Módulo de células solares y procedimiento para su fabricación.

Módulo de células solares para sistemas solares de concentración con una pluralidad de células solares (5a,

5b, 5c) que están dispuestas en un plano sobre un sustrato plano (30),

presentando las células solares (5a, 5b, 5c) por el lado del sustrato un primer contacto eléctrico y por el lado alejado 5 del sustrato, por lo menos un segundo contacto eléctrico,

donde el sustrato está recubierto por la cara orientada hacia las células solares en toda la superficie con una capa metálica, y

presentando la capa metálica:

a) una pluralidad de secciones planas (12a, 12b, 12c) a las cuales le corresponde a cada una, una célula 10 solar,

presentando cada tramo de la capa metálica una zona primera (19a, 19b, 19c) y por lo menos una zona segunda (18a, 18b, 18c) que están eléctricamente aisladas entre sí, extendiéndose la zona primera por debajo de la correspondiente célula solar, estableciendo contacto eléctrico con el primer contacto, y donde la segunda zona está unida de forma eléctricamente conductora con el segundo contacto de la célula solar,

estando realizada la segunda zona en forma de dedo, estando conducidos los dedos (14a, 14b) en dirección radial hacia la célula solar, así como

estando estructurados unos tramos de unión (21a, 21b) entre las zonas de tramos contiguos, estando estructurada la capa metálica mediante surcos (16) para producir las zonas primera y segunda.

Módulo de células solares y procedimiento para su fabricación

la presente invención se refiere a un módulo de células solares así como a un procedimiento para su fabricación. Esta clase de módulos de células solares se emplean especialmente dentro del campo de la técnica solar de concentración.

En fotovoltaica se reúnen varias células solares para formar módulos mayores. Dentro de un módulo hay varias células solares conectadas entre sí, el módulo asume además otros cometidos como por ejemplo la protección contra las inclemencias meteorológicas de las células, que generalmente son muy delicadas.

Un campo especial de la fotovoltaica es la llamada “fotovoltaica de concentración” en la que mediante un sistema óptico (como por ejemplo lente, espejo) se concentra la luz del sol y el rayo de luz concentrado incide sobre una célula solar relativamente pequeña, según la clase de instalación.

Para ello es preciso que la célula esté posicionada exactamente en el foco de la lente. Debido al reducido tamaño de las células se requieren a menudo procedimientos de contactación especiales (por ejemplo conexión soldada) para hacer contacto entre las células. Ahora bien estos procedimientos a menudo no son adecuados para interconectar las distintas células del módulo. Para este fin se requieren entonces otros pasos de establecimiento de contacto.

En un sistema fotovoltaico de concentración se concentra la radiación solar por medio de lentes. De este modo se consiguen unas densidades de energía muy elevadas sobre superficies muy pequeñas. Así por ejemplo en un círculo de 2 mm de diámetro se consigue una energía solar 500 veces la natural. La distribución de la radiación tiene en este caso una forma de campana de Gauss, con lo cual en el punto central de la mancha focal (una zona de aprox. 0, 3 mm de diámetro) , se obtiene una radiación solar concentrada más de 2000 veces. Por este motivo es preciso montar la célula solar en contacto directo con un sumidero de calor. Para evitar la formación de puntos calientes, el cometido más importante de este sumidero de calor es en primer lugar la distribución de la correspondiente energía de pérdidas en dirección lateral, es decir en anchura, así como al mismo tiempo naturalmente también la transmisión a las capas situadas debajo. Para conseguir esto se une en el estado de la técnica la cara posterior de la célula solar con una capa metálica. Además es preciso que la cara superior de la célula solar se contacte como segundo polo eléctrico. Este establecimiento de contacto se realiza con la misma capa metálica que realiza también el contacto de la cara inferior de la célula solar. Por este motivo, esta capa debe estar estructurada en distintas zonas eléctricamente independientes, (y también mecánica y térmicamente) . Esto se realiza arrancando cobre en determinadas zonas de modo que se formen zonas eléctricamente aisladas entre sí.

