DE102023201886A1

DE102023201886A1 - COVER GLASS FOR SOLAR CELLS AND SOLAR CELLS THAT COMPRISE SUCH A COVER GLASS

Info

Publication number: DE102023201886A1
Application number: DE102023201886.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Derkacs
Original assignee: Solaero Technologies Corp
Current assignee: Solaero Technologies Corp
Priority date: 2023-03-02
Filing date: 2023-03-02
Publication date: 2024-09-05

Abstract

Ein Deckglas zur Verwendung in Verbindung mit einer Mehrfachsolarzelle und das Verfahren zu dessen Fertigung, wobei das Deckglas einen aus Glas bestehenden Körper, der eine obere Oberfläche, die dazu konfiguriert ist, Sonnenstrahlung aufzunehmen, und eine untere Oberfläche umfasst, die dazu konfiguriert ist, über der Solarzelle angeordnet zu werden, und ferner eine Anordnung geometrischer Strukturen umfasst, die an der oberen Oberfläche des Körpers angeordnet sind und eine Basis und einen Scheitel beinhalten und nebeneinander angeordnet sind und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen an der oberen Oberfläche der geometrischen Struktur bilden, die derart bemessen und geformt sind, dass sie die Durchlässigkeit von Infrarotstrahlung von der Solarzelle in einem Wellenlängenbereich von 5 bis 50 µm erhöhen. A cover glass for use in conjunction with a multi-junction solar cell and the method of manufacturing the same, the cover glass comprising a glass body having an upper surface configured to receive solar radiation and a lower surface configured to be disposed over the solar cell, and further comprising an array of geometric structures disposed on the upper surface of the body and including a base and a vertex and disposed side by side and forming a plurality of vias on the upper surface of the geometric structure sized and shaped to increase the transmittance of infrared radiation from the solar cell in a wavelength range of 5 to 50 µm.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGENREFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung ist verwandt mit der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/216,607 , eingereicht am 17. März 2014, nunmehr US-Patent Nr. 10,153,388 .This application is related to the US patent application with serial number 14/216,607 , filed March 17, 2014, now U.S. Patent No. 10,153,388 .

Diese Anmeldung ist auch verwandt mit der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 15/449,590 , eingereicht am 3. März 2017, nunmehr US-Patent Nr. 10,479,053 .This application is also related to copending U.S. patent application No. 15/449,590 , filed March 3, 2017, now U.S. Patent No. 10,479,053 .

Diese Anmeldung ist auch verwandt mit der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 17/191,355 , eingereicht am 3. März 2021, nunmehr US-Patent Nr. 11,329,181 .This application is also related to US patent application Ser. No. 17/191,355 , filed March 3, 2021, now U.S. Patent No. 11,329,181 .

Alle vorstehend genannten verwandten Anmeldungen sind durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen.All related applications cited above are incorporated herein by reference in their entirety.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Offenbarung betrifft Deckgläser, die über Einzel- oder Mehrfachsolarzellen für Weltraumanwendungen verwendet werden, sowie die Fertigung derartiger Deckgläser und insbesondere die Konzeption und Spezifikation von retroreflektierenden Strukturen auf derartigen Deckgläsern.The present disclosure relates to cover glasses used over single or multi-junction solar cells for space applications, to the fabrication of such cover glasses, and more particularly to the design and specification of retroreflective structures on such cover glasses.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the state of the art

Solarenergie aus Fotovoltaikzellen, auch Solarzellen genannt, wurde bisher überwiegend durch die Siliziumhalbleitertechnologie bereitgestellt. In den vergangenen Jahren hat jedoch die Massenherstellung von III-V-Verbundhalbleiter-Mehrfachsolarzellen für Weltraumanwendungen die Entwicklung einer solchen Technologie nicht nur für den Einsatz im Weltraum, sondern auch für terrestrische Solarstromanwendungen beschleunigt. Im Vergleich zu Silizium weisen III-V-Verbindungshalbleiter-Mehrfachvorrichtungen einen höheren Energieumwandlungswirkungsgrad und im Allgemeinen einen höheren Strahlungswiderstand auf, obwohl sie tendenziell komplexer zu spezifizieren und herzustellen sind. Typische handelsübliche III-V-Verbindungshalbleiter-Mehrfachsolarzellen weisen energetische Wirkungsgrade von über 27 % unter einer Sonneneinstrahlung mit Luftmasse 0 (AM0), während selbst die effizientesten Siliziumtechnologien unter vergleichbaren Bedingungen im Allgemeinen nur etwa 18 % Wirkungsgrad erreichen. Der höhere Umwandlungswirkungsgrad von III-V-Verbindungshalbleiter-Solarzellen im Vergleich zu Silizium-Solarzellen beruht zum Teil auf der Fähigkeit, eine spektrale Aufspaltung der einfallenden Strahlung durch die Verwendung mehrerer fotovoltaischer Regionen mit unterschiedlichen Bandlückenenergien zu erreichen und den Strom aus den einzelnen Regionen zu akkumulieren.Solar energy from photovoltaic cells, also called solar cells, has so far been predominantly provided by silicon semiconductor technology. In recent years, however, the mass production of III-V compound semiconductor multi-junction solar cells for space applications has accelerated the development of such technology not only for use in space but also for terrestrial solar power applications. Compared to silicon, III-V compound semiconductor multi-junction devices have higher energy conversion efficiency and generally higher radiation resistance, although they tend to be more complex to specify and manufacture. Typical commercial III-V compound semiconductor multi-junction solar cells have energy efficiencies of over 27% under air mass 0 (AM0) solar irradiance, while even the most efficient silicon technologies generally only achieve about 18% efficiency under comparable conditions. The higher conversion efficiency of III-V compound semiconductor solar cells compared to silicon solar cells is due in part to the ability to achieve spectral splitting of the incident radiation by using multiple photovoltaic regions with different band gap energies and accumulating the current from the individual regions.

Bei Satelliten- und anderen weltraumbezogenen Anwendungen hängen Größe, Masse und Kosten eines Satellitenenergiesystems vom Leistungs- und Energieumwandlungswirkungsgrad der verwendeten Solarzellen ab. Anders ausgedrückt: Die Größe der Nutzlast und die Verfügbarkeit von Borddiensten sind proportional zur bereitgestellten Leistungsmenge. Da die Nutzlasten immer ausgefeilter werden und von Anwendungen fünf, zehn, zwanzig Jahre lang oder länger ausgegangen wird, werden das Leistungsgewicht und der lebenslange Wirkungsgrad einer Solarzelle immer wichtiger, und es besteht zunehmendes Interesse an der Menge Leistung, die nicht nur beim erstmaligen Einsatz bereitgestellt wird, sondern über die gesamte Lebensdauer des Satellitensystems, oder, im Hinblick auf eine Konzeptionsspezifikation, die Menge an Leistung, die am „Ende der Lebensdauer“ („end of life“, EOL) bereitgestellt wird.In satellite and other space-related applications, the size, mass and cost of a satellite power system depend on the power and energy conversion efficiency of the solar cells used. In other words, the size of the payload and the availability of onboard services are proportional to the amount of power provided. As payloads become more sophisticated and applications are expected to last five, ten, twenty years or longer, the power-to-weight ratio and lifetime efficiency of a solar cell become increasingly important, and there is increasing interest in the amount of power provided not only at initial deployment, but over the entire lifetime of the satellite system, or, in terms of a design specification, the amount of power provided at "end of life" (EOL).

Typische III-V-Verbindungshalbleiter-Solarzellen werden auf einem Halbleiterwafer in vertikalen Strukturen mit mehreren Übergängen oder einer gestapelten Folge von SolarSubzellen hergestellt, wobei jede Subzelle mit geeigneten Halbleiterschichten gebildet ist und einen photoaktiven pn-Übergang beinhaltet. Jede Subzelle ist dafür ausgelegt, Photonen über verschiedene Spektral- oder Wellenlängenbänder in elektrischen Strom umzuwandeln. Nachdem das Sonnenlicht auf die Vorderseite der Solarzelle auftrifft und Photonen die Subzellen passieren, wobei jede Subzelle für Photonen in einem bestimmten Wellenlängenband ausgelegt ist. Nach dem Durchgang durch eine Subzelle breiten sich die nicht absorbierten und in elektrische Energie umgewandelten Photonen zu den nächsten Subzellen aus, wo diese Photonen eingefangen und in elektrische Energie umgewandelt werden sollen.Typical III-V compound semiconductor solar cells are fabricated on a semiconductor wafer in vertical multi-junction structures or a stacked sequence of solar subcells, where each subcell is formed with appropriate semiconductor layers and includes a photoactive pn junction. Each subcell is designed to convert photons across different spectral or wavelength bands into electrical current. After sunlight hits the front of the solar cell and photons pass through the subcells, each subcell is designed for photons in a specific wavelength band. After passing through a subcell, the photons that are not absorbed and converted to electrical energy propagate to the next subcells where these photons are to be captured and converted to electrical energy.

