TWI540745B - A method of packaging a solar receiver with secondary optical elements - Google Patents
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Description
本發明係關於一種太陽能接收器之封裝方法，尤指一種透過模具而得以一次性且大量地將二次光學元件形成於太陽能電池之上，並同時將該太陽能電池封裝之方法。
太陽能發電的最基本運作方式係將陽光照射於太陽能電池的表面，而現已有一種為了提升發電效率，而利用聚光透鏡聚集更大量光能的聚光型太陽能電池模組。這些聚光型太陽能電池模組隨著聚光倍率之提升，以及配合自動化生產，可使太陽能電池之尺寸逐漸縮小化，使電池材料使用可更加節省。
在實務上，於聚光型太陽能電池模組當中使用小面積的太陽能電池時，需搭配使用二次光學元件，例如球透鏡，才能縮小聚光光點、增加太陽光角度容忍度，但現有球透鏡的固定方式較為困難繁雜。目前一般的二次光學元件可分為金屬材料或玻璃等高透光且具高硬度之零件，若是使用金屬製作二次光學元件，其在安裝時必須使用螺絲鎖固，需耗費大量人工與螺絲等零組件；若二次光學元件為玻璃材質，則其與電路板上之太陽電池晶片結合時，必須先進行第一次光學膠點膠以保護太陽電池晶片表面與細金屬導電線。
請參考第1A~1C圖，係為先前技術封裝太陽能接收器之二次光學元件之方法示意圖；如圖所示，其係先於基板50上設置太陽能電池51，並透過金線而使太陽能電池51與基板50之電路達成電性連接，而太陽能電池51以及金線等元件則透過第一光學矽膠52經烘烤而固化後，封裝於基板50之上。
接著，其在已固化的第一光學矽膠52之上再塗布少量的第二光學矽膠53，然後將作為二次光學元件的球透鏡54放置於第二光學矽膠53之上。其次再經過一次烘烤，使第二光學矽膠53形成已固化第二光學矽膠55，進而使得球透鏡54被固定於太陽能電池51之上。
上述方法的即是在安裝玻璃材質的二次光學元件時，先進行第一次光學矽膠封裝以保護太陽能電池之晶片本體之表面，以及與之相連接之金線，使這些元件不至於被二次光學元件壓毀、受損。等第一次塗布之光學矽膠固化之後，再塗布一次光學矽膠與放置二次光學元件，而後進行第二次矽膠固化製程，因此製程上不但工序較多，製作時間也較長，特別是不可避免地經過兩次的矽膠烘烤作業，並不利量產化技術開發。
因此，若能提出一種新穎的封裝方法，使聚光型太陽能電池模組當中的二次光學元件被快速地安裝於太陽能電池之上，並且降低其製作成本及難度，則對於聚光型太陽能模組的發展與推廣有很大的幫助。
本發明之主要目的，係提供一種具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其使用開設有特殊形狀之模槽之模具，透過填充入光學矽膠的技術手段，讓固化後的光學矽膠不但具有二次光學元件之特徵，得以作為球透鏡等二次光學元件之用，同時也完成了對太陽能電池之封裝，整體過程僅要經過一次烘烤就可完成，大幅縮短了封裝所需的時間。
本發明之另一目的，係提供一種具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其並不受太陽能電池之數量多寡以及基板之面積大小而影響封裝速度，有利於製作具備大量太陽能接收器之聚光型太陽能模組，在製作成本的降低上具有優勢。
本發明之再一目的，係提供一種具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其係使用光學矽膠作為二次光學元件之素材，其良好的光學特性在能夠有效取代玻璃製之球透鏡。
為了達到上述之目的，本發明揭示了一種具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其係包含步驟：注入光學矽膠於一模具之中，該模具具有至少一模槽，該模槽之內側面具有向下凹陷之特徵，該光學矽膠係填滿該模槽；放置一基板於該模具之上，該基板之一面係固定有至少一太陽能電池，該太陽能電池係對應於該模槽而向下浸於該光學矽膠中；固化該光學矽膠，使該太陽能電池密封於固化後之該光學矽膠中；以及移除該模具，形成該太陽能接收器；其中，該光學矽膠於該模槽之內形成該二次光學元件於該太陽能電池之上，使入射光源可經該二次光學元件之聚焦而集中照射於該太陽能電池之表面。
10‧‧‧基板
11‧‧‧太陽能電池
12‧‧‧金線
20‧‧‧模具
21‧‧‧模槽
22‧‧‧內側面
30‧‧‧光學矽膠
30A‧‧‧已固化光學矽膠
31‧‧‧二次光學元件
31’‧‧‧半球體
32‧‧‧上頂點
50‧‧‧基板
51‧‧‧太陽能電池
52‧‧‧第一光學矽膠
53‧‧‧第二光學矽膠
54‧‧‧球透鏡
55‧‧‧已固化第二光學矽膠
R‧‧‧球半徑
