CN101952977A - 反射式二次透镜***和半导体装配件及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种反射式和/或折射式二次透镜***，其用于将阳光汇聚在半导体元件上，本发明二次透镜***的特征在于在基础体周围布置的形成二次透镜***的凸起。此外，本发明涉及包括本发明二次透镜***的半导体装配件，以及生产这种半导体装配件的方法。具体地讲，这种半导体装配件表示汇聚式太阳能电池模块。

Description

反射式二次透镜***和半导体装配件及其生产方法
本发明涉及反射式和/或折射式二次透镜***，其用于将阳光汇聚在半导体元件上，本发明二次透镜***的特征在于通过在基础体周围布置凸起来形成二次透镜***。此外，本发明涉及包括本发明二次透镜***的半导体装配件，以及生产这种半导体装配件的方法。具体地讲，这种半导体装配件表示聚集式太阳能电池模块。
在聚集式光伏中，使用光学***将光聚集到太阳能电池上。为了达到此目的，使用例如将入射光汇聚到太阳能电池上的透镜或菲涅尔集光器(Fresnel collector)。多个太阳能电池装配有关联的光学***，例如装配有透镜阵列，还装配有用于冷却和用于电力引线的元件以形成模块。将这些模块安装在所谓的追踪器上，从而使这些模块在追踪器上追踪太阳的方向。
在聚集式光伏中，很值得注意的是尽可能多的辐射光射到太阳能电池上。这一方面受到光学***的成像质量的影响，另一方面受到光学***朝向电池以及模块总计朝向太阳的精确性的影响。
聚集式光伏另外一个重要的方面是所谓的汇聚因子。汇聚因子表示透镜***的光入射表面与太阳能电池的活性表面之间的比率。为了尽可能少地使用相对昂贵的太阳能电池表面，应选择尽可能大的汇聚因子。准确地说，就高度汇聚***而言，有可能使用两级透镜***，则将两级透镜***的所有元件称为主要透镜***(在光路中的第一光学元件，例如，透镜或菲涅尔集光器)或二次透镜***(第二元件)。两级概念具有的优点在于每个单独的元件的光束偏差可以是较小的。另外，显著地增加透镜设计中的构造间隙，例如，为了减少颜色偏差或为了使入射辐射均匀。
迄今已普遍将二次透镜***构造为折射元件，其中通过内部全反射将光束引导至太阳能电池上。这里，已知的由玻璃制成的元件为截棱锥(US 5,505,789)的形式或更复杂的形式，其主要基于全反射并通过注模过程(例如，ES 2232299；V.Diaz、J.Alarez、J.Alonso等，“Assembly of Concentrator Modules based on Silicon Solar Cells at 300x of Concentrated Sunlight(基于300倍聚焦阳光的基于硅太阳能电池的汇聚器模具装配件)”，19th European Photovoltaic Solar Energy Conference(第19届欧洲光伏太阳能会议议程)，2004年)生产。为了使出口面上由折射率的巨大差异引起的反射尽可能少，通常经由粘性的和光学透明的材料，例如有机硅，将这种元件直接安装在太阳能电池上，并且可以在这种元件的入口孔处设置减少反射的涂层。
同时，还使用了基于在反射表面上反射的简单二次透镜***。在之前已知的应用中，使用了梯形金属主体或圆形漏斗(参见例如EP 0 657 948 A2；WO 91/18419；L.M.Fraas，“Line-Focus Photovoltaic Module Using Stacked Tandem-Cells(使用层叠串联电池的线聚焦光伏模块)”，1994)。为了提高这些组件的反射性能，在将金属薄片重新成形之前经常为金属薄片设置具有高反射性能的层。例如从US 5,167,724或US 5,505,789可获知这种构造，并通过图1中的图示重现。由此直接将二次透镜***50装配在太阳能电池2上。因此阳光通过菲涅尔集光器15预先汇聚至二次透镜***上。
此外，本领域现有水平已知的组件(WO 2004/077558 A1；DE 195 36454 A1；DE 199 47 044 B4)被设计得与半导体元件联合使用，在半导体元件中，辐射从侧面离开或在侧面完全或部分地被接收。这种侧面辐射是LED半导体芯片的特征。然而，对于几乎专用于发射或接收朝向半导体芯片上侧面的超过95％的辐射的半导体元件，例如太阳能电池，如果使用这种半导体元件，那么由于这些专利的反射器设计思想会失去一部分辐射，这是由于这些反射器被设计为使得半导体芯片从顶部***反射器凹槽，因此侧壁和上部接触表面均位于反射器的光束路径中。就这种构造而言，反射区域包围了整个半导体芯片。
例如从DE 199 47 044 B4已知的一种元件，其中发射器和/或接收器被金属反射器环绕。从此公开文件中可获知，从导体条形材料整体成形的反射器壁也是基于可将芯片***反射器的原理，即，芯片小于最小的反射器直径/反射器横截面。
同样可从DE 195 36 454 A1获知***半导体芯片的盆形构造反射器。
从WO 2004/077558 A1获知通过金属喷涂壳体生产其中反射器的元件。在这里也将半导体芯片施加至金属喷涂的第一区域。如果打算只将部分芯片表面设置于反射器的出口孔中，那么这种构造是不合适的。
本领域现有折射式二次透镜***的水平具有以下缺点：
—由于二次透镜***的材料的吸收作用，部分光被吸收并因此不可再用于太阳能电池的转换。
—由于材料对光的吸收，材料过分变热(特别是在高汇聚***的情况下)，使得可能导致二次透镜***的毁坏。