Der Energieumwandlungswirkungsgrad von Mehrfachsolarzellen wird durch Faktoren wie die Anzahl der Subzellen, die Dicke jeder Subzelle, die Zusammensetzung und Dotierung jeder aktiven Schicht in einer Subzelle und die daraus resultierende Bandstruktur, Elektronenenergieniveaus, Leitung und Absorption jeder Subzelle sowie die Wirkung ihrer Strahlungseinwirkung in der Umgebung im Laufe der Zeit beeinflusst. Die Identifizierung und Spezifizierung derartiger Konzeptionsparameter ist ein anspruchsvolles technisches Unterfangen und variiert in Abhängigkeit von der spezifischen Weltraummission und den Konzeptionsanforderungen des Kunden. Da die Ausgangsleistung eine Funktion sowohl der Spannung als auch des Stroms ist, die von einer Subzelle erzeugt werden, kann in einer vereinfachten Betrachtung versucht werden, beide Parameter in einer Subzelle zu maximieren, indem ein konstituierendes Element oder der Dotierungspegel erhöht wird, um diesen Effekt zu erzielen. In der Realität kann die Änderung eines Materialparameters, der die Spannung erhöht, jedoch zu einer Verringerung des Stroms und damit zu einer geringeren Ausgangsleistung führen. Derartige Materialkonzeptionsparameter sind voneinander abhängig und interagieren auf komplexe und oft unvorhersehbare Weise und sind aus diesem Grund keine „ergebniswirksamen“ Variablen, die Fachleute, die mit komplexen Konzeptionsspezifikationen und praktischen Betriebsüberlegungen konfrontiert sind, leicht anpassen können, um die Leistung zu optimieren. Elektrische Eigenschaften wie die Kurzschlussstromdichte (J_sc), die Leerlaufspannung (V_oc) und der Füllfaktor (FF), die den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe der Solarzelle bestimmen, werden durch die geringste Änderung dieser Konzeptionsvariablen beeinflusst, zudem wird, wie vorstehend erwähnt, die Berechnung weiter dadurch erschwert, dass diese Variablen und daraus resultierenden Eigenschaften auch auf ungleichmäßige Weise mit der Zeit (d. h. während der Betriebslebensdauer des Systems) variieren.The energy conversion efficiency of multi-junction solar cells is influenced by factors such as the number of subcells, the thickness of each subcell, the composition and doping of each active layer in a subcell and the resulting band structure, electron energy levels, conduction and absorption of each subcell, and the effect of their exposure to radiation in the environment over time. Identifying and specifying such design parameters is a challenging engineering undertaking and varies depending on the specific space mission and customer design requirements. Since the output power is a function of of both the voltage and current produced by a subcell, in a simplified view one may attempt to maximize both parameters in a subcell by increasing a constituent element or doping level to achieve this effect. In reality, however, changing a material parameter that increases voltage may result in a reduction in current and hence lower output power. Such material design parameters are interdependent and interact in complex and often unpredictable ways and, for this reason, are not "outcome-effective" variables that practitioners faced with complex design specifications and practical operational considerations can easily adjust to optimize performance. Electrical properties such as short-circuit current density (J _sc ), open-circuit voltage (V _oc ) and fill factor (FF), which determine the efficiency and power output of the solar cell, are affected by the slightest change in these design variables and, as mentioned above, the calculation is further complicated by the fact that these variables and resulting properties also vary in a non-uniform manner with time (i.e., during the operational lifetime of the system).

Die Betriebsbedingungen von Solarzellen in Satelliten- und anderen Weltraumoperationen sind extrem und geben Konzeptionsmerkmale für Weltraumsolarzellen vor, die in terrestrischen Anwendungen nicht benötigt werden. Beispielsweise variieren die im Weltraum anzutreffenden Temperaturbereiche und Temperaturzyklen von -175 °C bis +180 °C.The operating conditions of solar cells in satellite and other space operations are extreme and dictate design features for space solar cells that are not required in terrestrial applications. For example, the temperature ranges and temperature cycles encountered in space vary from -175 °C to +180 °C.

Die Bandlücke eines Halbleiters nimmt mit der Temperatur ab. Beispielsweise weist GaAs eine Bandlücke von 1,44 eV bei 0 °C, aber von 1,376 eV bei 126 °C auf. Ein Abfall der Bandlücke führt zu einem Abfall der Spannung in der Subzelle und daher zu einer Abnahme der Ausgangsleistung der Solarzelle. Infolgedessen besteht ein erhöhtes Interesse daran, Mittel bereitzustellen, um die Solarzellen so kühl wie möglich zu halten.The band gap of a semiconductor decreases with temperature. For example, GaAs has a band gap of 1.44 eV at 0 °C, but 1.376 eV at 126 °C. A decrease in the band gap leads to a decrease in the voltage in the subcell and therefore a decrease in the output power of the solar cell. As a result, there is increased interest in providing means to keep the solar cells as cool as possible.

Eine Weltraumsolarzelle beinhaltet häufig ein Deckglas über der Halbleitervorrichtung, um eine strahlungsbeständige Abschirmung vor Partikeln in der Weltraumumgebung bereitzustellen, die das Halbleitermaterial beschädigen könnten. Das Deckglas ist typischerweise ein mit Ceroxid dotiertes Borosilikatglas, das typischerweise drei bis sechs mil (0,0762 bis 0,1524 mm) dick und mit einem transparenten Klebstoff an der Solarzelle befestigt ist.A space solar cell often includes a cover glass over the semiconductor device to provide radiation-resistant shielding from particles in the space environment that could damage the semiconductor material. The cover glass is typically a ceria-doped borosilicate glass that is typically three to six mils (0.0762 to 0.1524 mm) thick and is attached to the solar cell with a transparent adhesive.

Der Zusammenbau einzelner Solarzellen mit elektrischen Leiterbahnen und dem Deckglas bildet einen so genannten „CIC“-Verbund („Cell-Interconnected-Cover-Glass“, Zelle-Leiterbahn-Deckglas). Diese werden dann typischerweise elektrisch verbunden, um eine Anordnung aus in Reihe geschalteten Solarzellen zu bilden. Die in vielen Anordnungen verwendeten Solarzellen weisen oft eine beträchtliche Größe auf; zum Beispiel kann im Fall der einzelnen im Wesentlichen „quadratischen“ Standard-Solarzelle, die aus einem 100-mm-Wafer mit abgeschnittenen Ecken getrimmt ist, die Solarzelle eine Seitenlänge von sieben cm oder mehr aufweisen.The assembly of individual solar cells with electrical traces and the cover glass forms what is known as a "CIC" ("Cell-Interconnected-Cover-Glass") assembly. These are then typically electrically connected to form an array of solar cells connected in series. The solar cells used in many arrays are often of considerable size; for example, in the case of the single essentially "square" standard solar cell trimmed from a 100mm wafer with the corners cut off, the solar cell may be seven cm or more on a side.

Zusammenfassend ist ersichtlich, dass die Unterschiede in Konzeption, Materialien und Konfigurationen zwischen einer weltraumtauglichen III-V-Verbindungshalbleiter-Solarzelle und Baugruppen und Anordnungen derartiger Solarzellen einerseits und Silizium-Solarzellen oder anderen in terrestrischen Anwendungen verwendeten Fotovoltaikorrichtungen andererseits derart umfangreich sind, dass frühere Lehren im Zusammenhang mit terrestrischen Fotovoltaiksystemen schlichtweg ungeeignet und auf die Konzeptionskonfiguration von weltraumtauglichen Solarzellen und -anordnungen nicht anwendbar sind. Konzeption und Konfiguration von Komponenten, die für den terrestrischen Einsatz mit ihren bescheidenen Temperaturbereichen und Zykluszeiten angepasst sind, lehren in der Tat oft weg von den äußerst anspruchsvollen Designanforderungen für weltraumtaugliche Solarzellen und - anordnungen und ihren zugehörigen Komponenten.In summary, it is apparent that the differences in design, materials and configurations between a space-qualified III-V compound semiconductor solar cell and assemblies and arrays of such solar cells on the one hand and silicon solar cells or other photovoltaic devices used in terrestrial applications on the other hand are so extensive that previous teachings related to terrestrial photovoltaic systems are simply inadequate and not applicable to the design configuration of space-qualified solar cells and arrays. In fact, design and configuration of components adapted for terrestrial use with their modest temperature ranges and cycle times often teach away from the extremely demanding design requirements for space-qualified solar cells and arrays and their associated components.

Die vorliegende Offenbarung schlägt Konzeptionsmerkmale für Solarzellen und Solarzellenanordnungen zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzelle beim Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie in einer Weltraumumgebung vor.The present disclosure proposes design features for solar cells and solar cell assemblies for increasing the efficiency of the solar cell in converting solar energy to electrical energy in a space environment.

KURZDARSTELLUNGBRIEF DESCRIPTION

Gegenstand der OffenlegungSubject of disclosure

Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, einen erhöhten Lichtumwandlungswirkungsgrad in einer Mehrfachsolarzellenbaugruppe für Weltraumanwendungen bereitzustellen, indem eine über der Mehrfachsolarzelle angeordnete Retroreflektorstruktur in das Deckglas eingebaut wird, um den Emissionsgrad des Deckglases zu erhöhen um die von der Solarzelle erzeugte Wärme effektiver abzuführen.An object of the present disclosure is to provide increased light conversion efficiency in a multi-junction solar cell assembly for space applications by incorporating a retroreflector structure disposed above the multi-junction solar cell into the cover glass to increase the emissivity of the cover glass to more effectively dissipate heat generated by the solar cell.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, einen erhöhten Lichtumwandlungswirkungsgrad in einer Solarzelle für Weltraumanwendungen bereitzustellen, indem eine über der Solarzelle angebrachte Retroreflektorstruktur eingebaut wird.Another object of the present disclosure is to provide increased light conversion efficiency in a solar cell for space applications by incorporating a retroreflector structure mounted above the solar cell.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die thermodynamische Strahlungskühlung der Solarzelle zu erhöhen, wenn sie im Weltraum außerhalb der Atmosphäre eingesetzt wird, indem ein Deckglas über der Solarzelle mit verbessertem Emissionsgrad verwendet wird.Another object of the present disclosure is to determine the thermodynamic To increase radiative cooling of the solar cell when deployed in space outside the atmosphere by using a cover glass over the solar cell with improved emissivity.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die thermodynamische Strahlungskühlung der Solarzelle beim Einsatz im Weltraum außerhalb der Atmosphäre durch die Verwendung eines Deckglases über der Solarzelle zu erhöhen und den mit der Verwendung des Deckglaseffekts verbundenen Reststrahleneffekt zu ändern und zu minimieren, um den Emissionsgrad zu verbessern.Another object of the present disclosure is to increase the thermodynamic radiative cooling of the solar cell when deployed in space outside the atmosphere by using a cover glass over the solar cell and to modify and minimize the residual radiative effect associated with the use of the cover glass effect to improve emissivity.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein Deckglas bereitzustellen, das eine Anordnung geometrischer Strukturen auf seiner Struktur aufweist, um die Strahlungskühlung des zwischen dem Deckglas angeordneten aktiven Elements zu ermöglichen.Another object of the present disclosure is to provide a cover glass having an array of geometric structures on its structure to enable radiative cooling of the active element disposed between the cover glass.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein Deckglas bereitzustellen, das eine Anordnung geometrischer Strukturen auf seiner Oberflächenstruktur aufweist, die den Reststrahleneffekt minimiert, um die Strahlungskühlung des zwischen dem Deckglas angeordneten aktiven Elements zu ermöglichen.Another object of the present disclosure is to provide a cover glass having an arrangement of geometric structures on its surface structure that minimizes the residual radiation effect to enable radiative cooling of the active element disposed between the cover glass.

Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Mehrfachsolarzelle bereitzustellen, bei der die Platzierung eines Deckglases, in dem die Zelle das Glas über Leitung durch Silikon erwärmt, das Glas Wärme über die vordere Oberfläche des Glases mit einer Oberfläche mit hohem Emissionsgrad abgibt, die die Emission einer größeren Wärmemenge ermöglicht als die Verwendung eines Deckglases ohne eine Oberfläche mit derart hohem Emissionsgrad.An object of the present disclosure is to provide a multi-junction solar cell in which the placement of a cover glass in which the cell heats the glass via conduction through silicon causes the glass to release heat via the front surface of the glass having a high emissivity surface that allows for the emission of a greater amount of heat than using a cover glass without such a high emissivity surface.

Einige Implementierungen der vorliegenden Offenbarung können weniger der Aspekte und Merkmale enthalten oder implementieren, die in den vorstehenden Objekten erwähnt sind.Some implementations of the present disclosure may include or implement fewer of the aspects and features mentioned in the foregoing objects.

Merkmale der OffenlegungFeatures of disclosure

Alle Bereiche von numerischen Parametern, die in dieser Offenbarung dargelegt sind, sind derart zu verstehen, dass sie beliebige und alle hier subsumierten Unterbereiche oder „Zwischenverallgemeinerungen“ umfassen. Beispielsweise sollte ein angegebener Bereich von 5 bis 50 µm für einen Wert derart betrachtet werden, dass er alle Unterbereiche umfasst, beginnend mit einem Mindestwert von 5 µm oder mehr und endend mit einem Höchstwert von 50 µm oder weniger, z. B. 5 bis 10 µm oder 10 bis 30 µm oder 45 bis 20 µm.All ranges of numerical parameters set forth in this disclosure are to be understood as including any and all subranges or "intermediate generalizations" subsumed herein. For example, a stated range of 5 to 50 µm for a value should be considered to include all subranges beginning with a minimum value of 5 µm or more and ending with a maximum value of 50 µm or less, e.g., 5 to 10 µm, or 10 to 30 µm, or 45 to 20 µm.

Kurz und allgemein gesagt stellt die vorliegende Offenbarung Deckglas zur Platzierung über der oberen Oberfläche einer Solarzelle bereit, umfassend einen Körper aus Glas, der neben der Solarzelle angeordnet ist, und eine Anordnung geometrischer Strukturen, die nebeneinander an der oberen Oberfläche des Körpers angeordnet sind, wobei jede geometrische Struktur eine Basis und einen Scheitel beinhaltet und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen zwischen den geometrischen Strukturen bildet, wobei die geometrischen Strukturen derart bemessen und geformt sind, dass sie die Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 5 bis 50 µm von der Solarzelle in die angrenzende Umgebung erhöhen.Briefly and generally, the present disclosure provides a cover glass for placement over the top surface of a solar cell, comprising a body of glass disposed adjacent to the solar cell and an array of geometric structures disposed adjacent to one another on the top surface of the body, each geometric structure including a base and a vertex and forming a plurality of vias between the geometric structures, the geometric structures being sized and shaped to increase the transmission of infrared radiation in a wavelength range of 5 to 50 µm from the solar cell to the adjacent environment.

In einigen Ausführungsformen ist die Anordnung geometrischer Strukturen derart bemessen und geformt, dass sich der Brechungsindex ändert und dadurch der IR-Emissionsgrad und die entsprechende IR-Durchlässigkeit der oberen Oberfläche des Körpers erhöht und dadurch die Wärmespeicherung im Körper, die durch die Strahlungsübertragung von in der Solarzelle während ihrer Beleuchtung und ihres Betriebs erzeugte Wärme verursacht wird, reduziert wird.In some embodiments, the array of geometric structures is sized and shaped to change the refractive index, thereby increasing the IR emissivity and corresponding IR transmittance of the top surface of the body, and thereby reducing heat storage in the body caused by radiative transfer of heat generated in the solar cell during its illumination and operation.

In einigen Ausführungsformen weist die geometrische Struktur eine Basis, eine Breite und eine Höhe auf, und wobei das Verhältnis zwischen der Breite der Basis und der Höhe der geometrischen Struktur im Bereich von 1:1 bis 1:6 liegt.In some embodiments, the geometric structure has a base, a width and a height, and wherein the ratio between the width of the base and the height of the geometric structure is in the range of 1:1 to 1:6.

In einigen Ausführungsformen weist die Anordnung aus geometrischen Strukturen auch die Eigenschaft auf, dass der Reflexionsgrad des Deckglases im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 2000 nm erhalten bleibt oder abgesenkt wird.In some embodiments, the arrangement of geometric structures also has the property that the reflectance of the cover glass is maintained or reduced in the wavelength range from 300 nm to 2000 nm.

In einigen Ausführungsformen liegt eine Höhe der geometrischen Struktur im Bereich von 5 bis 300 µm.In some embodiments, a height of the geometric structure is in the range of 5 to 300 µm.

In einigen Ausführungsformen liegt ein Abstand der Anordnung der geometrischen Strukturen im Bereich von 5 bis 50 µm.In some embodiments, a spacing of the arrangement of the geometric structures is in the range of 5 to 50 µm.

In einigen Ausführungsformen sind die Basis und der Scheitel der geometrischen Struktur durch eine einzige ebene Oberfläche verbunden.In some embodiments, the base and apex of the geometric structure are connected by a single planar surface.

In einigen Ausführungsformen sind die Basis und der Scheitel der geometrischen Struktur durch eine erste und eine zweite Oberfläche verbunden, wobei die erste Oberfläche neben der Basis und die zweite Oberfläche neben dem Scheitel liegt.In some embodiments, the base and vertex of the geometric structure are connected by first and second surfaces, the first surface being adjacent to the base and the second surface being adjacent to the vertex.

In einigen Ausführungsformen ist mindestens eine der ersten und der zweiten Oberfläche eben oder flach.In some embodiments, at least one of the first and second surfaces is planar or flat.

In einigen Ausführungsformen ist die zweite Oberfläche mindestens doppelt so groß wie die erste Oberfläche.In some embodiments, the second surface is at least twice the size of the first surface.

In einigen Ausführungsformen sind die Basis und der Scheitel durch zwei kegelstumpfförmige Körper verbunden.In some embodiments, the base and the apex are connected by two frustoconical bodies.

In einigen Ausführungsformen weist die Basis eine kreisförmige oder polygonale Form auf.In some embodiments, the base has a circular or polygonal shape.

In einigen Ausführungsformen ist der Scheitel der geometrischen Strukturen eine im Wesentlichen ebene Oberfläche, die kleiner als die Basis ist.In some embodiments, the vertex of the geometric structures is a substantially planar surface that is smaller than the base.

In einigen Ausführungsformen sind die geometrischen Strukturen Oberflächenstörungen auf dem Deckglas.In some embodiments, the geometric structures are surface disturbances on the cover glass.

In einigen Ausführungsformen ist das Glas ein Cer-Borsilikatglas, das dotiert ist.In some embodiments, the glass is a cerium borosilicate glass that is doped.

In einigen Ausführungsformen beträgt die Dicke des Glaskörpers etwa 150 µm.In some embodiments, the thickness of the glass body is about 150 µm.

In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren bereit, umfassend: Bereitstellen einer Solarzelle; Bereitstellen eines aus Glas bestehenden Körpers, der eine obere Oberfläche, die dazu konfiguriert ist, Sonnenstrahlung aufzunehmen, und eine untere Oberfläche umfasst, die dazu konfiguriert ist, über der Solarzelle angeordnet zu werden; und Laserätzen der oberen Oberfläche des Glases, um eine Anordnung geometrischer Strukturen zu bilden, die nebeneinander an der oberen Oberfläche des Körpers angeordnet sind, wobei jede geometrische Struktur eine Basis und einen Scheitel beinhaltet und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen zwischen den geometrischen Strukturen bildet, wobei die geometrischen Strukturen derart bemessen und geformt sind, dass sie den Emissionsgrad von Infrarotstrahlung von der Solarzelle durch den Körper in einem Wellenlängenbereich von 5 bis 50 µm von der Solarzelle in die angrenzende Umgebung erhöhen (oder gleichermaßen deren Reflexionsgrad senken) (da das Glas über 5 bis 50 µm für IR sehr undurchlässig ist, ermöglicht die Wärmeleitung der Wärme der Solarzelle, das Glas und die Glasoberfläche zu erwärmen, und die Oberfläche des Deckglases gibt Strahlung an den kalten Raum ab.In another aspect, the present disclosure provides a method comprising: providing a solar cell; providing a body made of glass having a top surface configured to receive solar radiation and a bottom surface configured to be disposed over the solar cell; and laser etching the top surface of the glass to form an array of geometric structures disposed side by side on the top surface of the body, each geometric structure including a base and a vertex and forming a plurality of vias between the geometric structures, the geometric structures being sized and shaped to increase (or equivalently decrease) the emissivity of infrared radiation from the solar cell through the body in a wavelength range of 5 to 50 µm from the solar cell to the adjacent environment (since the glass is very opaque to IR above 5 to 50 µm, conduction of heat allows the solar cell to heat the glass and the glass surface, and the surface of the cover glass emits radiation to the cold space.

In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Deckglas zum Platzieren über der oberen Oberfläche einer Solarzelle bereit, umfassend: einen aus Glas bestehenden Körper, der neben der Solarzelle angeordnet ist; und eine Anordnung geometrischer Strukturen, die auf der lichtempfangenden oder oberen Oberfläche des Körpers angeordnet sind, wobei die Strukturen jeweils eine Basis und einen Scheitel beinhalten und nebeneinander angeordnet sind und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen an der oberen Oberfläche des Körpers bilden, die derart bemessen und geformt sind, dass sie einfallendes Licht im Wellenlängenbereich von 5 bis 50 µm wirksam absorbieren und erneut abführen, um den Brechungsindex zu ändern und dadurch den IR-Emissionsgrad zu erhöhen und den IR-Reflexionsgrad der oberen Oberfläche des Körpers zu verringern und dadurch die Wärmespeicherung im Körper, die durch die Strahlungsübertragung von in der Solarzelle während ihrer Beleuchtung und ihres Betriebs erzeugte Wärme verursacht wird, zu reduzieren.In another aspect, the present disclosure provides a cover glass for placement over the top surface of a solar cell, comprising: a glass body disposed adjacent to the solar cell; and an array of geometric structures disposed on the light-receiving or top surface of the body, the structures each including a base and a vertex and disposed adjacent to one another and forming a plurality of vias on the top surface of the body sized and shaped to effectively absorb and re-expel incident light in the wavelength range of 5 to 50 µm to change the refractive index and thereby increase the IR emissivity and decrease the IR reflectivity of the top surface of the body and thereby reduce heat storage in the body caused by radiative transfer of heat generated in the solar cell during its illumination and operation.