第1A~1C圖：其係為先前技術封裝太陽能接收器之二次光學元件之方法示意圖；
第2圖：其係為本發明一較佳實施例之步驟示意圖，用以表示填充光學矽膠於模具之模槽中；
第3圖：其係為本發明一較佳實施例之步驟示意圖，用以表示光學矽膠係填滿於模具之模槽中；
第4圖：其係為本發明一較佳實施例之步驟示意圖，用以表示放置具有太陽能電池之基板於模具之上；
第5圖：其係為本發明一較佳實施例之步驟示意圖，用以表示太陽能電池封裝於固化的光學矽膠之中；
第6圖：其係為本發明一較佳實施例之步驟示意圖，用以表示移除模具後之太陽能接收器之外觀；
第7圖：其係為本發明一較佳實施例所製作具有陣列特徵之太陽能接收器模組之示意圖；
第8圖：其係為本發明一較佳實施例之結構示意圖，用以表示二次光學元件之結構及尺寸比例；以及
第9圖：其係為本發明一較佳實施例之結構示意圖，用以表示子彈型二次光學元件。
為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
本發明之具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其於步驟上係依序為：
步驟S1：注入光學矽膠於一模具之中，該模具具有至少一模槽，該模槽之內側面係具有向下凹陷之特徵，該光學矽膠係填滿該模槽；
步驟S2：設置一基板於該模具之上，該基板之一面係固定有至少一太陽能電池，該太陽能電池係對應於該模槽而向下浸於該光學矽膠中；
步驟S3：固化該光學矽膠，使該太陽能電池密封於固化後之該光學矽膠中；以及
步驟S4：移除該模具，形成該太陽能接收器。
依據上述之步驟，首先請參考第2圖，本發明係利用模具為一次性完成封裝之媒介，此模具20開設有模槽21，而模槽21的開設數量可視太陽能接收器所具有的太陽能電池數量而定。較佳的設計係將模具20之模槽21以陣列的形式開設，以一次性完成陣列式太陽能接收器的封裝。
本發明於一較佳實施例中，模槽21的內側面22係具有向下凹陷之特徵，較佳的選擇為圓頂形。此形狀特徵係為了形成二次光學元件，例如球透鏡，因此將模槽21開設為向下凹陷之圓頂形外觀，使後續之成品得以具備球透鏡之功能特徵，能夠縮小聚光光點而增加太陽能接收器的太陽光角度容忍度，以及降低聚光型太陽能模組的體積。
本發明係將未固化的光學矽膠30填充於模槽21，使其呈現如第3圖所示之填滿狀態，然後再如第4圖所示，將基板10放置於模具20之上。此基板10的一面固定有至少一太陽能電池11，而由於是將該面朝向模具20而將基板放置於模具20之上，且太陽能電池11的位置又是對應於模具20所開設的模槽21，並且單一之太陽能電池11係對應於單一之模槽21，因此，這些對應於模槽21的太陽能電池11就會向下浸於未固化的光學矽膠30之中。
前述之基板10係為電路板，其設置有太陽能電池11之該面係具有電路。而除了預先將太陽能電池11焊接於基板10之上，導電用之金線12亦已固定於基板10之上，這些金線12係與太陽能電池11相連接，並且與基板10之電路電性連接，以使電流導通。
在將太陽能電池11浸入未固化的光學矽膠30後，接著以高溫烘烤的方式而固化光學矽膠30，使太陽能電池11以及所相連之金線12密封於已固化光學矽膠30A中，如第5圖所示。
在此步驟中，烘烤模具20的溫度係依所使用的光學矽膠性質而定，而烘烤時間約為80~100分鐘，較佳的烘烤時間為90分鐘，此階段為本發明所揭示之封裝方法中，主要耗費時間的部分，此時間相較於習之技術的兩次烘烤，已顯著地減少，因此可以滿足產業界的大量產生需求，有效地縮短製作的工時。
光學矽膠30經烘烤而形成已固化光學矽膠30A，接著就可將模具20移除，僅留下如第6圖所示之太陽能接收器之成品。其中每一個太陽能接收器之單元都具有一個太陽能電池11，此太陽能電池11以及與其相連接之金線12皆被封裝於已固化光學矽膠30A當中，而此已固化光學矽膠30A之外形又受前述第2圖所示之模具20之模槽21形狀影響。基於模槽21之內側面22構成向下凹陷之圓頂形，使未固化的光學矽膠30經內側面22塑形，而於固化後形成二次光學元件31於太陽能電池11之上。透過此具有球透鏡特徵之二次光學元件31的聚焦功效，來自太陽照射之入射光源可經二次光學元件31之聚焦而集中照射至太陽能電池11之表面；換句話說，搭配菲涅爾透鏡以及二次光學元件，太陽光得以在聚光型太陽能模組中被進一步縮小聚光光點面積，增加了太陽光偏移角度容忍度。
第7圖係呈現本發明一較佳實施例在量產時的優勢；如前所述，本發明較佳的設計係將模具20之模槽21以陣列的形式開設，以一次性完成陣列式太陽能接收器的封裝，使單一基板10上具有大量的太陽能電池11，同時分別具備作為二次光學元件的已固化光學矽膠30A。而若要發展大面積電路板封裝技術，本發明的技術亦不會受到限制，只要模具的製作尺寸調整與基板的尺寸相當，光學元件封裝製作程序並不會因為基板面積增加或太陽能電池的數量增加，而增加額外的工序與工時。