—在折射式透镜***的入口表面处，由于相对于环境空气的高折射率差异，结果为反射。事实上可以用减反射涂层减少这些反射，但是这增加了生产成本，并且只能减少反射而不能阻止反射。
—全反射(全内反射，total internal reflection，TIR)的原理对组件的表面质量要求很高。在生产中这起到强有力的成本驱动作用，因为诸如再成形或注模等大规模生产欢迎的制造方法，以及这些制造方法能够获得的表面质量通常是不足的。通过碾磨的方法可获得表面质量，然而这是在大批量制造中相对昂贵的工艺，并且与聚集式光伏中允许的花费是不相容的。
—为了避免反射，用光学介质填充电池和二次透镜***之间的间隔(参见例如，ES 2232299，US 5,505,789)。为了将空气内含物减到最少，通常以黏性状态施加该介质，并且在二次透镜***装配后硬化。然而由于毛细管效应或浸湿效应，结果液体介质经常浸湿二次透镜***的外壁，这导致降低TIR的效率。因为光学介质的表面张力，所以在二次透镜***的边缘区域形成了特有的裂缝，该裂缝同样导致光的不连续并因此降低效率。
—作为该原理的条件，由于二次透镜***必须覆盖整个太阳能电池表面，因此期望引导至太阳能电池上的所有光束也必须事先穿过二次透镜***。然而，对于没有透镜***也能入射到电池上的光束而言，这导致了不必要的损耗。准确地说，对于良好的主透镜***而言，即使没有二次透镜***，大部分光束也会入射到电池上。在这种情况下，最佳的是二次透镜***作为主透镜***的补充进行操作，并仅检测不经进一步干涉将不入射至电池的那部分光束。
关于反射式二次透镜***的以往设计，应提及以下缺点：
—因为没有便于自动结合或简单安装至电池上的元件，难于安装已知的二次透镜***。
—从WO 91/18419、ES 2232299或WO 2006/130520 A2已知的安装方法是基于使用大量附加的安装辅助设备，例如，螺丝、框架或夹紧鞍座。这使得材料和工序的花费上升，并增加了易受影响导致缺陷的组件的数量，并因此增加了整个***失败的可能性。
—关于(得自WO 2004/077558 A1；DE 195 36 454 A1；DE 199 47 044 B4)的半导体芯片的反射器，主要缺点是设计这样的组件，使得将半导体芯片放置在反射成形部分中。因此，仅可产生相对未限定的光束路径，同时，依据入射光束角/出射光束角而定的外壁或表面金属喷涂也位于光束路径中。
—因为金属板材上的反射层在再成形的程度太大时会在再成形工序中裂开，所以大大地限制了生产特殊几何形状的可能性。
—由于材料的吸收作用，二次透镜***可变得非常热。至今，仅在一个专利申请(WO 91/18419)中已有记录了使用增加散热的特殊元件，然而，其中通过生产复杂的附加组件来产生散热。
—反射层(例如基于银的层***)具有较高的腐蚀敏感性。为了阻止这种情况的发生，为反射金属薄片设置有钝化层。然而，因为组件从已涂覆的金属薄片条上切割而来，所以切割边缘具有开放的材料过渡，并且在其上反射层未被钝化。在操作过程中，这些切割边缘形成了被腐蚀的种子电池。
—对于本领域现有的水平，可在所记录的对应专利引用中找到其它缺点。
本发明的目的是开发一种光电组件，特别是开发一种半导体元件，该半导体元件发射或接收辐射，使得被发射或接收的辐射被引导至半导体芯片上并产生散热的效果。本发明由此涉及的任务是，使用的半导体芯片能够通过晶片平面中的表面专有地或超过90％地吸收/发射其辐射。
因此，本发明的目的在于提供克服了上述缺点的反射式和/或折射式二次透镜***。同样地，本发明的目的在于提供包含这种二次透镜***的半导体装配件。
具有权利要求1的特征的二次透镜***，以及具有权利要求23的特征的半导体装配件，实现了这个目的。在权利要求38中，指出了上述半导体装配件的生产方法。由此各个从属权利要求表示有利的改进。权利要求的文字以参考的方式结合到说明书中。
具体应用实例是从阳光中产生电流的模块中的应用，优选地为具有两级汇聚器透镜***的模块，特别优选地具有整体的多个太阳能电池(例如，三个太阳能电池)的模块，优选地具有包括元素周期表的主族III和主族V的元素的太阳能电池。
本发明二次透镜***的功能为，将在入口孔射入的辐射引导至位于出口孔处的太阳能电池上。为了实现此功能，二次透镜***应当优选地具有以下特征和元件：
—合适的成形和表面设计，以便将效率增加至最大，
—便于在系列生产中安装的元件，
—用于热量管理的元件，即用于改善对流和热辐射的元件，
—增强长期稳定性的元件，
—增大反射度的元件，
—用于遮挡邻近于太阳能电池的重要区域的元件。
以下要求在用于制造这种组件的生产过程优先考虑：
—低材料和加工成本，
—对于反射器形状的高制造精度，
—低粗糙度表面的制备，
—形成最小化的毛刺和沟槽，
—应用尽可能均一的层，用于改善反射，具有良好的光学属性和高粘合力，
—应用尽可能密集的保护层，其具有高透明度和好的粘附力。
由此，本发明的主题不仅涉及实际反射器组件(二次透镜***)，还涉及包括二次透镜***的整个半导体部件或组件。具体地讲，因此半导体组件就是所谓的太阳能电池装配件(Solar Cell Assembly)，通常被称作SCA。这种SCA典型地包括太阳能电池、反射器、其他元件以及生产这种SCA的工艺。