In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Fertigen eines Deckglases zum Bonden über der oberen Oberfläche einer Einfach- oder Mehrfachsolarzelle bereit, umfassend: Bereitstellen eines aus Glas bestehenden Körpers; Laserätzen einer Anordnung geometrischer Strukturen mit einer Basisbreite zwischen 5 bis 50 µm, die auf der lichtempfangenden oder oberen Oberfläche des Körpers angeordnet sind, wobei die Strukturen jeweils eine Basis und einen Scheitel beinhalten und nebeneinander angeordnet sind und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen an der oberen Oberfläche des Körpers bilden; und Bonden des Glaskörpers mit der oberen Oberfläche der Einfach- oder Mehrfachsolarzelle.In another aspect, the present disclosure provides a method of fabricating a cover glass for bonding over the top surface of a single or multi-junction solar cell, comprising: providing a body made of glass; laser etching an array of geometric structures having a base width between 5 to 50 µm disposed on the light receiving or top surface of the body, the structures each including a base and a vertex and disposed side by side forming a plurality of vias on the top surface of the body; and bonding the glass body to the top surface of the single or multi-junction solar cell.

In einigen Ausführungsformen ist die Solarzelle eine III-V-Verbindungshalbleiter-Mehrfachsolarzelle.In some embodiments, the solar cell is a III-V compound semiconductor multi-junction solar cell.

In einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung können weniger der Aspekte und Merkmale enthalten oder implementieren, die in den vorstehenden Objekten erwähnt sind.In some implementations of the present disclosure, fewer of the aspects and features mentioned in the foregoing objects may be included or implemented.

In einem weiteren Aspekt wird ein Deckglas zum Anordnen über einer Solarzelle bereitgestellt, das einen Glaskörper umfasst, der eine obere Oberfläche, die dazu konfiguriert ist, bestrahlt zu werden, und eine untere Oberfläche aufweist, die dazu konfiguriert ist, über der Solarzelle angeordnet zu werden. Die obere Oberfläche des Deckglases umfasst eine Anordnung geometrischer Strukturen, die eine Basis und einen Scheitel aufweisen, und gegebenenfalls eine Anordnung von identischen geometrischen Strukturen, wobei die geometrischen Strukturen einem oder mehreren der Folgenden entsprechen:

- eine Breite der Basis beträgt 5 bis 50 µm, insbesondere 5 bis 30 µm
- ein Abstand zwischen der Basis und dem Scheitel beträgt 5 bis 500 µm, insbesondere 15 bis 300 µm und insbesondere 100 bis 300 µm
- ein Teilungsabstand der geometrischen Strukturen beträgt 5 bis 50 µm
- eine einzige Oberfläche oder zwei Oberflächen verbinden die Basis mit dem Scheitel
- die Basis ist ein regelmäßiges Polygon oder ein regelmäßiger Kreis.

In another aspect, a cover glass for placement over a solar cell is provided, comprising a glass body having an upper surface configured to be irradiated and a lower surface configured to be placed over the solar cell. The upper surface of the cover glass comprises an array of geometric structures having a base and a vertex, and optionally an array of identical geometric structures, the geometric structures corresponding to one or more of the following:

- a width of the base is 5 to 50 µm, in particular 5 to 30 µm
- a distance between the base and the apex is 5 to 500 µm, in particular 15 to 300 µm and in particular 100 to 300 µm
- a pitch of the geometric structures is 5 to 50 µm
- a single surface or two surfaces connect the base to the vertex
- the base is a regular polygon or a regular circle.

Größe und Form der geometrischen Strukturen bestimmen Größe und Form der hierin kommentierten Durchkontaktierungen.The size and shape of the geometric structures determine the size and shape of the vias commented on here.

Zusätzliche Aspekte, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden Fachleuten aus dieser Offenbarung, einschließlich der folgenden detaillierten Beschreibung, sowie durch die Anwendung der Offenbarung ersichtlich. Während die Offenbarung nachstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass die Offenbarung nicht darauf beschränkt ist. Durchschnittsfachleute mit Zugang zu den Lehren hierin werden zusätzliche Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsformen auf anderen Gebieten erkennen, die innerhalb des Umfangs der Offenbarung liegen, wie sie hierin offenbart und beansprucht wird, und in Bezug auf die die Offenbarung von Nutzen sein könnte.Additional aspects, advantages, and novel features of the present disclosure will become apparent to those skilled in the art from this disclosure, including the following detailed description, as well as from practice of the disclosure. While the disclosure is described below with reference to preferred embodiments, it is to be understood that the disclosure is not limited thereto. Those of ordinary skill in the art having access to the teachings herein will recognize additional applications, modifications, and embodiments in other fields that are within the scope of the disclosure as disclosed and claimed herein and with respect to which the disclosure may be of use.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser und umfassender verständlich, wobei:

1 ein CIC mit zwei Solarzellenmosaikabschnitten gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
die 2A, 2B und 2C stark vereinfachte Querschnittsansichten des oberen Oberflächenabschnitts einer Vielzahl unterschiedlicher Deckgläser mit Oberflächenbehandlungen oder -strukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung sind;
3 ein Graph ist, der den Reflexionsgrad der Oberfläche eines Deckglases darstellt, das die Zusammensetzung jener aufweist, die bei der Fertigung eines CIC verwendet werden;
4A eine Anordnung von Kegeln in einer Ausführungsform der geometrischen Struktur veranschaulicht, die auf dem Deckglas gemäß der vorliegenden Offenbarung implementiert ist;
4B eine Anordnung von Pyramiden auf der Oberfläche gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
5A ein Graph ist, der Folgendes zeigt: (i) die Temperaturänderung eines Deckglases als Funktion des hemisphärischen Emissionsgrades durch die obere Oberfläche des Deckglases und (ii) den entsprechenden Solarzellenwirkungsgrad für eine typische montierte Dreifachsolarzelle in einem CIC, wobei das Deckglas die auf der x-Achse gezeigten hemisphärischen Emissionsgrade aufweist und die entsprechende Temperatur der CIC-Baugruppe auf der y-Achse gezeigt wird, und
5B ein Graph ähnlich dem von 5A ist, jedoch kalibriert in Bezug auf die Temperatur eines CIC im Betrieb auf einer GEO-Umlaufbahn.

The disclosure will be better and more fully understood by reference to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:

1 shows a CIC with two solar cell mosaic sections according to the present disclosure;
the 2A , 2B and 2C are highly simplified cross-sectional views of the upper surface portion of a variety of different coverslips having surface treatments or structures in accordance with the present disclosure;
3 is a graph representing the reflectance of the surface of a cover glass having the composition of those used in the manufacture of a CIC;
4A illustrates an arrangement of cones in one embodiment of the geometric structure implemented on the cover glass according to the present disclosure;
4B illustrates an arrangement of pyramids on the surface according to the present disclosure;
5A is a graph showing (i) the temperature change of a cover glass as a function of the hemispherical emissivity through the top surface of the cover glass and (ii) the corresponding solar cell efficiency for a typical assembled triple junction solar cell in a CIC, with the cover glass having the hemispherical emissivities shown on the x-axis and the corresponding temperature of the CIC assembly shown on the y-axis, and
5B a graph similar to that of 5A but calibrated with respect to the temperature of a CIC operating on a GEO orbit.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

Details der vorliegenden Offenbarung werden nun beschrieben, einschließlich beispielhafter Aspekte und Ausführungsformen davon. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die folgende Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen dazu verwendet, gleiche oder funktional ähnliche Elemente zu identifizieren, und sollen Merkmale beispielhafter Ausführungsformen in stark vereinfachter diagrammartiger Weise veranschaulichen. Darüber hinaus sollen die Zeichnungen weder alle Merkmale der tatsächlichen Ausführungsform noch die relativen Abmessungen der abgebildeten Elemente darstellen und sind nicht maßstabsgetreu.Details of the present disclosure will now be described, including exemplary aspects and embodiments thereof. Referring to the drawings and the following description, like reference numerals are used to identify like or functionally similar elements and are intended to illustrate features of exemplary embodiments in a highly simplified diagrammatic manner. Furthermore, the drawings are not intended to depict all features of the actual embodiment, nor the relative dimensions of the elements depicted, and are not to scale.

Die Bezugnahme in dieser Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Somit bezieht sich das Vorkommen des Ausdrucks „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise immer auf dieselbe Ausführungsform. Die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“ und „in einigen Ausführungsformen“ sowie „in einigen Beispielen“ werden hierin synonym verwendet. Darüber hinaus können die bestimmten Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen auf beliebige Weise kombiniert werden.Reference in this specification to "an embodiment" means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the present disclosure. Thus, appearances of the phrase "in an embodiment" in various places in this specification are not necessarily all referring to the same embodiment. The phrases "in an embodiment" and "in some embodiments," as well as "in some examples," are used interchangeably herein. Moreover, the particular features, structures, or characteristics may be combined in any manner in one or more embodiments.

1 zeigt ein CIC 100 mit zwei Solarzellenmosaikabschnitten 101/105 und 102/105 mit einem Klebstoff 104 an der oberen Oberfläche, der mit Deckglas 103 gebondet ist. In einigen Ausführungsformen kann eine einzelne Solarzelle unter dem Deckglas 103 angeordnet sein, und in anderen Ausführungsformen kann eine Vielzahl von Solarzellenmosaikabschnitten unter dem einzelnen Deckglas 103 positioniert, ausgerichtet und angeordnet sein. 1 shows a CIC 100 having two solar cell mosaic sections 101/105 and 102/105 with an adhesive 104 on the top surface bonded to cover glass 103. In some embodiments, a single solar cell may be disposed beneath cover glass 103, and in other embodiments, a plurality of solar cell mosaic sections may be positioned, aligned, and arranged beneath the single cover glass 103.

