Die Erfindung betrifft eine Linse, eine die Linse umfassende Solarzelleneinheit sowie ein Fügeverfahren für eine Solarzelleneinheit.

Aus der EP 2 073 279 AI ist ein Solarzellenmodul bekannt, bei dem ein als Solarzelle ausgebildeter Halbleiterkörper auf einem Träger angeordnet ist. Um den Halbleiterkörper und insbesondere dessen Seitenflächen vor Umge- bungseinflüssen zu schützen, die zu einer Degradation der elektrischen Parameter führen, wird um den Halbleiterkörper an drei Seiten ein Rahmen angeordnet und mit einem transparenten Deckel abgeschlossen. Anschließend wird der verbleibende Zwischenraum mit einer transparenten Vergussmasse aufgefüllt und eine Linse angebracht.

Aus der EP 1 953 825 A2 ist eine weitere Solarzelleneinheit bekannt. Hierbei wird auf einem Träger ein als Solarzelle ausgebildeter Halbleiterkörper angeordnet. Anschließend werden zum Schutz des Halbleiterkörpers eine Dichtfolie und ein aus mehreren Teilen bestehendes Gehäuse, welches auch eine Linse umfasst, in einem mehrstufigen Prozess auf dem Träger angeordnet.

Aus der DE 10 2009 006 286 AI ist ein Solarzellenmodul bekannt, welches eine Vielzahl von einzelnen Solarzelleneinheiten auf einem Träger aufweist. Unter anderem ist oberhalb der Solarzellen jeweils eine Linse, welches auch als sekundäres optisches Element„SOE" bezeichnet wird, angeordnet. Das optische Element leitet das durch eine Fresnellinse fokussierte Licht der Sonne auf die Oberfläche der Solarzelle. Mittels der fokussierenden Anordnung lassen sich mit wenigen kleinen Solarzellen, welche einen Wirkungsgrad bis zu 40% und darüber aufweisen, großflächige Solarzelleneinheiten aufbauen.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Die Aufgabe wird durch eine Linse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine die Linse umfassende Solarzelleneinheit gemäß Anspruch 10 und durch ein Fügeverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran- Sprüchen.

Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird eine Linse bereitgestellt, wobei die Linse einen Grundkörper mit einer im Wesentlichen planen oder exakt planen Unterseite, einer der Unterseite gegenüberliegenden Empfangsfläche einem die Unterseite und die Empfangsfläche verbindenden, seitlichen Oberflächenbereich und einer senkrecht zu der Unterseite verlaufenden optischen Achse aufweist.

Weiterhin weist die Linse an dem Grundkörper in einer ersten Höhe über der Unterseite auf dem seitlichen Oberflächenbereich mindestens eine Ausbuchtung auf, wobei die Ausbuchtung eine Unterseite aufweist und die Unterseite der Ausbuchtung von der Unterseite der Empfangsfläche in Richtung der optischen Achse beabstandet ist. Die mindestens eine Ausbuchtung überdeckt einen Winkelbereich von weniger als 130° oder weniger als 90° des Umfangs des Grundkörpers gemessen von der optischen Achse. Vorzugsweise überdeckt die Ausbuchtung einen Winkelbereich zwischen 5° und 40°. Höchst vorzugsweise überdeckt die Ausbuchtung einen Winkelbereich kleiner als 60°.

Es sei angemerkt, dass mit dem Begriff der planen Fläche an der Unterseite in einer Ausführungsform auch eine Mikrorauigkeit umfasst ist. Hierbei ist insbesondere eine Rautiefe zwischen 0,0001 mm und 0,1 mm umfasst. Auch sei angemerkt, dass die Begriffe Linse und sekundäres optisches Element sy- nonym verwendet werden.