本领域现有水平的典型太阳能电池装配件(例如，US 5,167,724；J.Jaus，U.Fleischfresser，G.Peharz等，“Heat Sink Substrates for Automated Assembly of Concentrator Modules(用于聚集器模块自动组装的热沉基底)”，Proc.of 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference(第21届欧洲光伏太阳能会议会报)，2006，2120-2123页；A.W.Bett，C.Baur，F.Dimroth等，“FLATCONTM modules；Technology and Characterisation(FLATCONTM模块，技术与特性)”，Proc.of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion(第三届世界光伏能量转换会议会报)，2003，634-637页)由太阳能电池、例如铜的用于热传导的基底、用于改善接触性所采用的多个金属层、用于接触太阳能电池背侧的焊接层或粘合层以及太阳能电池上侧的结合或焊接接触物组成。在下面描述中，通常也将用于热传导的基底称为“芯片载体”。通常将这种芯片载体设计为导体框架(导线框架)。
通过使用本发明的反射式和/或折射式二次透镜***，实质上改善了半导体装配件，特别是根据A.W.Bett，C.Baur，F.Dimroth等，“FLATCONTM modules；Technology and Characterisation(FLATCONTM组件；技术与特性)”，Proc.of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion(第三届世界光伏能量转换会议会报)，2003，634-637页的构造类型的太阳能电池模块实质上被改善。因此这种具有整体二次透镜***的太阳能电池装配件相对于本领域现有的水平具有以下优势：
—对从太阳能电池散发的热量的良好散热性，
—防止太阳能电池的重要区域(例如实际层的边缘、结合焊盘)被腐蚀、热应力和/或被光辐射损坏，
—所用的所有元件具有耐太阳辐射性能，该太阳能辐射由于汇聚作用可达到高达10000倍的汇聚度，
—整个结构的长期耐久力，
—可以使用经济的原始材料，
—避免和/或补偿在运行中产生的热应力和/或机械应力。
本发明用于生产半导体组件的方法，特别是生产具有反射式二次透镜***的太阳能电池装配件的方法，具有以下优势：
—低材料和加工成本，
—二次透镜***相对于太阳能电池的高定位精度，
—避免在装配过程中对出现在太阳能电池装配件上的太阳能电池、二次透镜***或其他元件造成损坏。
—补偿所使用组件不可避免的质量缺陷(例如反射器下侧上的毛刺)，从而在制造过程中提高整体效率。
本发明的主题包括一种反射式和/或折射式二次透镜***，以及一种具有整体反射式二次透镜***的太阳能电池装配件，由于它们具体设计及它们的具体生产过程，因此它们相对于本领域当前水平已知的构造具有很多优点。
对于装配件，提出了一种两级方法，在该方法中，实际连接将反射器机械地而非摩擦地结合到电池，但是直接结合到芯片载体。此外，还提出了一种装配方法，在该方法中，在之前已装配的覆盖物的成形部分中引入依据于本发明的二次反射器。
随后，从应当被理解为全部可选的优选实施例的意义上体现所产生的改进。
优选实施例：
关于二次透镜***：
●反射器由铝或铝合金组成。特别合适的为高纯度铝(＞99％的铝)以及含有铝(＞99％)和添加镁(＜0.5％)的铝合金。其他有利的原始材料为不锈钢和黄铜。
●反射器外侧设置的层具有对波长＞4000nm的红外辐射的高辐射能力。
●就由铝或铝合金制成的反射器而言，该层有利地由特别施加的氧化铝层构成。由于此层，反射器的温度可被降低，随之带来与此相关的所有优点。
●反射器的内部设置有包含银的高反射层，以及保护此高反射层的保护层。有利地，使用氧化铝或氧化硅。
●反射器的内部设置有包含超纯的铝(＞99％)的高反射层，以及保护此高反射层的保护层。有利地是使用氧化铝或氧化硅。
关于反射器的环状物(凸起)：
●例如，在装配具有例如环氧树脂、有机硅或碳酸酯塑料材料的封装材料的反射器之后，提供装配件，该装配件包括太阳能电池、散热片、接触材料、连接线、反射器和可能的保护性二极管、端部焊盘以及厚的引线结合底座。该封装保护所提及的元件不被腐蚀。
●上部区域内的反射器具有构造为环状物的凸起。该环状物能够防止辐射射到用于装配反射器的上述封装材料或塑性材料上。由于强的光强度，因此可能损坏封装材料。因此本发明的主题涉及至少大得使位于其下的填充化合物不会被太阳辐射射入的环形物或其他平面成形部分。
●此外，这种环状物有利于在装配件中作为拾取及放置方式的可握紧表面。因此，可防止通常易损坏的反射器表面出现刮痕。为此，将环状物构造为平坦的是有利的，且平行于入口孔是有利的。通过使用优选的用于产生反射器形状的方法，深冲压，在不进一步增加复杂性以及将使用的材料减少到最少的情况下，生产该环状物。
●反射器上端处的环状物或其它平面成形部分导致在反射器中的余热大面积分布。这种余热是由于吸收射入反射器上的太阳辐射而产生的，或从太阳能电池通过热传导提供给反射器的热所产生的。由于具有环状物产生可用的增大表面，通过辐射或模块内部空气对流传输出热量得到了改善。经由模块的外壁将模块内部的空气依次排出到环境。
关于反射器的生产方法：
●使用50μm到1mm厚度的平的带状材料。
●使用分级深冲压方法形成反射器形状，在该方法中，使用多个冲压和再成形步骤，可从平的带状材料直接形成反射器形状、环状物以及可能的特殊配属元件。