Die Legende auf der unteren rechten Seite von 1 zeigt eine stark vergrößerte obere Oberflächenansicht des Deckglases 103, die eine Anordnung geometrischer Strukturen 107 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Obwohl die speziell dargestellte Ausführungsform eine konische Struktur ist, kann die geometrische Struktur eine Pyramide mit beliebiger polygonalen Basis, wie etwa quadratisch oder sechseckig, oder jede andere säulenartige Struktur mit einer Basis 108 und einem Scheitel 109 sein, wobei der Durchmesser der Struktur von der Basis zum Scheitel entweder kontinuierlich oder schrittweise in einem oder mehreren Schritten zu einer anderen Neigung abnimmt. Beispiele für andere Ausführungsformen der geometrischen Struktur zeigen unten stehend die 4A und 4B. Die vorhergehende Offenbarung ist nicht auf die gezeigte spezifische Struktur beschränkt, sondern kann jede beliebige Struktur sein, die die Änderung des herkömmlich bezeichneten Brechungsindex bereitstellt.The legend on the lower right side of 1 shows a highly magnified top surface view of the cover glass 103 illustrating an arrangement of geometric structures 107 according to an example of the present disclosure. Although the specific embodiment shown shape is a conical structure, the geometric structure may be a pyramid with any polygonal base, such as square or hexagonal, or any other columnar structure with a base 108 and a vertex 109, wherein the diameter of the structure decreases from the base to the vertex either continuously or gradually in one or more steps to a different inclination. Examples of other embodiments of the geometric structure are shown below. 4A and 4B . The foregoing disclosure is not limited to the specific structure shown, but may be any structure that provides the change in the conventionally designated refractive index.

Obwohl in der dargestellten Ausführungsform alle geometrischen Strukturen in der Anordnung in Größe und Form identisch sind, kann in anderen Ausführungsformen die Form unterschiedlich sein, die Größe unterschiedlich sein oder sowohl die Größe als auch die Form sich von den verschiedenen Strukturen innerhalb der Anordnung unterscheiden.Although in the illustrated embodiment all geometric structures in the array are identical in size and shape, in other embodiments the shape may be different, the size may be different, or both the size and shape may be different for the various structures within the array.

In einigen Ausführungsformen kann die Breite der Basis im ungefähren Bereich von 5 bis 50 µm liegen. Das Verhältnis der Breite der Basis zur Höhe kann von 1:1 bis 1:6 reichen, sodass dementsprechend die Höhe jeder der geometrischen Strukturen im Bereich von 5 bis 300 µm liegen kann. Die Höhe der geometrischen Strukturen kann hierin als ein Abstand zwischen einer Basis der geometrischen Struktur und ihrem Scheitel definiert werden.In some embodiments, the width of the base may be in the approximate range of 5 to 50 µm. The ratio of the width of the base to the height may range from 1:1 to 1:6, so accordingly, the height of each of the geometric structures may be in the range of 5 to 300 µm. The height of the geometric structures may be defined herein as a distance between a base of the geometric structure and its apex.

In einer Ausführungsform beträgt die Breite der Basis ungefähr 20 µm und beträgt das Verhältnis der Breite der Basis zur Höhe 1:3. In anderen Ausführungsformen kann die Breite der Basis 10 µm, 15 µm, 25 µm oder 30 µm betragen.In one embodiment, the width of the base is approximately 20 µm and the ratio of the width of the base to the height is 1:3. In other embodiments, the width of the base may be 10 µm, 15 µm, 25 µm, or 30 µm.

Der Scheitel jeder der geometrischen Strukturen kann ein Punkt oder eine kleine flache Oberfläche sein. Die Strukturfläche der flachen Oberfläche kann 2 %, 5 % oder 7 % der Fläche der Basis oder irgendein Wert zwischen 0 % und 10 % sein.The vertex of each of the geometric structures can be a point or a small flat surface. The structure area of the flat surface can be 2%, 5% or 7% of the area of the base or any value between 0% and 10%.

Die 2A, 2B und 2C sind stark vereinfachte Querschnittsansichten des oberen Oberflächenabschnitts einer Vielzahl unterschiedlicher Deckgläser, um den Reflexionsgrad der oberen Oberfläche zu veranschaulichen, wenn IR-Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen emittiert wird, die sich aus der Innentemperatur des Deckglases ergeben. Wie vorstehend erwähnt, erzeugen die einzelnen Solarzellen, wenn die CIC-Baugruppe in einem Fotovoltaikmodul im Weltraum eingesetzt und durch das einfallende Sonnenlicht beleuchtet wird, Wärme als Nebenprodukt, da sie bei der Umwandlung von Photonen in Elektrizität zu weniger als 100 % effizient sind. Die erzeugte Wärme führt dazu, dass die Solarzelle typischerweise eine Betriebstemperatur bei Einsatz in einer erdnahen Umlaufbahn („low earth orbit“, LEO) zwischen 200 und 1000 km von der Erdoberfläche zwischen 50 und 70 °C und bei Einsatz in einer geostationären Umlaufbahn (GEO) etwa 36.000 km von der Erdoberfläche entfernt.zwischen 30 und 40 °C erreicht. Die erzeugte Wärme wird leitend auf das über der oberen Oberfläche der Solarzelle angebrachte gebundene Deckglas übertragen, und die Temperatur des Deckglases steigt entsprechend an und wird durch Strahlung auf die angrenzende Weltraumumgebung übertragen.The 2A , 2B and 2C are highly simplified cross-sectional views of the top surface portion of a variety of different cover glasses to illustrate the reflectivity of the top surface when emitting IR radiation of different wavelengths resulting from the internal temperature of the cover glass. As mentioned above, when the CIC assembly is deployed in a photovoltaic module in space and illuminated by the incoming sunlight, the individual solar cells generate heat as a byproduct because they are less than 100% efficient at converting photons to electricity. The heat generated causes the solar cell to typically reach an operating temperature of between 50 and 70 °C when deployed in low earth orbit (LEO) between 200 and 1000 km from the earth's surface, and between 30 and 40 °C when deployed in geostationary orbit (GEO) approximately 36,000 km from the earth's surface. The generated heat is conductively transferred to the bonded cover glass mounted above the top surface of the solar cell, and the temperature of the cover glass rises accordingly and is transferred by radiation to the adjacent space environment.

An dieser Stelle ist ein Verständnis der Schwarzkörper-IR-Strahlung in einem breiten Spektrum und der Wirkung von Oberflächenmerkmalen (oder deren Fehlen) des Deckglases erforderlich. 2A veranschaulicht den Reflexionsgrad der oberen Oberfläche eines Deckglases bei drei verschiedenen IR-Spektralwellenlängen.At this point, an understanding of broad-spectrum blackbody IR radiation and the effect of surface features (or lack thereof) of the cover glass is required. 2A illustrates the reflectance of the upper surface of a cover glass at three different IR spectral wavelengths.

Die dem Bezugszeichen 201 zugeordneten Pfeile zeigen die Transmission einer gewissen IR-Strahlung durch die Oberfläche des Deckglases und die Reflexion eines Teils dieser IR-Strahlung zurück in das Glas. Die Länge der Pfeile in dieser und den folgenden Abbildungen stellt die Größe der zugehörigen Strahlung in stark vereinfachter und diagrammartiger Weise dar. In dem durch den Pfeil in 201 dargestellten Beispiel beträgt die Strahlungswellenlänge etwa 9 µm. Der numerische Wert der Wellenlänge, der ausgewählt wird, um die Transmission von Strahlung darzustellen, dient lediglich der Veranschaulichung. Das Bezugszeichen 202 zeigt die Strahlungsübertragung und den Reflexionsgrad in Verbindung mit Strahlung mit einer Wellenlänge von z. B. ungefähr 15 µm. Im Vergleich zu 201 ist ersichtlich, dass der Reflexionsgrad an der Oberfläche viel geringer ist als jene von 201 und daher eine größere Menge an IR-Strahlung und damit Wärme in den Weltraum übertragen/emittiert wird.The arrows associated with reference numeral 201 show the transmission of some IR radiation through the surface of the cover glass and the reflection of some of this IR radiation back into the glass. The length of the arrows in this and the following figures represents the magnitude of the associated radiation in a highly simplified and diagrammatic manner. In the example represented by the arrow in 201, the radiation wavelength is about 9 µm. The numerical value of the wavelength chosen to represent the transmission of radiation is for illustrative purposes only. Reference numeral 202 shows the radiation transmission and reflectance associated with radiation having a wavelength of, for example, about 15 µm. In comparison to 201, it can be seen that the reflectance at the surface is much lower than that of 201 and therefore a larger amount of IR radiation and hence heat is transmitted/emitted into space.

Wie oben erwähnt, steht der Wirkungsgrad einer Solarzelle in direktem Zusammenhang mit ihrer Betriebstemperatur. Je niedriger die Betriebstemperatur, desto höher der Wirkungsgrad. Da, wie in den Beispielen von 201, 202 und 203 angegeben, IR-Strahlungswellenlänge, variiert der Reflexionsgrad des Glases empirisch in Abhängigkeit von der einfallenden Wellenlänge der Strahlung aufgrund der inhärenten Zusammensetzungsmerkmale des Glases, die typischerweise in Weltraumanwendungen verwendet werden. Die Aufmerksamkeit des Anmelders wurde daher darauf gerichtet, die Wirkung von Oberflächenmerkmalen des Deckglases zu untersuchen, die den Reflexionsgrad bei spezifischen identifizierten Wellenlängen ändern, daher die Menge an IR-Strahlung, die diesen Wellenlängen zugeordnet ist, erhöhen und dementsprechend die Betriebstemperatur des CIC verringern können, indem sie einen höheren Wärmestrahlungstransfer zulassen.As mentioned above, the efficiency of a solar cell is directly related to its operating temperature. The lower the operating temperature, the higher the efficiency. Since, as indicated in Examples 201, 202 and 203, IR radiation wavelength, the reflectance of the glass varies empirically depending on the incident wavelength of radiation due to the inherent compositional characteristics of the glass typically used in space applications. Applicant's attention was therefore directed to investigating the effect of surface features of the cover glass that alter the reflectance at specific identified wavelengths, therefore increasing the amount of IR radiation associated with those wavelengths and accordingly increasing the operating temperature temperature of the CIC by allowing a higher thermal radiation transfer.