Derartige Linsen als Teil einer Solarzelleneinheit werden insbesondere bei konzentrierenden Solarsystemen verwendet. Die Systeme bestehend aus einer Solarzelleneinheit und einem Fresnellinse werden auch als CPV Systeme bezeichnet und weisen Konzentrationsfaktoren von einigen hundert bis über 1000 auf. Die Solarzelle umfasst vorzugsweise 3-5 Halbleitermaterialien in Form einer monolithisch integrierten stapeiförmigen Mehrfachsolarzelle. Gemäß einem weiteren Gegenstand der Erfindung wird eine Solarzelleneinheit mit einer Linse der vorbeschriebenen Art bereitgestellt, wobei die Solarzelleneinheit ein als Solarzelle ausgebildeten Halbleiterkörper mit einer Empfangsfläche, einer Unterseite und mindestens zwei elektrischen Kontakten und einen Träger mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, wobei die Un- terseite des Halbleiterkörpers mit der Oberseite des Trägers elektrisch verschaltet und kraftschlüssig verbunden ist und die Unterseite der Linse mit der Empfangsfläche des Halbleiterkörpers mittels einer eine Silikonverbindung umfassenden Polymerkleberschicht kraftschlüssig verbunden ist. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Fügeverfahren für eine Solarzelleneinheit. Eine Linse und ein Halbzeug werden hierfür bereitgestellt.

Die Linse weist einen Grundkörper mit einer im Wesentlichen planen oder genau planen Unterseite, einer der Unterseite gegenüberliegende Empfangsflä- che, einem die Unterseite und die Empfangsfläche verbindenden, seitlichen Oberflächenbereich und einer senkrecht zu der Unterseite verlaufenden optische Achse auf. An dem Grundkörper der Linse ist weiterhin in einer ersten Höhe über der Unterseite auf dem seitlichen Oberflächenbereich mindestens eine Ausbuchtung angeordnet.

Die Ausbuchtung weist eine Unterseite auf, wobei die Unterseite der Ausbuchtung von der Unterseite des Grundkörpers in Richtung der optischen Achse beabstandet ist. Vorzugsweise ist die Fläche an der Unterseite der Ausbuchtung plan und parallel zu der Fläche an der Unterseite der Linse.

Das Halbzeug weist einen Träger mit einer' Oberseite und einer Unterseite auf, wobei mindestens zwei Kontaktflächen und ein als Solarzelle ausgebildeter Halbleiterkörper auf der Oberseite des Trägers angeordnet sind. Die Linse wird mit nach oben zeigender Unterseite die Linse zumindest an einer Ausbuchtung oder an mehreren oder mittels allen Ausbuchtungen formschlüssig in einer Halterung gehalten. Eine Silikonverbindung umfassende Polymerkleberschicht wird auf die Unterseite der Linse aufgebracht.

Anschließend wird das Halbzeug so auf die von der Polymerkleberschicht bedeckte Unterseite der Linse aufgelegt, dass ein Flächenschwerpunkt Unterseite der Linse, auch als sekundäres optisches Element bezeichnet, und ein Flächenschwerpunkt einer Empfängerfläche des Halbleiterkörpers zumindest nä- herungsweise oder vorzugsweise exakt übereinanderliegen.

Anschließend wird das auf der Linse positionierte Halbzeug auf die Linse in einem definierten Abstand gehalten und erwärmt, so dass nach dem Aushärten der Polymerkleberschicht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Unterseite der Linse und der Empfängerfläche des Halbleiterkörpers hergestellt wird.