●在深冲压成形和再成形处理后，各个反射器元件未完全分离，而是经由类似网状的连接元件仍保持处于条带状态的方法。因此所生产的半成品可易于提供给进一步的处理步骤，例如，如随后针对反射器内部的表面处理的湿法化学处理。由于网状连接元件的存在，各个反射器仍在带状合成物中保持着限定形式和位置，并且因此可最佳地被进一步处理。具体地讲，因此可防止各个组件一个滑入另一个，一个滑入另一个所造成的结果是会损坏内表面并且使表面技术处理变得困难或不可能。此外，由于在带状材料中的所有反射器之间都存在连接，使得对于随后处理中的第一次处理使用电化学法步骤时的电接触是可能的。
●在首次深冲压成形和再成形处理之后，因而所产生的具有已成形反射器的带状材料可选地经受湿法化学处理。处理步骤涉及清洗(例如表面活性剂清洗、酸清洗、碱清洗)，化学或电化学抛光，化学或电化学去毛刺，化学或电化学施加氧化层。
●该氧化物层保护反射内表面不受环境空气的影响。
●随后，经过冲压处理将反射器从条带上的脱离。
●在对反射器进行湿法化学处理之后，会进行例如含银或含铝的反射层的施加，以进一步增加反射度。在这种情况下，随后通过例如溅射法、化学汽相淀积法(Chemical Vapour Phase Deposition，简称CVD)或湿法化学法施加例如氧化铝、氮化硅或二氧化硅的保护层。为了防止暴露的材料发生变化，在施加这些保护层之前，可通过分离网状物将反射器从合成物上分离。随后反射器在合适的暗盒装置内经过进一步的处理。
●使用深冲压处理，可生产从文献中已知的所有优化的形式，例如圆锥形、抛物面形、超抛物面形或组合抛物面形状。通过仅在再成形之后施加的保护层，不再在其上施加特定的应力，并且在例如纵横比的重要参数范围内，仍然仅由基本材料的冲压性能影响再成形。
关于具有反射器的半导体装配件：
●半导体装配件优选地为SCA。
●通过第一粘合层将反射器出口孔的下侧连接到太阳能电池的上侧。然而，这种粘合薄膜只具有非常低的内聚力和/或粘附力。这样，当由热造成反射器膨胀时，没有力被传送到太阳能电池上侧(有太阳能电池的接触金属喷涂脱离的危险)。因此，该第一粘合层表示一类预定的断点，该断点在反射器首次膨胀的运行期间被损坏。
●除了该第一连接层之外，还施加了第二粘合或填充混合物，该第二粘合或填充混合物包围了一部分芯片载体和一部分反射器。这种第二粘合材料在反射器和芯片载体之间产生机械地可承载的、平坦的连接。因此，至反射器外壁的接触表面显著地大于反射器较低边缘的表面。因此，该第二粘合材料可吸收在热膨胀显著改善期间出现的力。此外，可更好地将反射器中通过吸收而产生的热量散至芯片载体。
●为此，通过使用例如SiOH-、SiO2或TiO2微粒，或陶器微粒，这些热的良导体材料填充，可在导热性方面改善第二粘合材料。
●这种第二填充混合物也可包围太阳能电池的边缘以及连接线。因此，实现了封装效果并因此防止这些特别重要的区域受风化的影响。
●用于第二填充混合物的材料，例如热塑性塑料，通常不能长期地抵抗强有力的汇聚辐射。因此在反射器上侧上的凸起，例如环形物或类似平面形状的部分，是非常重要的，以在运行期间防止该填充混合物被射入的辐射损坏。就汇聚器模块而言，例如经由追踪器的错误定位，整个汇聚的光束能够被引导至填充混合物上。
●这种构造的其他选择是，经由粘合层也可将反射器直接接合到芯片表面，例如太阳能电池表面。为了避免热机械应力，粘合层由特别柔性的塑性材料构造而成，并且和/或由具有特别良好的传导性的颗粒来填充，例如用银颗粒或铜颗粒填充。
●另一选择是，可以使用一安装鞍座，例如从WO91/18419的实例中能获知的。具有对实际反射器的中心接收孔的鞍座的使用可从该申请中获知。优选地，可以使用单一方法步骤，直接由平的条状材料形成这种安装鞍座的形状，通过对平的金属条使用上述冷却深冲压工艺而使之与二次透镜***形成一复合体。这种一体化解决方案通过省略安装步骤，以及通过减少所需组件的数量降低处理的复杂性而提供了处理简单化的所有优点。这种情况下，安装鞍座取代了该遮挡凸起或环状物的功能。
●此外，提出了一种可选的方法，在该方法中，芯片载体具有从芯片载体平面伸出的锁定件(例如，夹子)。二次透镜***具有用于附接到夹子的合适的成形部分。在芯片载体上的夹子具有用于使二次透镜***上的对应成形部分变宽的导向区域。此外，锁定件具有附加的或可选的凸起部分(例如，成形轴柄或杯状物)，二次透镜***成形部分的对应开口可以接合于其中。夹子还可以成形在二次透镜***上，接着对应的反向接收装置成形在在芯片载体上。此实施例使得二次透镜***能够可靠地、可逆地固定在半导体组件的整个合成物中，粘合剂能广泛地分布于其中。
●太阳能电池在其上侧的反射器的支承表面区域内具有合适的层，以防止在安装过程中损坏金属喷涂或位于其下的半导体层。可将该层设计为例如氧化物层、金属层或例如聚酰亚胺或PTFE的塑性材料层。
●二次透镜***也可用于至太阳能电池上侧的电连接。为了此目的，反射器在上侧具有一扩大成形部分，该扩大成形部分在第二电导体区域上导电地邻接于太阳能电池，芯片载体的第二电导体区域是电绝缘的，芯片载体形成第一区域。
关于太阳能电池装配件的安装方法：
●存在多种有利的安装方法。在本发明的标准安装方法的情况下，首先通过分配、喷涂法、印压或类似方式施加具有低粘度和具有低内聚力和/或低粘附力和/或很高弹性的第一粘合材料。随后，使用夹持器，例如真空夹持器，从合适的暗盒装置中移除二次透镜***，并从下侧通过目视***测量二次透镜***。考虑到目视***的校正信息，将二次透镜***设置在之前施加的第一粘合材料上。为了达到此目的，经由弹簧张力来定义一最大定位力，或经由结合在安装头中的间隔装置或高度传感器来维持距芯片10到200μm的设定间隔。可选择的是，此应用也可实行于反射器。如果有必要的话，则可在其他处理步骤之前将此第一粘合材料硬化，对于特别低粘稠性的粘合材料这不是必要的。随后，由此而固定的二次透镜***部分地被第二粘合材料覆盖。因此，第一粘合材料防止了第二粘合材料由于毛细管效应导致的朝活性太阳能电池区域移动。随后，硬化第二材料。