Eine Vielzahl geometrischer Strukturen, die auf der Oberfläche des Deckglases implementiert sind, können den IR-Reflexionsgrad an der Oberfläche beeinflussen, wie in den stark vereinfachten Beispielen der 2B und 2C veranschaulicht ist, die in 2B einen einfachen Kegel und in 2C einen zweistufigen Kegel mit ebenen Oberflächen in unterschiedlichen Winkeln oder Neigungen in Bezug auf die Basis veranschaulichen.A variety of geometric structures implemented on the surface of the cover glass can influence the IR reflectance at the surface, as shown in the highly simplified examples of 2B and 2C illustrated in 2B a simple cone and in 2C illustrate a two-stage cone with flat surfaces at different angles or inclinations with respect to the base.

Eine Untersuchung der Länge der in 2B und 2C dargestellten Pfeile veranschaulicht den Effekt des Reflexionsgrades (und der entsprechenden Durchlässigkeit der Oberfläche), der über das betrachtete Wellenlängenspektrum relativ gleichförmig ist. Numerisch kann anstelle eines IR-Reflexionsgrades von 30 %, 40 %, 50 % oder mehr, abhängig von der Wellenlänge, der IR-Reflexionsgrad durch die Oberfläche des Deckglases auf nahezu 0 % reduziert werden, wie nachfolgend in 3 veranschaulicht wird.An investigation into the length of the 2B and 2C The arrows shown illustrate the effect of the reflectance (and corresponding transmittance of the surface), which is relatively uniform over the wavelength spectrum considered. Numerically, instead of an IR reflectance of 30%, 40%, 50% or more, depending on the wavelength, the IR reflectance through the surface of the cover glass can be reduced to almost 0%, as shown below in 3 is illustrated.

Eines der charakteristischen Merkmale der geometrischen Strukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass die Abmessungen der verschiedenen Strukturen, einschließlich des Teilungsabstands zwischen einzelnen Strukturelementen oder der Tiefe der die Strukturelemente trennenden Durchkontaktierungen, numerisch ungefähr dem Wellenlängenwert der betreffenden IR-Strahlung entsprechen.One of the characteristic features of the geometric structures according to the present disclosure is that the dimensions of the various structures, including the pitch between individual structure elements or the depth of the vias separating the structure elements, numerically correspond approximately to the wavelength value of the IR radiation in question.

3 ist ein Graph, der den Reflexionsgrad der Oberfläche eines Deckglases mit jener Zusammensetzung zeigt, die bei der Fertigung eines für Weltraumanwendungen verwendeten CIC verwendet wird, sobald ein für IR-Strahlung typisches breites Wellenlängenspektrum von 5 bis 50 µm durch das Glas geleitet und an die äußere Umgebung emittiert wird. Die erste Kurve 300 stellt den IR-Reflexionsgrad eines flachen, ebenen Deckglases dar, wie es derzeit handelsüblich für CIC in Weltraumanwendungen verwendet wird. Auffallend sind die Peaks 301 und 302 mit einem hohen IR-Reflexionsgrad von über 40 %, die um eine Wellenlänge von 9 µm und 22 µm herum zentriert sind. Die zweite Kurve 305 stellt den IR-Reflexionsgrad eines Deckglases mit der gleichen Zusammensetzung, aber mit einer Anordnung geometrischer Strukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung an der oberen Oberfläche des Deckglases implementiert dar. Auffallend ist der wesentlich geringere IR-Reflexionsgrad über den gesamten breiten Wellenlängenbereich. 3 is a graph showing the reflectance of the surface of a cover glass having the composition used in the manufacture of a CIC used for space applications when a broad wavelength spectrum of 5 to 50 µm typical of IR radiation is passed through the glass and emitted to the external environment. The first curve 300 represents the IR reflectance of a flat, planar cover glass as is currently commercially used for CIC in space applications. Notable are the peaks 301 and 302 with a high IR reflectance of over 40%, which are centered around a wavelength of 9 µm and 22 µm. The second curve 305 represents the IR reflectance of a cover glass having the same composition but with an arrangement of geometric structures according to the present disclosure implemented on the upper surface of the cover glass. Notable is the significantly lower IR reflectance over the entire broad wavelength range.

Durch Anwenden von Anordnungen geometrischer Strukturen gemäß dem Beispiel oder den Prinzipien, die hier diskutiert werden, kann der IR-Reflexionsgrad eines Glases bei einer Wellenlänge von ungefähr 9 µm von mehr als 50 % (für ein flaches Glas) auf weniger als 10 % (für ein Glas mit den geometrischen Strukturen) reduziert werden. In Beispielen kann der IR-Reflexionsgrad eines flachen Glases bei einer Wellenlänge von ungefähr 22 µm über 40 % liegen und der IR-Reflexionsgrad eines Glases mit der Anordnung geometrischer Struktur weniger als 10 % betragen.By applying arrangements of geometric structures according to the example or principles discussed herein, the IR reflectance of a glass at a wavelength of about 9 µm can be reduced from more than 50% (for a flat glass) to less than 10% (for a glass with the geometric structures). In examples, the IR reflectance of a flat glass at a wavelength of about 22 µm can be more than 40% and the IR reflectance of a glass with the arrangement of geometric structures can be less than 10%.

4A veranschaulicht eine Anordnung von Kegeln 401 an der geometrischen Struktur, die an der Oberfläche des Deckglases implementiert ist, und 4B eine Anordnung von Pyramiden 403 an der Oberfläche gemäß der vorliegenden Offenbarung. In Beispielen kann ein Durchmesser der Kegel 401 in einem Bereich von 5 bis 50 µm und insbesondere in einem Bereich von 5 bis 30 µm liegen. In Beispielen kann eine Breite der Pyramiden 403 in einem Bereich von 5 bis 50 µm und insbesondere in einem Bereich von 5 bis 50 µm liegen. In Beispielen kann eine Höhe der Kegel 401 oder Pyramiden 403 in einem Bereich von 5 bis 300 µm und insbesondere in einem Bereich von 15 bis 150 µm liegen. 4A illustrates an arrangement of cones 401 on the geometric structure implemented on the surface of the cover glass, and 4B an arrangement of pyramids 403 on the surface according to the present disclosure. In examples, a diameter of the cones 401 may be in a range of 5 to 50 µm, and in particular in a range of 5 to 30 µm. In examples, a width of the pyramids 403 may be in a range of 5 to 50 µm, and in particular in a range of 5 to 50 µm. In examples, a height of the cones 401 or pyramids 403 may be in a range of 5 to 300 µm, and in particular in a range of 15 to 150 µm.

In einigen Beispielen kann die Anordnung geometrischer Strukturen unter Einsatz von Laserätzen der oberen Oberfläche des Glaskörpers erzeugt werden.In some examples, the arrangement of geometric structures can be created using laser etching of the upper surface of the glass body.

In Beispielen wird ein Deckglas bereitgestellt, bei dem die Erhöhung der IR-Durchlässigkeit zu einer Betriebstemperaturabnahme von über 5 °C bis 7 °C und dadurch zu einer Erhöhung des Solarzellenwirkungsgrades von mindestens 0,5 % führt.In examples, a cover glass is provided in which the increase in IR transmittance results in an operating temperature decrease of over 5 °C to 7 °C and thereby an increase in solar cell efficiency of at least 0.5 %.

5A ist ein Graph, der Folgendes zeigt: (i) die Temperaturänderung eines Deckglases als Funktion des hemisphärischen Emissionsgrades durch die obere Oberfläche des Deckglases und (ii) den entsprechenden Solarzellenwirkungsgrad für eine typische montierte Dreifachsolarzelle in einem CIC, wobei das Deckglas die auf der x-Achse gezeigten hemisphärischen Emissionsgrade aufweist und die entsprechende Temperatur der CIC-Baugruppe auf der y-Achse gezeigt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Möglichkeit, die Temperatur von 77 °C auf 68 °C zu senken (in Verbindung mit einer 1000 km langen LEO-Umlaufbahn), zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads von 26,2 % auf 26,9 % führt. 5A is a graph showing (i) the temperature change of a cover glass as a function of the hemispherical emissivity through the top surface of the cover glass and (ii) the corresponding solar cell efficiency for a typical assembled triple junction solar cell in a CIC, where the cover glass has the hemispherical emissivities shown on the x-axis and the corresponding temperature of the CIC assembly is shown on the y-axis. Note that the ability to reduce the temperature from 77 °C to 68 °C (in conjunction with a 1000 km LEO orbit) results in an efficiency improvement from 26.2% to 26.9%.

5B ist ein Graph ähnlich dem von 5A, jedoch kalibriert in Bezug auf die Temperatur eines CIC auf einer GEO-Umlaufbahn, dargestellt auf der y-Achse von 30 bis 39 °C. Die entsprechende Fähigkeit des Deckglases gemäß der vorliegenden Offenbarung, die Temperatur von 39 °C auf 31 °C zu senken, führt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads von 29,2 % auf 29,8 %. 5B is a graph similar to that of 5A , but calibrated with respect to the temperature of a CIC on a GEO orbit, shown on the y-axis from 30 to 39 °C. The corresponding ability of the cover glass according to the present disclosure to reduce the temperature from 39 °C to 31 °C results in an improvement in efficiency from 29.2% to 29.8%.

Die Durchkontaktierungen halten auch das sichtbare Reflexionsgrad des Glases von 300 bis 2000 nm aufrecht oder verringern es sogar. Beim Auferlegen der IR-Durchlässigkeit des Glases zum Bereitstellen einer Wärmereduktion wird das Glas vorzugsweise nicht derart beeinflusst, dass das einfallende Sonnenlicht im Bereich des sichtbaren Lichts erheblich behindert wird, da dieses Licht durch das Glas hindurchgeht, um die Solarzelle zu erreichen.The vias also maintain or even reduce the visible reflectance of the glass from 300 to 2000 nm. In imposing IR transmission on the glass to provide heat reduction, the glass is preferably not affected in a way that significantly impedes incident sunlight in the visible light range as this light passes through the glass to reach the solar cell.

Es versteht sich, dass jedes der oben beschriebenen Elemente oder zwei oder mehr zusammen auch eine nützliche Anwendung in anderen Arten von Strukturen oder Konstruktionen finden kann, die sich von den oben beschriebenen Arten von Strukturen oder Konstruktionen unterscheiden.It will be understood that any of the elements described above, or two or more together, may also find useful application in other types of structures or constructions that are different from the types of structures or constructions described above.

Die Terminologie, die in dieser Offenbarung verwendet wird, dient nur dem Zweck, bestimmte identifizierte Ausführungsformen zu beschreiben, und ist nicht dazu gedacht, verschiedene Beispiele oder Ausführungsformen einzuschränken.The terminology used in this disclosure is for the purpose of describing particular identified embodiments only and is not intended to limit various examples or embodiments.