La figura 1 muestra una célula solar conforme al estado de la técnica. Esta presenta un sustrato (fondo de módulo, soporte de vidrio) 1, sobre el cual está aplicada por medio de una capa adhesiva 2a una placa de cobre 3a. Sobre esta placa de cobre está situada mediante una capa de pegamento eléctricamente conductora 4a, una célula solar 5a. Debido al contacto eléctricamente conductor de la célula solar 5a con la placa de cobre 3a se establece contacto con la célula solar por su contacto de la cara posterior, en este caso su polo positivo. Desplazada lateralmente respecto a la célula solar 5a, está situada una capa aislante 6, que puede ser por ejemplo de un material compuesto de fibra de vidrio. Esta capa aislante 6 presenta en su lado alejado del sustrato 1 una capa de oro 7 eléctricamente conductora. La capa de oro 7 está conectada por medio de un hilo soldado 9 con un contacto11a como polo negativo de la célula solar.

En la figura 1 está situada junto a la disposición antes descrita de una célula solar, desplazada lateralmente sobre el sustrato, una segunda célula solar 5b de forma correspondiente. Para la interconexión serial de las dos células solares 5ª y 5b se une la capa de oro 7 eléctricamente con la capa de cobre 3b de la célula solar 5b por medio de una conexión soldada 8b.

Para la fabricación de una célula solar de esta clase se montan ahora de forma individual sobre la placa del fondo 1, por medio de una unión pegada 2a, unas plaquetas de cobre 3a, 3b (los llamados chips de célula solar) equipadas individualmente. Para ello es preciso posicionar con exactitud cada célula solar 5a ó 5b, de modo que el centro de la célula solar se encuentre en el foco de la lente dispuesta encima. La conexión eléctrica 8b entre las distintas células tiene lugar solo después mediante la soldadura, por ejemplo de una cinta de plata 8b. El inconveniente de esto es que se requiere una gran cantidad de piezas individuales, para las cuales surgen costes en el acopio así como en el almacenamiento y en la logística de fabricación. Durante el montaje se requieren una cantidad diversa de fases de trabajo, tal como por ejemplo la preparación de las distintas superficies, la aplicación de los materiales de unión tales como el pegamento y estaño de soldadura, la sujeción y posicionamiento de las distintas piezas, el endurecimiento de las capas de pegamento así como diversos procesos de soldadura blanda. A esto hay que añadir también otras fases que acompañan al proceso. Este número elevado de fases de trabajo incrementa los tiempos de ciclo y reduce el rendimiento de una línea de fabricación de módulos de células solares en el sistema de fotovoltaica de concentración. También el volumen de material es muy elevado y da lugar a unos costes elevados.

Hay especialmente algunos de los pasos de la fabricación del módulo solar que son especialmente costosos, tales como por ejemplo los procesos de soladura blanda. Los costes de material por ejemplo para las cintas de plata 8b también son muy altos.

En el documento US 4, 834, 805 se describe un módulo concentrador fotovoltaico de pequeñas dimensiones, en el que las células solares están dispuestas en una matriz sobre un sustrato que presenta un par de conductores de capa delgada que están separados por una capa aislante.

El objetivo de la presente invención es por lo tanto crear un módulo de células solares y un procedimiento para su fabricación mediante el cual se puedan fabricar las células solares con una técnica de fabricación conveniente y un coste favorable, y con de precisión, debiendo estar garantizada una excelente evacuación del calor.

Este objetivo se resuelve por medio del módulo de células solares según la reivindicación 1 y por el procedimiento según la reivindicación 23. Otros perfeccionamientos ventajosos del módulo de células solares conforme a la invención y del procedimiento conforme a la invención se indican en las respectivas reivindicaciones dependientes.