●另一种有利的安装方法具有以下顺序：用填充混合物填充，由太阳能电池、散热片、太阳能电池的下侧和上侧接触物、以及可能的具有接触物的保护性二极管和可能的具有接触物的接触焊盘组成的装配件。实行填充的这样一种方式为：部分装配件或甚至整个装配件被包围在填充混合物中。在太阳能电池区域内的填充区域具有适于二次透镜***外部形状的凹陷。可将反射器***此凹陷，并且可通过摩擦或另外附加的粘合剂永久地固定反射器。此实施例具有的优点是，通过封装来保护太阳能电池不受环境影响，在大表面的上方将反射器热膨胀过程中所得的力引入填充混合物，以及吸收辐射所生产的热量可通过与填充混合物接触的大面积来容易地消散掉。
●另一个有利的实施例是使用之前描述的安装鞍座来进行反射器的安装。同样优选的是使用粘合剂，该粘合剂包括具有由氧化硅、氢氧化硅、银或类似物制成的颗粒的良好传导材料，使用该粘合剂进行鞍座的安装或通过直接结合(焊接、焊合、黏合)来进行安装。
●反射器优选地与太阳能电池具有一间隔，从反射器的下侧孔至太阳能电池上侧栅格垂直地测量，该间隔为20至300μm。
●反射器可以构造为反射元件，该反射元件包括折射率比空气高的光学透明区域，例如环氧树脂、有机硅或碳酸盐塑性材料；以及还包括围绕侧面区域的反射层。结果产生了两个重要的优势：第一，由于光学透明区域具有(相对于空气)较高的折射率，其对从主透镜对角地射到透明区域表面的光束的附加偏转，将额外的光导向太阳能电池的方向，第二，太阳能电池表面与环境之间被透明区域遮蔽。因此，除了反射属性之外，二次透镜***还具有以有利的方式增补的折射属性。
●例如可通过用透明材料(例如，环氧树脂、有机硅或碳酸酯塑料材料)填充深冲压的反射器来生产这种组件。
●一有利的实施例为，使用在氧化铝上具有高润湿角(＞90°)的透明材料。在这种情况下，优选地产生一凸透镜形状的表面，该凸透镜形状的表面在运行期间通过温度效应进一步扩大。使用该凸表面，有利地中止了边缘光束并且将反射次数和由此造成的损耗减小到最少。因此，表面的凸形状有利于汇聚器模块的角度接收以及其他光学参数(倾斜公差、汇聚的增加)。
●可以在被安装到太阳能电池上之前、期间或之后，用光学透明材料填充反射器。一有利的实施例是在施加于太阳能电池上之前填充反射器。为了此目的，反射器内部或部分内部填充以透明材料，大约至出口孔处，并且将其硬化。出口孔的平面有利地与透明区域重叠20到300μm。因此，产生了太阳能电池出口孔或活性区域的尺寸面积。该面积用于使用光学透明粘合材料将二次透镜***直接安装在太阳能电池上。
●另一有利的安装方法为，在安装到太阳能电池区域内之前，在太阳能电池装配件上施加可流动的光学透明材料。然后将反射式二次透镜******该材料并通过硬化该材料来固定二次透镜***。因此，位于二次透镜***内部的部分填充混合物用作太阳能电池活性表面的保护层，并且同时，凭借其相对于空气的高密度，起到光束偏离的作用。为了扩大这种效应，通过进一步在反射器中填充透明填充混合物，可增加这种效应。同时，在反射器外部硬化的部分填充混合物用于保护电池边缘以及保护表面接触(连接线)的连接受风化的影响。
参见附图更详细地解释本发明的主题，而不将主题限制于图中具体表示的参数。
图2a以平面图形式示出包括本发明二次透镜***的SCA的具体实施例，同时，图2b和图2c表示沿着图2a中指示的连接线A-A或连接线B-B的截面。因此，图2a、图2b和图2c涉及具体实施例，在本实施例中，将二次透镜***100整合到在本实例中表示SCA的半导体组件200中，提供了多个粘合连接来固定半导体组件。因此，SCA 200的所有组件施加至芯片载体10上。通过粘合剂或焊接16将太阳能电池2以及引线焊盘13分别连接到芯片载体10上，SCA 200产生的电流通过引线焊盘13与引线12和12′的接触分接被导出。因此，经由连接线14实行从太阳能电池2本身到引线焊盘13的电流线路由连接线14构成。因此，本发明二次透镜***100本身包括被构造为反射器3的壳体，该反射器3主要由金属基础材料构成，该金属基础材料对于350到2000nm波长范围内的光线具有特别的高反射性。在表面上，构造了整体成形的凸起6，该凸起6一方面可起到辅助安装的作用，另一方面同时相对于汇聚阳光来保护太阳能电池组件的关键区域。这从图2a中表示的视图中是显然的。另外，反射器3在其外侧上具有层，该层在2000至10000nm波长范围内具有特别有利的发射能力，例如，该层由氧化铝制成。因此，芯片载体10取代了冷却基底的功能，通过芯片载体的大面积构造能有效地散热。有利的布置将二次透镜***100的光学轴尽可能远地延伸穿过太阳能电池装置200的活性表面的几何中心。二次透镜***100的入口孔4由此被相关波长范围内透明的窗口8关闭。因此，通过第一粘合剂11在出口孔5的区域内实行二次透镜***100到太阳能电池2的固定。此外，通过施加于二次透镜***周围的附加结合材料17确保在SCA 200上固定二次透镜***100。结合材料17可因此包围SCA 200的一些组件，例如，太阳能电池、引线焊盘13以及连接线14。通过凸起6确保至少结合材料以及部分位于其下的SCA 200能够相对于侵蚀的、汇聚的太阳辐射得到保护。从而确保有效地防止结合材料17老化进程，例如防止脆化。
