Kunststoffoptiken für CPV Anwendungen

Transkript

1 Kunststoffoptiken für CPV Anwendungen Thomas Luce Eschenbach Optik GmbH optik.de Spectaris Forum München, Intersolar 2011

2 Einleitung Optik Spritzguß Primäroptiken Thermoplastische Fresnel Linsen Primäroptiken Silicon on Glass Fresnel Linsen Sekundäroptiken Silikon Linsen Zusammenfassung 2

3 Einleitung CPV (Concentrator Photo Voltaics) Können hocheffiziente Multi Junction Zellen ausnutzen Erfordern direktes Sonnenlicht und konzentrierende Optiken ( > Ersatz teurer Chipfläche durch billigere Optik) 3

4 Einleitung CPV: Schematischer Aufbau Direktes Sonnenlicht Primäroptik (z.b. Fresnel) Sekundäroptik (z.b. Silikon) Multijunction Zelle 4

5 Einleitung Ziele für Optiken in CPV: Hohe Qualität Niedrige Kosten Hohe Volumen Automotive Industrie Halbleiter (LED) Industrie 5

6 Einleitung Ziele für Optiken in CPV: Hohe Qualität Niedrige Kosten Hohe Volumen Automotive Industrie Halbleiter (LED) Industrie Wie ist das zu erreichen? Hochautomatisierte Prozesse Standardisierung von Produkten und Prozessen Absoluter Fokus auf Qualität 6

7 Einleitung Warum Spritzguß für CPV Optiken? Industrieller Standard Produktionsprozeß Ideal für Volumenproduktion Hohe Qualität mit hoher Wierholgenauigkeit Kostenvergleich Heißprägen Spritzguß (Einkavitäten Werkzeug) Source: R. Zengerle, Institut für Mikrosystemtechnik, Uni Freiburg (2005) 7

8 Optik Spritzguß Genauigkeit (PV) besser 10µm, Rauigkeit 5nm ist möglich Diamondbearbeitung (mit thermischer und Schwingungsisolierung der Bearbeitungsmaschine) Optische Stahleinsätze mit NiP Beschichtung notwendig (Stahl kann nicht direkt diamant bearbeitet werden). Für hohe Genauigkeit ist Polieren nicht möglich (z.b. bei Freiform Flächen) Für hohen Durchsatz, Mehrfach Kavitätenwerkzeuge mit 64 Kavitäten möglich. NiP beschichtete optische Automobil PC Linse mit Mikrostruktur Einsätze (vor der Diamantbearbeitung) Diamantbearbeitung einer Fresnellinse

9 Optik Spritzguß Mikrostruktur Replikation 50 µm Strukturen 2 µm Kantenradius Spritzguß Tests mit 50µm Strukturen Erzeugung einer Mikrostruktur auf NiP beschichteten Einsätzen mit 2 µm Diamant Werkzeug Spritzguß und Spritzprägen des optischen Teils Messung der Abformgenauigkeit am Diamant, Einsatz und Spritzteil

10 Optik Spritzguß Mikrostruktur Abformresultate Messresultate eines NiPbeschichteten Einsatzes (2µm Kantenradius) Spitze des Diamant Werkzeugs mit 2µm Spitzenradius Messresultat eines Spritzguß Teils (3µm Kantenradius)

11 Optik Spritzguß Ergebnisse Spritzguß erreicht sehr hohe Abformgenauigkeiten Die Genauigkeit hängt von der Präzision des optischen Einsatzes ab Volumenproduktion von Präzisions Fresnel Linsen mit Spritzguß ist realisierbar

12 Primäroptik PMMA Fresnel PMMA Sehr hohe Transparenz, insbesondere im Akzeptanzbereich von III/IV Zellen Standardmaterial, gute Verarbeitbarkeit Günstiger Preis Langzeiterfahrungen mit Bewitterung existieren Transparenz für CPV Anwendungen durch Granulathersteller (Evonik) garantiert Transmission Plexiglass Solar 0Z023, 3mm Plattendicke Quelle: Plexiglass Produktbeschreibung Solar 0Z023 12

13 Primäroptik PMMA Fresnel Anwendung: Spritzguß von Fresnellinsen Auswerfen der Linsen Werkzeug mit optischen Einsätzen 13

14 Primäroptik PMMA Fresnel Linsenoberfläche Fresnel Struktur, ca. 3µm Kantenradius 200x vergrößertes Strukturdetail einer Fresnel Linse 2 µm Radius des verwendeten Diamant Werkzeugs Sehr glatte Oberfläche, keinerlei Kratzer oder Defekte 14

