、特に伝導性のある金属材料及び／または異なる厚さの材料を使用することにより、意図的に選択され得る。熱伝導性は、材料の導電性のあるシートの追加搭載によっても続いて変化させられ得る。本明細書に示されないいくつかの実施形態において、冷却フィンも熱伝導パネル上に設けられる。
【００５８】
その後、太陽電池５６は取り付けられた熱伝導パネル５８と共に、二次光学系４２の下方の表面５４に接続され、保持ユニットにより選択的に固定される。
【００５９】
図５は、参照符号１を有する二次光学系４２の使用を伴わない太陽電池５６の領域内の光の分散と、参照符号２を有する二次光学系４２の使用を伴う太陽電池５６の領域内の光の分散を一例として示す。正確に位置決めされた二次光学系４２により、前述のように、光の強度の９０％がｘ１〜ｘ１の間のより広い限界を直撃せず、むしろｘ２〜ｘ２の間のより狭い限界を直撃するように、光の強度を限定することが可能である。これにより、たとえ第一の光学ユニットを有する太陽電池の小さな不整合が存在したとしても、太陽電池の同一の表面領域について、光の強度のより大きい比率が太陽電池の光活性表面の領域内に依然残る。
【００６０】
保持装置３０により正確な位置決めのおかげで、特に二次光学系４２との関係において、これにより太陽電池５６のより小さい表面領域の全体を使用することが可能である一方、同時に照射される光を有する透明パネル１２の配置におけるより大きい許容差が許される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】複数の独立した光起電ユニットを有する集光器モジュールの形態における集光光起電装置の高度に単純化された斜視図を示す。
【図２】図１と比較して拡大された、図１の集光装置の独立した光起電ユニットの詳細図である。
【図２ａ】二つの光起電ユニットの間の境界の領域と光入射表面の領域における集光器モジュールを通った断面図である。
【図３】図２の光起電ユニットにおいて使用される、第二の光学系（optic）を有する保持装置の斜視図である。
【図４】図３と比較して拡大された、第二の光学系の図を示す。
【図５】本明細書に示される装置における光強度の分布と比較された、従来技術による光強度の高度に図表的な表現を示す。
【符号の説明】
【００６２】
１０  集光器モジュール（光起電装置）
１２  透明パネル
１４  フレーム
１６  領域
１８  外側
２０  光入射表面
２２  集光器（光起電ユニット）
２４  一次光学系（第一の光学ユニット）
２６  内側
２８  フレネル構造
３０  保持装置
３２  第一の終端
３４  第二の終端
３６  外側表面
３８  エッジ
４０  溝
４２  二次光学系
４４  本体
４６  側壁
４８  基部表面
５０  凸部
５２  頂部
５４  表面
５６  太陽電池
５８  熱伝導パネル
６０  光学ユニット
【図１】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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