在图2c中，示出了图2a和图2b中表示的具有所示二次透镜***的SCA 200的一可选实施例，在这里，二次透镜***100的内部几乎完全被光学透明的填充材料7填充。在填充材料7具有高折射率的本实例中，相对于二次透镜***100中阳光的反射式汇聚，还额外或可选的实行一折射式汇聚。填充材料的表面由此优选地具有凸起构造。
图3a和图3b涉及具有二次透镜***100的结构200的另一有利实施例，仅为了清晰起见，此处未列出SCA 200的一些组件(例如连接线14)。图3a表示SCA 200的透视图，同时图3b表示沿着图3a的A-A线的截面，图3a和图3b的实施例主要涉及在芯片载体10上二次透镜***100的另一可选固定方式。此处芯片载体10具有锁定件18或18′，锁定件18或18′分别具有槽，分别用于固定印压为鞍座的机械附接元件9和9′。附接元件9和9′由此以形状匹配的形式连接到二次透镜***100并起到凸起6的作用。可选择地，如果附接元件9，9′整体连接到反射器3则也是特别优选的，例如，当通过深冲压方法形成二次透镜***100时，这是可能的。此实施例的具体优点为：由于简单的机械手段，可在太阳能电池2上永久地固定二次透镜***100，同时施于粘合剂。由于优选由金属形成的鞍座9和9′的大面积，确保了位于其下组件的完全遮蔽，例如，引线焊盘13被遮蔽。经由鞍座9和9′向芯片载体10同样良好的散发热能成为可能。
在图4a和图4b中表示了在芯片载体10上机械固定二次透镜***100的另一可选实施例，如在之前图中已示出的，图4b示出了沿着图4a的线A-A的截面。鞍座元件9和9′通过粘合剂16机械固定到芯片载体10。其他实施形式与图3a和图3b的特征一致。
在图5中表示了模块300，模块300包括通过接触12和12′引线相连的多个SCA 200。还示出了在本实例中被构造为菲涅尔集光器的汇聚式主透镜***15的结构。

Claims (47)

1.一种反射式和/或折射式二次透镜***(100)，用于将阳光汇聚在半导体元件上，所述二次透镜***包括反射器(3)，所述反射器(3)具有朝向阳光的入口孔(4)和朝向半导体组件(2)的出口孔(5)，所述反射器(3)具有围绕反射器(3)的凸起(6)。
2.根据权利要求1所述的二次透镜***，其特征在于，沿着反射器(3)的纵向，在入口孔(4)处设置所述凸起(6)。
3.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述凸起(6)与反射器(3)以整体方式或以形状匹配的方式连接。
4.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述凸起(6)设置在与入口孔(4)平行的平面上。
5.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述凸起(6)具有被构造为矩形、正方形、圆形、椭圆形或不规则形状的轮廓。
6.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述反射器(3)至少包括部分从由铝或含铝的合金组成的组中选择的材料。
7.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述反射器(3)的壁厚度为50μm至1mm，优选地为100至500μm。
8.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述反射器(3)的外部和/或朝向出口孔(5)的凸起(6)的表面具有至少一个涂层，所述涂层在2000至10000nm的波长范围内具有0.5和0.95之间的全发射度εn。
9.根据前述权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述至少一个涂层包含氧化铝，优选地包含氧化铝和/或包含具有在0.5和0.95之间的全发射度εn的清漆，优选地包含所述清漆。
10.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述反射器(3)的内部具有至少一个高反射性涂层，所述高反射性涂层在400到800nm的波长范围内的反射度ρ＞70％，和/或在900到2500nm的波长范围内的反射度ρ＞80％。
11.根据前述权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述高反射性涂层包含从包括以下金属组成的组中选择的金属或者由所述金属组成：铝、优选地是高纯度形式(比重＞99％)的铝；银，具有不同折射率n20 D的材料层序，和/或其合金或组合物。
12.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述反射器(3)的内部具有至少一个保护性涂层，所述保护性涂层包含氧化铝、碳化硅和/或氧化硅，或所述保护性涂层由氧化铝、碳化硅和/或氧化硅组成。
13.根据权利要求10至权利要求12中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，将至少一个高反射性涂层施加于反射器(3)的内部，以及将至少一个保护性涂层施加于所述至少一个高反射性涂层上。
14.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述腔体至少部分地由材料(7)填充，所述材料(7)在300到2500nm的波长范围内是光学透明的。