Es sei angemerkt, dass die Linse vorzugsweise aus einer anorganischen Verbindung ausgebildet ist und höchst vorzugsweise transparent wenigstens für einen Wellenlängenbereich von Infrarot bis einschließlich dem nahen Ultraviolett ist. Vorzugsweise ist das sekundäre optische Element vollständig aus einer Quarzglasverbindung oder Quarzglas ausgebildet.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass die Linse mittels der Ausbuchtung zu der Empfangsfläche mit dem Halbleiterkörper exakt ausgerichtet und positioniert gefügt wird. Hierdurch lassen sich der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit der Solarzelleneinheit erhöhen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Ver- fahren eine automatisierte Herstellung bei einer hohen Ausbeute von großen Stückzahlen durchführen lässt. Insbesondere ist es von Vorteil, dass bei einem Auftragen der Polymerkleberschicht auf die Unterseite der Linse nicht die Ausbuchten benetzt werden und die Aufnahmevorrichtung für die Linse verschmutzt werden. Die Benetzung des vor dem Fügen noch flüssigen Sili- kontropfens bleibt durch Oberflächenkräfte auf die Unterseite des Grundkörpers beschränkt.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die erfindungsgemäßen Ausbuchtungen den Platzbedarf der Linse nicht oder nur geringfügig erhöhen. So ist insbesondere eine Matrixanordnung von die Linse als sekundäres optisches Element umfassenden Solarzellen auf einem Platinen Nutzen möglich.

In einer Weiterbildung weist die Linse genau zwei oder drei oder genau vier Ausbuchtungen auf. In einer Weiterbildung sind die genau zwei oder die genau drei oder die genau vier Ausbuchtungen oder die mehr als vier Ausbuchtungen entlang eines parallel zu der Unterseite verlaufenden Umfangs des Grundkörpers der Linse gleichmäßig verteilt. In einer anderen Weiterbildung sind die Ausbuchtungen nicht gleichmäßig entlang eines parallel zu der Unterseite verlaufenden Umfangs des Grundkörpers der Linse verteilt.

In einer Ausführungsform weisen alle Ausbuchtungen die gleiche erste Höhe auf. In einer anderen Ausführungsform weisen die vier Ausbuchtungen unterschiedliche erste Höhen auf.

In einer anderen Weiterbildung sind jeweils zwei der vier Ausbuchtungen näher zusammen, d.h. der Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Ausbuchtungen beträgt in einer Richtung entlang der weniger als 90°. während in der entgegengesetzten Richtung der Winkel größer als 90° ist.

Vorzugsweise weisen die genau zwei oder die genau drei oder die genau vier Ausbuchtungen oder die mehr als vier Ausbuchtungen die gleiche Form auf. Alternativ weisen zumindest ein Teil der Ausbuchtungen eine unterschiedliche Form auf.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Unterseite des Grundkörpers einen Durchmesser von höchstens 3 cm oder höchstens 1,5 cm auf und eine Höhe des Grundkörpers entlang der optischen Achse beträgt höchstens 5 cm oder höchstens 2 cm.

Die Linse weist eine zwischen einer Empfangsfläche und der Unterseite der Linse ausgebildete zylinderförmige oder kegelstumpfförmige Seitenfläche o- der anders ausgedrückt einen zylinderförmigen oder kegelstumpfförmigen seitlichen Oberflächenbereich auf. Nochmals anders ausgedrückt ist die Seitenfläche im Wesentlichen zylinderförmig, wobei gewisse Linsen- Herstellungsprozesse jedoch eine Entformungsschräge und somit einer leich- te Kegelstumpfform erfordern.

In einer Weiterbildung weist die Linse in dem Bereich der Seitenfläche wenigstens zwei unterschiedliche Durchmesser auf. Vorzugsweise ist der kleinere Durchmesser in der Nähe der Unterseite der Linse ausgebildet, d.h. bei der Linse verjüngt sich ein an die Unterseite anschließender Teil der Linse, so dass die Projektion der Unterseite entlang der optischen Achse eine kleinere Teilfläche der Projektion des Grundkörpers entlang der optischen Achse ist. Vorzugsweise ist hierbei der Durchmesser der zylinderförmigen Seitenfläche des verjüngten Bereichs in Richtung der optischen Achse gleichgroß.

In einer anders Ausführungsform erhöht oder erniedrigt sich der Durchmesser der zylinderförmigen Seitenfläche oder der verjüngte Bereich in Richtung der optischen Achse. Insbesondere in einer matrixartigen Anordnung von mehreren Linsen wird hierdurch ein Abstand zwischen den Unterseiten der Linsen erhöht ohne die gesamte Anordnung zu vergrößern. Durch einen größeren Abstand wird ein sauberes Aufbringen einer Polymerklebeschicht erleichtert. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Linse eine Quarzglasverbindung und ist einstückig ausgebildet.