Lo decisivo en la presente invención es que durante la fabricación del módulo no se fabrican primeramente chips de células solares individuales plenamente contactados, que a continuación se posicionan individualmente, sino que en una sola fase de trabajo se dota toda la superficie del módulo de una capa metálica, por ejemplo de una capa de cobre, que por una parte sirve para establecer el contacto de las células solares, tanto en lo que se refiere al polo negativo como también al polo positivo, y además facilita el posicionamiento de las células solares propiamente dichas. Para ello se estructura un sustrato metálico plano, delgado, por ejemplo de 0, 01 a 3 mm de espesor, por ejemplo una lámina de cobre, utilizando un procedimiento adecuado tal como por ejemplo troquelado o corte mediante rayo láser. Esta superficie metálica estructurada se puede unir entonces con el fondo del módulo (sustrato) . También existe la posibilidad de aplicar primeramente una capa metálica sobre el fondo del módulo y fabricar de este modo un laminado, por ejemplo una lámina metálica laminada sobre vidrio. La estructuración puede efectuarse entonces directamente sobre el sustrato. La estructuración propiamente dicha puede realizarse mediante toda clase de medidas convencionales, como por ejemplo un procedimiento de ataque ácido o también un mecanizado láser.

Como metales para la capa metálica o la lámina metálica son excelentemente adecuados todos los metales que se emplean para láminas de conducción térmica, en particular el cobre, el aluminio y/o las aleaciones de ellos.

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1. Módulo de células solares para sistemas solares de concentración con una pluralidad de células solares (5a, 5b, 5c) que están dispuestas en un plano sobre un sustrato plano (30) ,

presentando las células solares (5a, 5b, 5c) por el lado del sustrato un primer contacto eléctrico y por el lado alejado 5 del sustrato, por lo menos un segundo contacto eléctrico,

donde el sustrato está recubierto por la cara orientada hacia las células solares en toda la superficie con una capa metálica, y

presentando la capa metálica:

a) una pluralidad de secciones planas (12a, 12b, 12c) a las cuales le corresponde a cada una, una célula 10 solar,

presentando cada tramo de la capa metálica una zona primera (19a, 19b, 19c) y por lo menos una zona segunda (18a, 18b, 18c) que están eléctricamente aisladas entre sí, extendiéndose la zona primera por debajo de la correspondiente célula solar, estableciendo contacto eléctrico con el primer contacto, y donde la segunda zona está unida de forma eléctricamente conductora con el segundo contacto de la célula solar,

estando realizada la segunda zona en forma de dedo, estando conducidos los dedos (14a, 14b) en dirección radial hacia la célula solar, así como

estando estructurados unos tramos de unión (21a, 21b) entre las zonas de tramos contiguos, estando estructurada la capa metálica mediante surcos (16) para producir las zonas primera y segunda.

2. Módulo de células solares según la reivindicación anterior, caracterizado porque los surcos presentan una 20 anchura máxima de < 1 mm, preferentemente inferior a 0, 5 mm, preferentemente inferior a 0, 1 mm.

3. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tramos de unión presentan estructuras de compensación (21a, 21b) para compensar las tensiones de material entre el sustrato y la capa metálica.

4. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tramos de 25 unión presentan al menos en parte entre las zonas que se han de unir, unas estructuras en T en forma de meandro

o imbrincadas (21a, 21b) .

5. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tramos de unión (21a, 21b) unen cada vez una primera zona de un tramo con respectivamente una primera zona de uno o varios tramos contiguos.

6. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tramos de unión unen respectivamente una primera zona de un tramo con una o exactamente una segunda zona de un tramo contiguo.

7. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa metálica

cubre la superficie del sustrato en > 50%, ventajosamente en > 80%, ventajosamente en > 90%, preferentemente en 35 >95%.

8. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa metálica recubre enteramente el sustrato, con excepción de un borde periférico del sustrato y/o los surcos para la estructuración de la capa metálica.

9. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa metálica 40 es de cobre, aluminio, y/o una aleación de estos o está compuesta de ellos y/o es una lámina de cobre.

10. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa metálica presenta al menos por zonas una lámina de cobre compuesta de esta, con un espesor superior a 0, 01 mm y/o inferior a 3 mm, preferentemente superior a 35 µm y/o inferior a 900 µm, preferentemente superior a 70 µm y/o inferior a 500 µm.

45 11. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa metálica está laminada sobre el sustrato.

12. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sustrato está compuesto al menos por zonas de vidrio o de material compuesto de fibra de vidrio.

13. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque sobre el sustrato 50 están dispuestos otros componentes eléctricos y/o diodos de protección.

14. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa metálica presenta estructuras eléctricamente conductoras, líneas de datos y/o acometidas y/o salidas hacia otros componentes eléctricos dispuestos sobre el sustrato (30) .

15. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa metálica presenta marcas de posicionamiento y/o marcas de troquelado (20a, 20b, 20c) .

16. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque separados de la superficie del sustrato están dispuestos unos dispositivos colectores de luz (33a a 33f) de tal modo que en el foco de cada dispositivo colector de luz está situada una célula solar (5a, 5b, 5c) .

17. Módulo de células solares según la reivindicación anterior, caracterizado porque el dispositivo colector de luz comprende una lente colimadora.

18. Módulo de células solares, según una de las dos reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo colector de luz comprende una lente de Fresnel (33a a 33f) .

19. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera zona que establece contacto con una célula solar forma una superficie metálica coherente que se extiende hacia uno o ambos lados de la célula solar con un ángulo de apertura de > 30º, preferentemente > 45º, preferentemente > 90º, preferentemente > 120º, visto desde la posición de la célula solar.

20. Módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la segunda zona está realizada en forma de dedo.

21. Módulo de células solares según la reivindicación anterior, caracterizado porque los dedos se extienden desde la posición de la célula solar bajo un ángulo de apertura < 30º, preferentemente < 10º.

22. Módulo de células solares según una de las dos reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dedo presenta por lo menos en su extremo orientado hacia la célula solar o en una longitud de al menos 5 mm, por lo menos una anchura < 2 mm, preferentemente < 1 mm.

23. Procedimiento para la fabricación de un módulo de células solares según una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado porque

la superficie del sustrato plano está recubierta de una capa metálica,

estructurándose la capa metálica antes de efectuar el recubrimiento para formar una pluralidad de tramos planos y de las zonas de los tramos, disponiéndose en cada tramo en un punto predeterminado sobre la capa metálica una célula solar con su primer

contacto eléctrico haciendo contacto eléctrico con la capa metálica, y uniendo para cada tramo la segunda zona con el segundo contacto eléctrico de la célula solar.

24. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque para realizar la estructuración de la capa metálica se producen surcos en la capa de cobre.

25. Procedimiento según una de las dos reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la estructuración de la capa metálica tiene lugar mediante ataque químico fotolitográfico, troquelado y/o corte por láser.

26. Procedimiento según una de las reivindicaciones 23 a 25, caracterizado porque en el caso de que se realice la estructuración de la capa metálica antes de efectuar el recubrimiento de la superficie del sustrato con la capa metálica, se mantienen entre las distintas zonas o tramos en unos puntos predeterminados unos puentes de unión metálicos entre zonas o tramos contiguos, como marcas de troquelado, y

Separando estos puentes de unión después de recubrir la superficie del sustrato con la capa metálica.

27. Procedimiento según una de las reivindicaciones 23 a 26, caracterizado porque en la capa metálica se estructuran marcas de posicionamiento, y las células solares y/u otros componentes electrónicos se posicionan teniendo en cuenta las marcas de posicionamiento.

28. Empleo de un módulo de células solares y de un procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en la fotovoltaica de concentración.

FIGURA 1

FIGURA 2 FIGURA 3

FIGURA 7