15 Primäroptik PMMA Fresnel Analyse der Fresnelstruktur (vom Werkzeugeinsatz) Sehr kleiner Kantenradius < 4µm Genaue Replikation der planen und Kantenareale 15

16 Primäroptik PMMA Fresnel Analyse der Fresnelstruktur (Spritzgußteil) Kantenradius < 6µm Sehr glatte Oberflächen Niedrige Verluste, hohe Effizienz 16

17 Primäroptik PMMA Fresnel Efficiency (surface weighted) Surface weighted efficiency 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 25µm tip radius, aluminum insert, injected 25µm tip radius, NiP insert, injected 2µm tip radius, NiP insert, injected 2µm tip radius, direct turned Optische Effizienz der Spritzgußlinse 83% (nur 3 4% weniger als direkt gedrehte Linse) Weiteres Optimierungspotential: Design (Fresnel Struktur, Angußform), Prozess Parameter(Einspritzdruck, Kühlzeit, Spritzpräge Option), Material etc. Zykluszeiten < 1 min realisierbar

18 Primäroptik PMMA Fresnel Messungen Planarität P V Abweichung ± 3 µm senkrecht zur Einspritzrichtung ± 10 µm in Einspritzrichtung Hohe Planarität, kein Verzug, niedrige globale Abweichung 18

19 Primäroptik PMMA Fresnel Innere Spannungen Anguß Region Doppelbrechungsmessung mit polarisiertem Licht: Nahezu keine innere Spannung Durch Heißkanalanguß weiter reduzierbar 19

20 Primäroptik Silikon on Glass (SoG) Vorteile von Silikon on Glass Hohe Kratzfestigkeit des Glases Hohe Temperatur und UV Stabilität Hohe Transparenz von Silikon Transmission Transmissionsmessung von transparent em Silikon LSR 7070 Source: Momentive Performance Materials Reflexion Verluste 20

21 Primäroptik SoG Fresnel Injection molded Silicone on Glass Fresnel lens Spritzguß von SoG Ansatz Verwendung von NiP beschichteten, diamantgedrehten Einsätzen Glasscheibe vorgeheizt und in Spritzgußwerkzeug eingelegt Überspritzen der Silikon Optik auf die Scheibe Vollautomatischer Prozess mit Zykluszeiten 1min möglich Max. Größe durch die Zuhaltekraft der Maschine begrenzt (z.b. für 100x100mm, 50t Zuhaltekraft erforderlich) 21

22 Primäroptik SoG Fresnel Resultate Erstes Prototypenbatch wurde hergestellt Genauigkeit vergleichbar mit PMMA (sehr gute Abformgenauigkeit aufgrund der niedrigen Viskosität von Silikon) Mittlere Transmission ist geringfügig geringer als beim PMMA (Grenzflächeneffekt?) Erforderliche Zuhaltekräfte sind ca. 50% kleiner als bei PMMA Erste Tests für automatisches Einlegen und Auswerfen erfolgreich durchgeführt 22

23 Sekundäroptik Silikon Eigenschaften von optischem Silikon Hohe Temperaturstabilität (z.b. Reflowprozesse bei möglich) Brechungsindex 1.41 oder höher, abhängig vom verwendeten Silikon Auch leichte Hinterschnitte sind entformbar aufgrund der Flexibilität des Materials Mechanische Montage oder Überspritzen von PV Chips möglich Silikon Prototypen für Sekundär Optiken 23

24 Sekundäroptik Silikon Optionen für Silikon Optiken Multi Kavitäten Werkzeuge möglich 32 und 64 fach Werkzeuge sind bereits realisiert Erste HALT Tests (Highly Accelerated Lifetime Tests) erfolgreich durchgeführt 32 fach Silikon Linsenwerkzeug und gespritztes Teil

25 Zusammenfassung Spritzguß liefert Fresnel Linsen Mit hoher Qualität Für hohes Produktionsvolumen Zu attraktiven Preisen PMMA wie Silikon on Glass Fresnel Linsen sind in Spritzguß realisierbar in voll automatisierten Produktionsprozessen Für Sekundäroptiken sind spritzgegossene Silikonlinsen eine kosteneffiziente Alternative für präzise Optiken in hohen Stückzahlen optik.de Internet optik.com > Technical Optics 27

26 Vielen Dank! optik.de Internet: optik.com > Technical Optics