Entwicklung von photovoltaischen Konzentratormodulen mit Fresnel-Linsen und reflektiver Sekundäroptik

Diese Arbeit beschäftigt sich mit photovoltaischen Konzentratormodulen, die mit einer Fresnel-Linse das Licht auf Mehrfachsolarzellen fokussieren. Um diese Technologie in die Serienfertigung zu überführen, wurde im Rahmen dieser Arbeit zusammen mit dem aus dem Fraunhofer ISE ausgegründeten Industriepartner Concentrix Solar eine Pilotfertigungslinie für Konzentratormodul-Bodenplatten spezifiziert und aufgebaut. Parallel dazu wurden neue Konzepte zur Verbesserung der Modultechnologie entwickelt und auf der Pilotfertigungslinie evaluiert. Zur stetigen Reduzierung der Material- und Prozesskosten ist hier die Anpassung der Prozesse, aber auch die Evaluation neuer Aufbau- und Verbindungstechnologien sowie deren Langzeitzuverlässigkeit ein kontinuierlich zu bearbeitendes Entwicklungsthema. Zur Weiterentwicklung der Modultechnologie wurde im Rahmen dieser Arbeit insbesondere das Zusammenspiel der verwendeten Komponenten in optischer, elektrischer und thermischer Hinsicht untersucht sowie neue Konzepte evaluiert, um dieses Zusammenspiel zu verbessern. Das Brennpunktprofil der Fresnel-Linse mit einer Spitzenkonzentration von über 2000x führt zu einem hohen lokalen Wärmeeintrag in die Solarzelle. Um die Temperaturverteilung innerhalb einer Solarzellenbaugruppe besser beurteilen zu können, wurde ein thermisches Modell erstellt und die Modellparameter anhand von Außenmessungen ermittelt. Basierend auf diesen Messungen und der zugehörigen thermischen Modellbildung kann nun das thermische Verhalten der Module im Betrieb genauer berechnet werden und so eine Optimierung der Systemkomponenten erfolgen. So lassen sich beispielsweise die Auswirkungen von Fehlstellen in der Lotschicht zwischen Solarzelle und Wärmesenke thermisch simulieren und so kritische Qualitätskriterien identifizieren. Zur besseren Nutzung der Energieverteilung im Brennpunkt wurde im Rahmen dieser Arbeit eine reflektive Sekundäroptik entwickelt. Dabei stand die Entwicklung einer Optik im Mittelpunkt, die durch fertigungsgerechtes Design sowie einen kostengünstigen Herstellungs- prozess für einen Einsatz in hochvolumigen Produktionsprozessen besonders geeignet ist. Die entwickelte Sekundäroptik lässt sich durch Tiefziehen und anschließende nasschemische Oberflächenbehandlung hergestellt werden und besitzt daher das Potential, zu sehr niedrigen Fertigungskosten hergestellt werden zu können. Zur Berechnung der maximal tolerierbaren Fertigungskosten wurde ein Grenzkostenkonzept entwickelt. Damit lässt sich untersuchen, wie hoch die Fertigungskosten einer neuen Modultechnologie maximal sein dürfen, um auch bei höheren Herstellungskosten (z. B. durch den Einbau einer Sekundäroptik) aufgrund eines Zugewinns im Modulwirkungsgrad insgesamt niedrigere Stromgestehungskosten zu erzielen. Der Einsatz einer reflektiven Sekundäroptik hat einen höheren Einfluss auf den Modulwirkungsgrad als zu Beginn dieser Arbeit angenommen. Offensichtlich führt er dazu, dass auch bei vergleichsweise guter Positionsgenauigkeit der Solarzelle im Brennpunkt die Energieverteilung im Brennpunkt der Fresnel-Linse besser genutzt werden kann. Zum einen können die optischen Fehler der Fresnel-Linse (wie z. B. die chromatische Aberration) zum Teil kompensiert werden - insbesondere bei den in Zukunft eingesetzten Solarzellen mit besserer Stromanpassung der Teilzellen spielt dies eine wichtige Rolle. Zum anderen können durch die reflektive Sekundäroptik die ""vielen kleinen Fehler"", die sich entlang der modulinternen und -externen Toleranzkette aufsummieren, ausgeglichen werden. Nicht vernachlässigt werden darf auch eine verbesserte Nutzung der Circumsolarstrahlung durch den Einsatz einer Sekundäroptik. Dieser Effekt wurde in dieser Arbeit durch Akzeptanzwinkel-Messungen unter Verwendung einer Lichtquelle mit sehr geringer Divergenz näher untersucht. Vor Beginn dieser Arbeit wurde als höchster Wert der am Institut realisierten Konzentratormodule ein Wirkungsgrad von 26.8 % in der Außenmessung ermittelt. Durch den Einsatz einer reflektiven Sekundäroptik sowie durch Verwendung besserer Solarzellen konnte dieser Wert deutlich gesteigert werden. Das beste in dieser Arbeit realisierte Konzentratormodul mit reflektierender Sekundäroptik erzielte im Betrieb einen Wirkungsgrad von 29.1%, dies ist einer der höchsten bisher veröffentlichten Wirkungsgrade für Konzentrator-Solarmodule. Der Vergleich mit dem Referenzmodul im Langzeittest lässt darauf schließen, dass unter den realisierten Bedingungen eine Steigerung des Wirkungsgrads um ca. 1.3 % abs. auf den Einsatz der neu entwickelten Sekundäroptik zurückzuführen ist.

