Primäroptik- PMMA Fresnel

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Kunststoffoptiken für CPV‐
Anwendungen
Thomas Luce
Eschenbach Optik GmbH
thomas.luce@eschenbach‐optik.de
Spectaris‐Forum München, Intersolar 2011
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Einleitung
Optik‐Spritzguß
Primäroptiken – Thermoplastische Fresnel‐Linsen
Primäroptiken – Silicon‐on‐Glass Fresnel‐Linsen
Sekundäroptiken – Silikon‐Linsen
Zusammenfassung
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Einleitung
CPV (Concentrator Photo Voltaics) • Können hocheffiziente Multi‐Junction‐Zellen ausnutzen
• Erfordern direktes Sonnenlicht und konzentrierende Optiken (‐> Ersatz teurer Chipfläche durch billigere Optik)
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Einleitung
• CPV: Schematischer Aufbau
Direktes Sonnenlicht
Primäroptik (z.B. Fresnel)
Sekundäroptik (z.B. Silikon)
Multijunction‐Zelle
4
Einleitung
Ziele für Optiken in CPV:
Hohe Qualität – Niedrige Kosten – Hohe Volumen • Automotive‐Industrie
• Halbleiter‐(LED)‐Industrie
5
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
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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
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
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
Optik‐Spritzguß
Mikrostruktur‐Abformresultate
Messresultate eines NiP‐
beschichteten Einsatzes (2µm Kantenradius)
Spitze des Diamant‐
Werkzeugs mit 2µm Spitzenradius
Messresultat eines Spritzguß‐Teils (3µm Kantenradius)
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
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 Produkt‐
beschreibung Solar 0Z023
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Primäroptik‐ PMMA Fresnel Anwendung: Spritzguß von Fresnellinsen
Auswerfen der Linsen
Werkzeug mit optischen Einsätzen
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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
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Primäroptik‐ PMMA Fresnel Analyse der Fresnelstruktur (vom Werkzeugeinsatz) • Sehr kleiner Kantenradius < 4µm
• Genaue Replikation der planen und Kantenareale
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Primäroptik‐ PMMA Fresnel Analyse der Fresnelstruktur (Spritzgußteil)
• Kantenradius < 6µm
• Sehr glatte Oberflächen
⇒Niedrige Verluste, hohe Effizienz
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Primäroptik‐ PMMA Fresnel Surface weighted efficiency
Efficiency (surface weighted)
90%
85%
80%
75%
70%
65%
60%
25µm tip radius, 25µm tip radius, 2µm tip radius, NiP 2µm tip radius, aluminum insert, NiP insert, injected insert, injected
direct turned
injected
• 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
Primäroptik‐ PMMA Fresnel Messungen ‐ Planarität
P‐V Abweichung • ± 3 µm senkrecht zur Einspritzrichtung
• ± 10 µm in Einspritzrichtung
⇒ Hohe Planarität, kein Verzug, niedrige globale Abweichung
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Primäroptik‐ PMMA Fresnel Innere Spannungen
Anguß‐Region
Doppelbrechungsmessung mit polarisiertem Licht: Nahezu keine innere Spannung
Durch Heißkanalanguß weiter reduzierbar
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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
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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)
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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
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Sekundäroptik ‐ Silikon
Eigenschaften von optischem Silikon
• Hohe Temperaturstabilität (z.B. Reflowprozesse bei 270@ möglich)
• Brechungsindex 1.41 oder höher, abhängig vom verwendeten Silikon
• Auch leichte Hinterschnitte sind entformbar aufgrund der Flexibilität des Materials
Silikon‐Prototypen für Sekundär‐Optiken
• Mechanische Montage oder Überspritzen von PV‐Chips möglich
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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
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
Email: thomas.luce@eschenbach‐optik.de
Internet www.eschenbach‐optik.com ‐> Technical Optics
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Vielen Dank !
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