In den Zeichnungen können die Position, der relative Abstand, die Längen, Breiten und Dicken von Trägern, Substraten, Schichten, Bereichen, Filmen usw. zur Vereinfachung oder Klarheit der Darstellung übertrieben dargestellt sein. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in der gesamten Beschreibung jeweils gleiche Elemente. Es versteht sich, dass, wenn ein Element wie etwa eine Elementschicht, ein Film, ein Bereich oder ein Merkmal als „auf“ einem anderen Element befindlich bezeichnet wird, es direkt auf dem anderen Element angeordnet sein kann oder dass auch das Vorhandensein von dazwischenliegenden Elementen möglich sein kann. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt auf“ einem anderen Element angeordnet bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden.In the drawings, the position, relative spacing, lengths, widths, and thicknesses of supports, substrates, layers, regions, films, etc. may be exaggerated for simplicity or clarity of illustration. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification. It is to be understood that when an element, such as an element layer, film, region, or feature, is referred to as being "on" another element, it may be disposed directly on the other element, or the presence of intervening elements may also be possible. In contrast, when an element is referred to as being "directly on" another element, no intervening elements are present.

Darüber hinaus werden Fachleute erkennen, dass Grenzen und Abstände zwischen den oben beschriebenen Einheiten/Operationen lediglich veranschaulichend sind. Die mehreren Einheiten/Operationen können zu einer einzigen Einheit/Operation kombiniert werden, eine einzelne Einheit/Operation kann in zusätzliche Einheiten/Operationen unterteilt werden und Einheiten/Operationen können zumindest teilweise zeitlich überlappend betrieben werden. Darüber hinaus können alternative Ausführungsformen mehrere Instanzen einer bestimmten Einheit/Operation umfassen und kann die Reihenfolge der Operationen in verschiedenen anderen Ausführungsformen geändert werden.Furthermore, those skilled in the art will appreciate that boundaries and spacing between the units/operations described above are merely illustrative. The multiple units/operations may be combined into a single unit/operation, a single unit/operation may be divided into additional units/operations, and units/operations may be operated at least partially overlapping in time. Furthermore, alternative embodiments may include multiple instances of a particular unit/operation, and the order of operations may be changed in various other embodiments.

Die Begriffe „im Wesentlichen“, „ungefähr“, „etwa“ oder jeder andere ähnliche Ausdruck, der sich auf einen bestimmten parametrischen numerischen Wert bezieht, ist derart definiert, dass er dem Wert nahe kommt, wie er von einem Durchschnittsfachmann im Kontext dieses Parameters verstanden wird, und in einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist der Term derart definiert, dass er innerhalb von 10 % dieses Werts liegt, in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 5 % dieses Werts, in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 1 % dieses Werts und in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 0,5 % dieses Wertes.The terms "substantially," "approximately," "about," or any other similar expression referring to a particular parametric numerical value is defined to approximate the value as understood by one of ordinary skill in the art in the context of that parameter, and in one non-limiting embodiment, the term is defined to be within 10% of that value, in another embodiment, within 5% of that value, in another embodiment, within 1% of that value, and in another embodiment, within 0.5% of that value.

Der Begriff „gekoppelt“, wie er hierin verwendet wird, ist als verbunden definiert, wenn auch nicht notwendigerweise direkt oder physikalisch angrenzend und nicht notwendigerweise strukturell oder mechanisch. Eine Vorrichtung oder Struktur, die auf eine bestimmte Weise „konfiguriert“ ist, ist zumindest auf diese beschriebene Weise angeordnet oder konfiguriert, kann aber auch auf nicht beschriebene oder dargestellte Weisen angeordnet oder konfiguriert sein.The term "coupled" as used herein is defined as connected, although not necessarily directly or physically adjacent, and not necessarily structurally or mechanically. A device or structure that is "configured" in a particular manner is arranged or configured at least in that described manner, but may also be arranged or configured in ways not described or illustrated.

Die Begriffe „vorne“, „hinten“, „seitlich“, „oben“, „unten“, „über“, „auf“, „über“, „unter“, „unterhalb“ und dergleichen in der Beschreibung und den Ansprüchen, falls vorhanden, werden zu beschreibenden Zwecken und nicht notwendigerweise zur Beschreibung dauerhafter relativer Positionen verwendet. Es versteht sich, dass die derart verwendeten Begriffe unter geeigneten Umständen austauschbar sind, sodass die hierin beschriebenen Ausführungsformen der Offenbarung beispielsweise in der Lage sind, in anderen Ausrichtungen als den veranschaulichten oder anderweitig hierin beschriebenen zu arbeiten. Wenn beispielsweise die Baugruppe in den Figuren umgedreht oder verkehrt wird, würden Elemente der Baugruppe, die als „unter“ oder „unterhalb von“ anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben sind, dann „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen ausgerichtet sein. Somit kann der beispielhafte Begriff „unter“ sowohl eine Orientierung nach oben als auch nach unten umfassen. Die Baugruppe kann anders orientiert sein (um eine Anzahl von Grad um eine Achse gedreht).The terms "front," "back," "side," "top," "bottom," "over," "on," "above," "above," "below," "below," and the like in the specification and claims, if any, are used for descriptive purposes and not necessarily to describe permanent relative positions. It is to be understood that the terms so used are interchangeable under appropriate circumstances, such that, for example, embodiments of the disclosure described herein are capable of operating in orientations other than those illustrated or otherwise described herein. For example, if the assembly in the figures is flipped or turned upside down, elements of the assembly described as "under" or "below" other elements or features would then be oriented "above" the other elements or features. Thus, the exemplary term "under" can encompass both an upward and downward orientation. The assembly can be oriented differently (rotated a number of degrees about an axis).

Die Begriffe „Vorderseite“ und „Rückseite“ beziehen sich auf die endgültige Anordnung des Panels, der integrierten Zellstruktur oder der einzelnen Solarzellen in Bezug auf die Beleuchtung bzw. den Lichteinfall.The terms “front” and “back” refer to the final arrangement of the panel, the integrated cell structure or the individual solar cells in relation to the illumination or light incidence.

In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ oder „aufweisend“ das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte als die in einem Anspruch aufgeführten nicht aus. Es versteht sich, dass die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „beinhaltet“ und „einschließlich“, wenn sie hierin verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Komponenten, Elemente, Merkmale, Schritte oder Operationen, Komponenten spezifizieren, aber das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Komponenten, Elemente, Merkmale, Schritte oder einer oder mehrerer anderer Operationen oder Kombinationen und Abwandlungen davon nicht ausschließen.In the claims, the word "comprising" or "having" does not exclude the presence of elements or steps other than those listed in a claim. It is understood that the terms "comprising,""comprising,""includes," and "including," when used herein, specify the presence of the recited components, elements, features, steps, or operations, components, but the presence or exclude the addition of one or more other components, elements, features, steps or one or more other operations or combinations and variations thereof.

Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie hierin verwendet, sind als eines oder mehr als eines definiert. Auch sollte die Verwendung von einleitenden Sätzen wie „mindestens einer“ und „einer oder mehrere“ in den Ansprüchen nicht dahingehend ausgelegt werden, dass die Einführung eines weiteren Anspruchselements durch die unbestimmten Artikel „ein“ oder „eine“ einen bestimmten Anspruch, der ein derart eingeleitetes Anspruchselement enthält, auf Offenbarungen beschränkt, die nur ein derartiges Element enthalten, selbst wenn der Anspruch die einleitenden Ausdrücke „ein oder mehrere“ oder „mindestens ein“ und unbestimmte Artikel wie „ein“ oder „eine“ beinhaltet. Gleiches gilt für die Verwendung bestimmter Artikel.The terms "a" or "an" as used herein are defined as one or more than one. Also, the use of introductory phrases such as "at least one" and "one or more" in the claims should not be construed to mean that the introduction of another claim element by the indefinite articles "a" or "an" limits a particular claim containing such an introductory claim element to disclosures containing only one such element, even if the claim includes the introductory phrases "one or more" or "at least one" and indefinite articles such as "a" or "an". The same applies to the use of definite articles.

Die vorliegende Offenbarung kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Soweit eine Abfolge von Schritten beschrieben wird, sollen die beschriebenen Reihenfolgen der Schritte für die Verfahren nur veranschaulichend sein, und die Schritte der Verfahren der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die vorstehend spezifisch beschriebenen Reihenfolgen beschränkt, sofern nicht anders angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung frei miteinander kombiniert werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen.The present disclosure may be carried out in various ways. To the extent that a sequence of steps is described, the described orders of steps for the methods are intended to be illustrative only, and the steps of the methods of the present disclosure are not limited to the orders specifically described above unless otherwise stated. It is to be understood that the embodiments of the present disclosure may be freely combined with one another without departing from the spirit and scope of the disclosure.

Obwohl einige spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung detailliert anhand von Beispielen demonstriert wurden, sollten Fachleute verstehen, dass die vorstehenden Beispiele nur der Veranschaulichung dienen, nicht aber den Schutzumfang und Gedanken der vorliegenden Offenbarung einschränken sollen. Die vorstehend genannten Ausführungsformen können modifiziert werden, ohne vom Schutzumfang und Gedanken der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, die durch die beigefügten Ansprüche zu definieren sind. Dementsprechend liegen andere Implementierungen innerhalb des Umfangs der Ansprüche.Although some specific embodiments of the present disclosure have been demonstrated in detail by way of example, those skilled in the art should understand that the foregoing examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope and spirit of the present disclosure. The foregoing embodiments may be modified without departing from the scope and spirit of the present disclosure, which are to be defined by the appended claims. Accordingly, other implementations are within the scope of the claims.

Obwohl beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung einen vertikalen Stapel einer bestimmten veranschaulichten Anzahl von Subzellen verwenden, können verschiedene Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung auf Stapel mit einer geringeren oder größeren Anzahl von Subzellen angewendet werden, d. h. zwei Übergangszellen, drei Übergangszellen, vier, fünf, sechs, sieben Übergangszellen usw.Although described embodiments of the present disclosure utilize a vertical stack of a certain illustrated number of subcells, various aspects and features of the present disclosure may be applied to stacks having a fewer or greater number of subcells, i.e., two transition cells, three transition cells, four, five, six, seven transition cells, etc.