第8圖係為本發明關於二次光學元件與太陽能電池11之相對位置之揭示；如圖所示，光學矽膠經固化而形成二次光學元件31，其在上半部(斜線區域)為一半球體31’，其球半徑為R，此類球體形狀不僅於製作模具加工時可省時省工，且於光學上可做為二次聚光透鏡，將光線集中於太陽能電池11之上。半球體31’的下平面中心處於太陽能電池11收光區中心的正上方，且半球體31’下平面與太陽能電池11表面的距離等於半球體31’本身的半徑R，意即二次光學元件31的上頂點32與太陽能電池接收光線之表面之距離為2R，並且也可看出二次光學元件31內部實質隱含了一個直徑為2R之球體。二次光學元件31在半球體31’下方之外圍區域之形狀不拘，因此本發明由光學矽膠固化所形成的二次光學元件最基本的形狀為子彈型，如第9圖所示，而子彈型下半部可隨著製程調整成各種形狀。
綜上所述，本發明詳細揭示了一種具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其考量到現有技術在量產上的困難，特別是為了保護太陽能電池的晶片本體以及所相連接之金線不會被二次光學元件壓毀、受損，因此在封裝階段需以兩階段進行，不但工序較多且製作時間較長，故本發明透過在特定模具灌入光學矽膠的方式，待太陽能電池被浸入光學矽膠後，再將光學矽膠烘烤固化，最後移除模具，使固化的光學矽膠一次性完成二次光學元件的製作以及元件的保護；同時，本發明之封裝方法並不會受到大面積製作太陽能接收器模組而增加難度，符合產業需求。基於本發明所能提供之低成本，以及低製作難度的優勢，總結而言，本發明確實提供了一種充分展現經濟與實用價值之一種具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10‧‧‧基板
11‧‧‧太陽能電池
12‧‧‧金線
30A‧‧‧已固化光學矽膠
31‧‧‧二次光學元件
Claims (10)
- 【第1項】一種具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其係包含步驟：
注入光學矽膠於一模具之中，該模具具有至少一模槽，該模槽之內側面具有向下凹陷之特徵，該光學矽膠係填滿該模槽；
放置一基板於該模具之上，該基板之一面係固定有至少一太陽能電池，該太陽能電池係對應於該模槽而向下浸於該光學矽膠中；
固化該光學矽膠，使該太陽能電池密封於固化後之該光學矽膠中；以及
移除該模具，形成該太陽能接收器；
其中，該光學矽膠於該模槽之內形成該二次光學元件於該太陽能電池之上，使入射光源可經該二次光學元件之聚焦而集中照射於該太陽能電池之表面。 - 【第2項】如申請專利範圍第1項所述之具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其中於固化該光學矽膠之步驟中，係烘烤該模具。
- 【第3項】如申請專利範圍第2項所述之具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其烘烤時間係為80~100分鐘。
- 【第4項】如申請專利範圍第1項所述之具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其中該太陽能電池係透過焊接而固定於該基板之該面。
- 【第5項】如申請專利範圍第1項所述之具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其中單一之該太陽能電池係對應於單一之該模槽。
- 【第6項】如申請專利範圍第1項所述之具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其中該基板之該面更固定有複數個金線，該些金線係與該太陽能電池相連接。
- 【第7項】如申請專利範圍第6項所述之具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其中經固化該光學矽膠之步驟，該些金線亦密封於固化後之該光學矽膠中。
- 【第8項】如申請專利範圍第6項所述之具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其中該基板係為一電路板，該些金線係進一步與該電路板電性連接。
- 【第9項】如申請專利範圍第1項所述之具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其中該二次光學元件具有球透鏡之特徵。
- 【第10項】如申請專利範圍第1項所述之具有二次光學元件之太陽能接收器之封裝方法，其中該二次光學元件包含一半球體，該半球體之高度係為該二次光學元件之上頂點至該太陽能電池之表面之距離之一半。
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