In einer anderen Weiterbildung weist ein Schattenwurf des Grundkörpers in einer Projektion entlang der optischen Achse einen ersten Durchmesser D auf, wobei ein Schattenwurf der aus dem Grundkörper und der mindestens einen Ausbuchtung bestehenden Linse in einer Projektion entlang der optischen Achse vollständig in ein Quadrat mit einer dem ersten Durchmesser D entsprechenden Kantenlänge passt.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Unterseite der Linse kreisförmig, die Empfangsfläche konvex ausgebildet und der seitliche Oberflächenbereich weist einen kreisförmigen Umfang auf.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Grundkörper der Linse als umgekehrter Pyramidenstumpf mit quadratischer Unterseite und quadratischer Empfängerfläche ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Linse,

Figur 2 eine schematische Aufsicht auf die erste erfindungsgemäße Ausführungsform der Linse,

Figur 3 eine schematische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Solarzelleneinheit mit der Linse,

Figur 4 eine schematische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Linse, Figur 5 einen schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Fügeverfahrens.

Die Abbildungen der Figuren 1 und 2 zeigen eine perspektivische Ansicht und eine Aufsicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linse 10. Die Linse 10 besteht aus einem Grundkörper 20 und vier Ausbuchtungen 30, 32, 34, 36. Der Grundkörper weist eine plane Unterseite 22, eine der Unterseite 22 gegenüberliegende, konvexe Empfangsfläche 24 und einen die Unterseite 22 und die Empfangsfläche 24 verbindenden, zylinder- förmigen, seitlichen Oberflächenbereich 26 mit einer Höhe Z auf, wobei eine optische Achse 28 des Grundkörpers 20 senkrecht zu der Unterseite 22 verläuft. Die Höhe Z ist zwischen einer gestrichelt gezeichneten Hilfslinie und der Unterseite der Linse 10 ausgebildet. Alle vier Ausbuchtungen 30, 32, 34, 36 weisen die gleiche Form auf und sind in einer ersten Höhe hl über der Unterseite 22 auf dem seitlichen Oberflächenbereich 26 angeordnet. Die vier Ausbuchtungen 30, 32, 34, 36 sind um den Umfang des zylinderförmigen seitlichen Oberflächenbereichs 26 des Grundkörpers 20 gleichmäßig verteilt. In der Aufsicht der Figur 2 ist zu er- kennen, dass die Ausbuchtungen 30, 32, 34, 36 in einer Projektion entlang der optischen Achse 28 jeweils über den Grundkörper 20 hinausragen. Es sei angemerkt dass die Höhe hl kleiner als die Höhe Z des Oberflächenbereichs 26 ist. Der Grundkörper 20 weist in der Projektion eine kreisförmige Außenkontur mit einem Durchmesser dl auf. Die vier gleichmäßig verteilten Ausbuchtungen 30, 32, 34 und 36 sind in der dargestellten Ausführungsform so ausgeformt, dass vier gleichmäßig verteilten Ausbuchtungen 30, 32, 34 und 36 die Außenkontur der Linse 10 in der Projektion zu einem Quadrat mit abge- rundete Ecken ergänzen, wobei die eine Kantenlänge kl des Quadrats kleiner oder gleich dem Durchmesser d l des Grundkörpers 20 ist. Dabei sei angemerkt, dass für den Fall kl kleiner d l das Quadrat mit abgerundeten Ecken in der Mitte jeder Seitenfläche durch die Vereinigung mit der kreis- förmigen Projektionsfläche des Grundkörpers eine kreisabschnittförmige Erweiterung aufweist.