15.根据前述两项权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述光学透明材料(7)具有高于空气的折射率n20 D。
16.根据权利要求14至权利要求15中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，液态凝聚状态的光学透明材料(7)在氧化铝上具有大于90°的润湿角。
17.根据权利要求14至权利要求16中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述光学透明材料(7)选自由环氧树脂、有机硅树脂、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、玻璃、石英玻璃和/或热塑性塑料材料组成的组。
18.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，使用窗口(8)关闭所述入口孔(4)和/或出口孔(5)，所述窗口(8)在300到2500nm的波长范围内是光学透明的。
19.根据前述两项权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述光学透明的窗口(8)选自由玻璃、有机玻璃、氧化硅、碳化硅和/或氧化铝组成的组。
20.根据前述权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，附接元件(9)紧邻所述凸起(6)的至少一侧，所述附接元件(9)以形状匹配的形式模制而成，并且二次透镜***经由所述附接元件(9)连接至半导体元件和/或芯片载体(10)。
21.根据前述权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，所述凸起(6)的至少两个相对放置侧分别紧邻设置一个附接元件(9)。
22.根据前述两项权利要求中的一项权利要求所述的二次透镜***，其特征在于，至少一个附接元件(9)整体地模制在凸起(6)上。
23.一种吸收光和/或发射光的半导体装配件，包括权利要求1至权利要求22中的一项权利要求所述的二次透镜***，并且还包括吸收光和/或发射光的半导体组件(2)，
其特征在于，所述二次透镜***(100)经由其出口孔(5)以形状匹配的方式连接到所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)。
24.根据前述权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，由粘合剂(11)和/或机械固定件(9)进行所述结合。
25.根据前述权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述粘合剂(11)具有低内聚力和/或粘附力。
26.根据权利要求23至权利要求25中的一项权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)的二次透镜***(100)以1至5000μm的间隔设置，优选地以5至1000μm间隔设置，特别优选地以10至300μm间隔设置，至少在所述二次透镜***(100)和所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)之间填充粘合剂(11)。
27.根据权利要求23至权利要求26中的一项权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，包括至少一个其它组件，所述组件选自由以下组件组成的组：用于将半导体装配件通过引线电连接至至少一个另外的半导体装配件的接触件(12，12′)、芯片载体(10)、引线焊盘(13)、用于将吸收光和/或发射光的半导体组件(2)通过引线电连接至所述引线焊盘(13)的连接线(14)、至少一个保护性二极管、和/或用于将光会聚至例如菲涅尔集光器、透镜和/或反射镜的二次透镜***(100)的至少一个主透镜***(15)。
28.根据前述权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述光吸收和/或光发射半导体组件(2)和/或所述引线焊盘(13)固定在芯片载体(10)上，优选地通过粘合剂(16)固定。
29.根据前述两项权利要求中的一项权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，通过结合材料(17)将所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)和所述二次透镜***(100)固定在芯片载体(10)上，所述结合材料(17)至少部分地包围至少吸收光和/或发射光的半导体组件(2)和二次透镜***(100)。
30.根据前述权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述结合材料(17)选自由热塑性塑料、环氧树脂、有机硅、丙烯酸酯和/或氰基丙烯酸酯组成的组。
31.根据前述两项权利要求中的一项权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述结合材料(17)包括导热材料，例如金属芯片或金属颗粒，优选地是银颗粒、铜颗粒和/或陶瓷颗粒、硅胶和/或其组合。