In concentrating photovoltaic (CPV) modules, a concentrating optics is used to concentrate the sunlight on solar cells with a. In the work presented here, Fresnel-lenses are used as concentrating optics to focus the sunlight on multijunction solar cells based on III-V Materials. To bring this technology one step closer to commercialization, an automated pilot production line for manufacturing the base plates of CPV-modules has been built in close cooperation with the company Concentrix Solar, a company founded in 2004 as a spin-off from Fraunhofer ISE in Freiburg, Germany. At the same time, new concepts to improve the module technology have been developed and realized in the pilot line. In order to achieve a high CPV system efficiency, a lot of research has been devoted to the optimization of the interaction between the components involved in the module in order to optimize the optical, mechanical, electrical and thermal performance. The peak irradiation in the center of the focus point of the Fresnel lenses used exceeds a concentration factor of 2000x. This leads to a high localized heat generation in the solar cell, necessitating efficient means to distribute the heat. To simulate the temperature and heat flux distribution in a solar cell assembly, a thermal model has been developed. To calibrate the model and to obtain realistic parameters of the energy flows within the modules, a thermal test module has been built and investigated during outdoor operation. The thermal model has been incorporated into a finite element method (FEM) simulation. Based on this simulation, the components of the module, particularly the thermal interfaces and the heat spreaders, have been redesigned for optimized performance and reduced material usage. Faults in the interface layers, such as voids in the solder layer below the solar cell, have been analyzed using X-ray imaging and included in the thermal FEM-model. When the solar energy is concentrated on the solar cell, part of the light is lost due to effects such as chromatic aberration of the lens, misalignment of the module to the sun or limited assembly accuracy. These effects lower the optical efficiency of a CPV module. To increase the optical efficiency, a secondary optics can be used which is located in close proximity to the solar cell and helps to concentrate the sunlight on the cell. It is the objective of the work described here to develop a reflective secondary optics relying on principles of 'design for manufacturing' in order to assure low production costs qualifying the optics for high volume manufacturing. The developed optics is manufactured in a fully automated deep-drawing and precision stamping process followed by chemical surface polishing. The effect of the secondary optics was larger than anticipated in the early phase of the development. This can be explained mainly through the increased usage of circumsolar radiation as well as the reduction of chromatic aberration of the Fresnel lens. Comparing the module with secondary optics to a reference module in a long term outdoor measurement, an increase of 1.3 %abs in efficiency could be attributed to the use of the newly developed secondary optics. At the beginning of the development work in 2005, the highest efficiency measured under outdoor conditions was 26.9 %. Using secondary optics, this value could be raised significantly. The best module with secondary optics built within the scope of the work presented here has reached 29.1 % efficiency in outdoor operation, which ranks among the highest efficiencies published for CPV modules worldwide.