Vorliegend der Durchmesser ist d l der zylinderförmigen Seitenfläche in Richtung der optischen Achse gleichgroß, jedoch sei angemerkt, dass sich in einer nicht dargestellten Ausführungsform der Durchmesser d l der zylinderförmigen Seitenfläche in Richtung der optischen Achse erhöht oder erniedrigt. In der Abbildung der Figur 3 ist eine erste Ausführungsform einer Solarzelleneinheit 40 mit einer erfindungsgemäßen Linse 10 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den Abbildungen der Figuren 1 und 2 erläutert. Die Solarzelleneinheit 40 weist einen Träger 42 mit einer Oberseite 44 und einer Unterseite 46 auf. Auf der Oberseite 44 sind entlang einer ersten Kante 44.1 drei Kontaktflächen 50, 52, 54 angeordnet. Zwischen den Kontaktflächen 50, 52, 54 und einer der ersten Kante 44.1 gegenüberliegenden zweiten Kante 44.2 ist eine als Solarzelle ausgebildeten Halbleiterkörper 60 mit einer Empfangsfläche 62 angeordnet. Die in den Abbildungen der Figuren 1 und 2 dargestellte Linse 10 ist mittels einer eine Silikonverbindung umfassenden Polymerkleberschicht 70 kraftschlüssig mit der Empfängerfläche 62 des Halbleiterkörpers 60 und einem Teil der Oberfläche 44 des Trägers 40 verbunden, wobei die Unterseite der Linse mit der Empfangsfläche des Halbleiterkörpers mittels einer eine Sili- konverbindung umfassenden Polymerkleberschicht kraftschlüssig verbunden ist.

Die Linse 10 ist so auf dem Träger 42 angeordnet, dass die Ausbuchtungen 30, 32, 34, 36 der Linse 10 jeweils in eine Ecke des Trägers 42 zeigen bzw. dass eine zwei gegenüberliegende Ausbuchtungen 30 und 34 verbindende Gerade gl mit der zweiten Kante 44.2 einen Winkel von 45° einschließt.

In der Abbildung der Figur 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Linse 10 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den Abbildungen der Figuren 1 und 2 erläutert. Die vier Ausbuchtungen 30, 32, 34, 36 der Linse 10 weisen einen halbkreisförmigen oberen Teil und einen in Richtung des seitlichen Oberflächenbereichs 26 des Grundkörpers 20 der Linse hin abfallenden unteren Teil 80 auf.

Weiterhin ist der Durchmesser der Projektion des konvexen Linsenbereichs 20 entlang der optischen Achse größer als der Durchmesser der Unterseite 22 der Linse. In der Abbildung der Figur 5 ist eine erste Ausführungsform eines Fügeverfahrens für eine Solarzelleneinheit 40 veranschaulicht. Die Linse 10 wird mit nach oben zeigender Unterseite 22 an den vier Ausbuchtungen 30, 32, 34, 36 formschlüssig in einer Halterung gehalten. Die Polymerkleberschicht 70 wird auf die Unterseite 22 der Linse 10 aufgebracht.

Ein den Träger 42 mit dem Halbleiterkörper 60 und den drei Kontakten 50, 52, 54 (nicht dargestellt) umfassendes Halbzeug wird so über der von der Polymerkleberschicht 70 bedeckte Unterseite 22 der Linse 10 angeordnet, dass ein Flächenschwerpunkt fl der Unterseite 22 der Linse 10 und ein Flä- chenschwerpunkt f2 einer Empfängerfläche 62 des Halbleiterkörpers 60 entlang der optischen Achse übereinander liegen. Anschließend wird das auf der oberhalb der Linse 10 positionierte Halbzeug an die Unterseite der Linse 22 bis auf ein definiertes Spaltmaß angenähert. Die Silikonmenge und das Spaltmaß sind so gewählt, dass das Silikon den Spalt zwischen der Untersei- te der Linse 22 und dem Halbzeug vollständig oder zumindest teilflächig verfüllt.

Gemäß der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform verjüngt sich der Grundkörper 20 der Linse in Richtung der Unterseite 22 des Grundkörpers.