32.根据权利要求29至权利要求31中的一项权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述结合材料(17)沿着朝向芯片载体(10)的投影方向完全被二次透镜***(100)的凸起(6)覆盖。
33.根据权利要求23至权利要求32中的一项权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述二次透镜***(100)经由至少一个附接元件(9)连接至所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)和/或连接至所述芯片载体(10)。
34.根据权利要求23至权利要求33中的一项权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述芯片载体(10)具有至少一个形状匹配的、可逆的锁定机构(18)，所述至少一个附接元件(9)可连接到所述锁定机构(18)。
35.根据权利要求23至权利要求34中的一项权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述至少一个吸收光和/或发射光的半导体组件(2)至少在连接到所述二次透镜***(100)的一侧具有至少一个保护性涂层，所述保护性涂层优选地从包括以下层的组中选择：金属层；氧化物层，特别是氧化铝；和/或塑料材料层，例如，聚酰亚胺和/或PTFE。
36.根据权利要求23至权利要求35中的一项权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述二次透镜***(100)电接触所述至少一个吸收光和/或发射光的半导体组件(2)。
37.根据权利要求23至权利要求36中的一项权利要求所述的半导体装配件，其特征在于，所述半导体装配件借助至少一个接触件，通过引线以串联和/或并联的方式电连接至至少一个另外的半导体装配件。
38.一种权利要求23至权利要求37中的一项权利要求所述的半导体装配件的生产方法，其特征在于，将权利要求1至权利要求22中的一项权利要求所述的二次透镜***固定在吸收光和/或发射光的半导体组件(2)上和/或固定在芯片载体(10)上。
39.根据前述权利要求所述的方法，包括以下步骤：
a)将粘合剂(11)施加于所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)上，
b)将所述二次透镜***(100)压到所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)上，使得在所述二次透镜***(100)和所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)之间保持的间隔为1至5000μm，优选地5至1000μm，特别优选地10至300μm，
c)用结合材料(17)覆盖步骤a)和步骤b)中制备的复合物，该结合材料随后被硬化。
40.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，粘合剂(11)的施加步骤受到喷涂方法和/或压印处理的影响。
41.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将结合材料(17)施加于所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)周围，同时形成凹槽，
b)将所述二次透镜***(100)***并固定至所述凹槽中。
42.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，将填充化合物施加于其上布置有所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)的芯片载体(10)上。
43.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，除了所述连接线(14)之外，填充化合物还至少部分地包围所述引线焊盘(13)和/或所述至少一个保护性二极管。
44.根据权利要求41至权利要求43中的一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述二次透镜***(100)的固定步骤受到所述二次透镜***(100)和所述填充化合物的凹槽之间的接触表面上添加另外的粘合剂和/或粘合剂摩擦的影响。
45.根据权利要求38至权利要求44中的一项权利要求所述的方法，其特征在于，至少使用至少一个附接元件(9)将所述二次透镜***(100)固定在所述芯片载体(10)上。
46.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述固定的步骤受到影响，使得将至少一个附接元件(9)通过粘合、螺纹连接、铆接、焊接、焊合和/或结合到芯片载体(10)和/或通过例如成形的轴柄或绞盘轴座的可选的锁定件(18)直接固定。
47.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，将粘合剂(11)施加至吸收光和/或发射光的半导体组件(2)上，将所述二次透镜***(100)压至所述吸收光和/或发射光的半导体组件(2)的涂覆了粘合剂(11)的位置上，并且随后硬化所述粘合剂(11)。
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