Außerdem können die Subzellen, obwohl die offenbarten Ausführungsformen mit oberen und unteren elektrischen Kontakten konfiguriert sind, alternativ mittels Metallkontakten mit seitlich leitenden Halbleiterschichten zwischen den Subzellen kontaktiert werden. Derartige Anordnungen können dazu verwendet werden, Vorrichtungen mit 3 Anschlüssen, 4 Anschlüssen und, im Allgemeinen, n Anschlüssen zu bilden. Die Subzellen können unter Verwendung dieser zusätzlichen Anschlüsse in Schaltungen miteinander verbunden werden, sodass der größte Teil der verfügbaren lichterzeugten Stromdichte in jeder Subzelle effektiv genutzt werden kann, was zu einem hohen Wirkungsgrad für die Mehrfachzelle führt, ungeachtet dessen, dass die lichterzeugten Stromdichten in den verschiedenen Subzellen typischerweise unterschiedlich sind.In addition, although the disclosed embodiments are configured with top and bottom electrical contacts, the subcells may alternatively be contacted by metal contacts with laterally conductive semiconductor layers between the subcells. Such arrangements may be used to form 3-terminal, 4-terminal, and, generally, n-terminal devices. The subcells may be interconnected in circuits using these additional terminals so that most of the available light-generated current density in each subcell can be effectively utilized, resulting in high efficiency for the multi-cell, notwithstanding that the light-generated current densities in the various subcells are typically different.

Wie vorstehend erwähnt, kann die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Solarzelle eine Anordnung von einer oder mehreren oder allen Homoübergangszellen oder Subzellen verwenden, d. h. eine Zelle oder Subzelle, in der der pn-Übergang zwischen einem Halbleiter vom p-Typ und einem Halbleiter vom n-Typ gebildet ist, die beide die gleiche chemische Zusammensetzung und die gleiche Bandlücke aufweisen und sich nur in Typ und Spezies des Dotierungsmittels unterscheiden, und eine oder mehrere Heteroübergangszellen oder -Subzellen. Subzelle C mit InGaAs vom p-Typ und n-Typ ist ein Beispiel für eine Homoübergangssubzelle.As mentioned above, the solar cell described in the present disclosure may use an arrangement of one or more or all of homojunction cells or subcells, i.e., a cell or subcell in which the pn junction is formed between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, both of which have the same chemical composition and the same band gap and differ only in the type and species of dopant, and one or more heterojunction cells or subcells. Subcell C with p-type and n-type InGaAs is an example of a homojunction subcell.

Bei manchen Zellen kann zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht eine dünne sogenannte „intrinsische Schicht“ angeordnet sein, die die gleiche oder eine andere Zusammensetzung als entweder die Emitter- oder die Basisschicht aufweist. Die intrinsische Schicht kann dazu dienen, die Minoritätsträgerrekombination in der Raumladungsregion zu unterdrücken. Ebenso kann entweder die Basisschicht oder die Emitterschicht über einen Teil oder ihre gesamte Dicke intrinsisch oder nicht absichtlich dotiert sein („not-intentionally-doped“, NID).In some cells, a thin so-called "intrinsic layer" may be arranged between the emitter layer and the base layer, which may have the same or a different composition than either the emitter or base layer. The intrinsic layer may serve to suppress minority carrier recombination in the space charge region. Likewise, either the base layer or the emitter layer may be intrinsically or not-intentionally-doped (NID) over part or all of its thickness.

Die Zusammensetzung der Fenster- oder BSF-Schichten kann je nach Gitterkonstanten- und Bandlückenanforderungen auch andere Halbleiterverbindungen verwenden und kann AlInP, AlAs, AlP, AlGaInP, AlGaAsP, AlGaInAs, AlGaInPAs, GaInP, GaINaS, GaInPAs, AlGaAs, AlInAs, AlInPAs, GaAsSb, GaAsSb, AlInSb, GaInSb, AlGaInSb, AIN, GaN, InN, GaInN, AlGaInN, GaInNAs, AlGaInNAs, ZnSSe, CdSSe und ähnliche Materialien beinhalten und immer noch dem Gedanken der vorliegenden Erfindung entsprechen.The composition of the window or BSF layers may also use other semiconductor compounds depending on lattice constant and band gap requirements and may include AlInP, AlAs, AlP, AlGaInP, AlGaAsP, AlGaInAs, AlGaInPAs, GaInP, GaINaS, GaInPAs, AlGaAs, AlInAs, AlInPAs, GaAsSb, GaAsSb, AlInSb, GaInSb, AlGaInSb, AIN, GaN, InN, GaInN, AlGaInN, GaInNAs, AlGaInNAs, ZnSSe, CdSSe and similar materials and still be within the spirit of the present invention.

Obwohl sich die Beschreibung der in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Halbleitervorrichtung hauptsächlich auf Solarzellen oder Fotovoltaikvorrichtungen konzentriert hat, wissen Fachleute, dass andere optoelektronische Vorrichtungen wie Thermofotovoltaikzellen (TPV-Zellen), Lichtdetektoren und Leuchtdioden (LED) in Struktur, Physik und Materialien Fotovoltaikvorrichtungen sehr ähnlich sind, mit einigen geringfügigen Abweichungen in der Dotierung und der Minoritätsträgerlebensdauer. Zum Beispiel können Photodetektoren aus den gleichen Materialien und Strukturen wie die vorstehend beschriebenen Fotovoltaikvorrichtungen bestehen, im Sinne der Empfindlichkeit statt der Energieerzeugung aber vielleicht leichter dotiert.Although the description of the semiconductor device described in the present disclosure mainly relates to solar cells or photovoltaic Although the focus has been on photoelectric devices, those skilled in the art know that other optoelectronic devices such as thermophotovoltaic (TPV) cells, light detectors, and light emitting diodes (LEDs) are very similar in structure, physics, and materials to photovoltaic devices, with some minor differences in doping and minority carrier lifetime. For example, photodetectors may be made of the same materials and structures as the photovoltaic devices described above, but may be lightly doped for sensitivity rather than energy production.

Andererseits können LED auch mit ähnlichen Strukturen und Materialien hergestellt werden, aber vielleicht stärker dotiert, um die Rekombinationszeit zu verkürzen, und somit die Strahlungslebensdauer, um Licht statt Leistung zu erzeugen. Daher gilt diese Erfindung auch für Fotodetektoren und LED mit Strukturen, Stoffzusammensetzungen, Fertigartikeln und Verbesserungen, wie sie vorstehend für Fotovoltaikzellen beschrieben wurden.On the other hand, LEDs can also be made with similar structures and materials, but perhaps more heavily doped to shorten the recombination time, and hence the radiative lifetime, to produce light rather than power. Therefore, this invention also applies to photodetectors and LEDs having structures, compositions of matter, finished articles and improvements as described above for photovoltaic cells.

Obwohl hierin nur einige Beispiele offenbart wurden, sind andere Alternativen, Modifikationen, Verwendungen und/oder Äquivalente davon möglich. Darüber hinaus sind auch alle möglichen Kombinationen der beschriebenen Beispiele abgedeckt. Somit sollte der Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht durch bestimmte Beispiele beschränkt, sondern nur durch eine ausgewogene Lektüre der folgenden Ansprüche bestimmt werden.Although only some examples have been disclosed herein, other alternatives, modifications, uses and/or equivalents thereof are possible. Moreover, all possible combinations of the examples described are also covered. Thus, the scope of the present disclosure should not be limited by particular examples, but should be determined only by a balanced reading of the following claims.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US14/216607 [0001]
US10153388 [0001]
US15/449590 [0002]
US10479053 [0002]
US17/191355 [0003]
US11329181 [0003]

Claims

A cover glass for placement over the top surface of a solar cell, comprising: a body made of glass, comprising an upper surface configured to receive solar radiation and a lower surface configured to be placed over the solar cell; an array of geometric structures juxtaposed on the top surface of the body, including a base and a vertex, and forming a plurality of vias within the geometric structure sized and shaped to increase the transmission of infrared radiation from the solar cell in a wavelength range of 5 to 50 µm.

Cover glass after Claim 1 , wherein the geometric structures and the vias between the geometric structures are shaped and dimensioned such that they maintain or reduce the reflectance in a wavelength range from 300 nm to 2000 nm.

Cover glass after Claim 1 or 2 , with a height of the geometric structures in a range of 5 to 300 µm.

Cover glass according to one of the Claims 1 - 3 , whereby the spacing of the arrangement of geometric structures is in a range of 5 to 50 µm.

Cover glass according to one of the Claims 1 - 4 , where the width of the base of geometric structures is in a range of 5 to 50 µm.

Cover glass after Claim 1 or 2 , wherein the base has a width and the geometric structures have a height, and wherein a ratio between the width of the base and the height of the geometric structures is in a range from 1:1 to 1:6, and optionally wherein the ratio between the width of the base and the height of the geometric structures is substantially 1:3.

Cover glass according to one of the Claims 1 - 6 , with the base having a polygonal shape.

Cover glass according to one of the Claims 1 - 6 , where the base of the geometric structures is circular and the geometric structure is a cone.

Cover glass according to one of the Claims 1 - 8 , where the vertex is a point or small area that forms a top surface of each of the geometric structures.

Cover glass according to one of the Claims 1 - 9 , with the base and the vertex connected by a single flat surface.

Cover glass according to one of the Claims 1 - 9 , wherein the base and the apex are connected by first and second surfaces, the first surface being adjacent to the base, the second surface being adjacent to the apex, and optionally the second surface being at least twice the size of the first surface.

Cover glass after Claim 11 , where the base and the apex are connected by two frustoconical bodies.

Cover glass according to one of the Claims 1 - 12 wherein the body is flat and rectangular and approximately 4 mils thick, and wherein the glass is optionally doped with cerium.

Cover glass according to one of the Claims 1 - 13 wherein the glass has a peak or spike in its IR transmittance at a wavelength of about 9 µm or 22 µm or both.

Method for producing a cover glass for bonding over a solar cell, optionally a solar cell according to one of the Claims 1 - 14 , the method comprising: providing a body made of glass, the body comprising a top surface configured to receive solar radiation and a bottom surface configured to be disposed over the solar cell; laser etching an array of geometric structures in the top surface of the body including a base and a vertex disposed side by side and forming a plurality of vias on the top surface of the body that are between 5 and 50 µm in size; and bonding the glass body to the multi-junction solar cell.