DE10136442A1

DE10136442A1 - Kontakte und Verbinder von Solarzellen

Info

Publication number: DE10136442A1
Application number: DE10136442A
Authority: DE
Inventors: Ralf Adelhelm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2003-02-13

Abstract

Die erfindungsgemäße Änderung von bekannten Prozeßschritten bei der Herstellung von Solarmodulen ermöglichen wirtschaftliche und technische Vorteile. Dabei wird erfindungsgemäß ein neues geometrisches Design der metallischen Verbinder, speziell auch des metallischen Grids auf der Vorderseite der Solarzelle und neue Prozeßabläufe benutzt unter Ausnutzung von bisher freibleibenden Flächen zwischen den Solarzellen des Moduls. Die Integration einer Bypass-Diode geschieht auf neue Weise.

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung dient der vereinfachten Herstellung und der effektiveren Wirkungsweise von Solarmodulen sowie der effektiven Ausnutzung von Solarzellen. Die beschriebenen Verfahren und Techniken gelten sowohl für Solarmodule der terrestrischen als auch extraterrestrischen Anwendung. Dabei sind die beschriebenen Techniken anwendbar, wenn einzelne und auch mehrere Solarzellen unter einen Glas liegen.

Zusammenfassung

Zweck

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der metallischen Verbindungen erlauben wesentliche und wünschenswerte Änderungen der Prozeßschritte bei der Herstellung von Solarmodulen, was der Kostenreduktion und der Effizienzsteigerung dient. Die Integration einer Bypass-Diode geschieht auf neue Weise.

Stand der Technik

Die elektrische Verschaltung von einzelnen Solarzellen (1) zu Solarmodulen wird gewöhnlich mit metallischen Verbindern (2) vorgenommen, die mit verschiedenen Verfahren (z. B. löten oder schweißen) auf die elektrisch leitende Kontakte der Solarzelle aufgebracht werden. Dabei werden die Vorderseite einer Solarzelle (3) mit der Rückseite der benachbarten Solarzelle (4) elektrisch und auch mechanisch verbunden (Zeichnung 1). Diese Fertigungsschritte werden wechselseitig ausgeführt, bzw. nach einseitigen Anbringen einer Anzahl von Verbindern auf einer Anzahl von Solarzellen werden diese Solarzellen positioniert, um sie von der anderen Seite zu einem String zu verbinden (Zeichnung 2). Ein Verfahren für die serienmäßige Kontaktierung und Verschaltung mit besonderen Eigenschaften der Verbinder wird z. B. in DE 00 198 04 877 A1 dargelegt.
Nach Erreichen eines Strings von Solarzellen wird dieser auf einen Träger (z. B. aus Glas, EVA, Aluminiumwaben und Kohlefaser gestützte Kunstharze) positioniert und ggf. festgeklebt. Dieser Träger kann Bestandteil des fertigen Moduls sein. Sinngemäß kann dieser Träger auch das Glas der Vorderseite des Solarmoduls sein.
Zur besseren Beschreibung werden hier folgende Bereiche von zusammen geschalteten Solarzellen unterschieden.

a) Es entstehen Zwischenräume zwischen den Solarzellen (5), die durch eine minimale Distanz der Zellen zueinander zustande kommt. Dieser (minimale) "normale" Zwischenraum besteht auch zwischen benachbarten Solarzellen, die nicht elektrisch verbunden sind.
b) Die Geometrie der Solarzelle führt zu einer maximalen Packungsdichte beim Verschalten zu großflächigen Modulen, wobei unter Umständen "packungsbedingt" Zwischenräume bleiben (6). Nur in den Ausnahmen von Rechtecken und besonderen anderen geometrischen Flächen sind diese packungsbedingten Zwischenräume vermeidbar. Nach Stand der Technik werden verschiedene Geometrien, wie z. B. (halbe) Kreise, Rechtecke mit geschnittenen Ecken (Zeichnung 2 und 4) oder trapezähnliche Formen eingesetzt, da die Wirtschaftlichkeit von vielen Faktoren abhängen, wie z. B. den Kosten der Solarzellen und deren Zuschnitt aus runden Wafern. Da allgemein beim Anordnen dieser geometrischen Flächen aneinander Zwischenräume bleiben, wird in diesen Fällen im weiteren von packungsbedingten Zwischenräumen gesprochen.
c) Die Oberfläche der Solarzelle kann unterschieden werden in die aktive Fläche (7), wo Photonen in das photovoltaisch aktive Material der Solarzelle eindringen können und das Kontaktgrid (8), welches über die aktive Fläche hinweg auf der Solarzelle verzweigt und verteilt ist. Bauartbedingt führt das Grid zum Abdecken der aktiven Fläche, womit gewöhnlich eine nicht gewünschte Verringerung des Wirkungsgrades einher geht. Das Kontaktgrid besteht aus sehr dünnen Leiterbahnen, die den Photostrom der aktiven Fläche aufnehmen, ableiten und meist in breitere Leiterbahnen münden, welche die Summe der Ströme weiterleiten. Diese breiteren Bahnen werden häufig Busbar, hier im weiteren Sammler (9) genannt. Nach Stand der Technik ist die Geometrie des Grids im wesentlichen nach zwei Gesichtspunkten optimiert. Eine hohe Leitfähigkeit zum Abtransport des generierten Photostroms wird durch großflächige Auslegung des Grids erreicht. Hingegen wird mit der oberflächlichen Abdeckung mit Kontaktgrid die aktive Fläche der Solarzelle verkleinert, was den Wirkungsgrad senkt. Die beiden konkurrierenden Auslegungen des Grids und weitere Kriterien finden für jeden speziellen Typus von Solarzelle ein optimales Grid-Design, was teilweise in der Serienproduktion berücksichtigt wird. Zusätzlich sind auf dem Sammler (9) entweder besondere Flächen oder aber noch zusätzliche, damit verbundene Leiterflächen vorgesehen, im weiteren Verbinderkontaktflächen (3) genannt, wo der elektrische und mechanische Kontakt zum Verbinder mittels Löten, Schweißen o. ä. hergestellt wird.

Kritik des Standes der Technik

Bei dem Erstellen eines Strings müssen die einzelnen Solarzellen im ersten Schritt bzw. der gesamte String im zweiten Schritt positioniert werden. Dieses mechanische Arbeit und speziell das Ersetzen einer Solarzelle in einem String aus Gründen der Reparatur ist aufwendig und kostenintensiv.

Werden mehrere Strings zu einer Einheit zusammengelegt, um sie rückseitig mit einem Siebtechnik mit Kleber zu versehen, entstehen vielfältige technische Probleme mit einer großflächigen Siebdrucktechnik, welche es zu beseitigen gilt.

Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls ist von der Packungsdichte der Solarzellen abhängig. Wird die Geometrie der Solarzelle aus Kostengründen derart gewählt, daß packungsbedingt Zwischenräume entstehen, verbleiben diese Stellen ohne spezielle Funktion und der Wirkungsgrad ist entsprechend geringer. (Eine passive Aufgabe wird diesen Zwischenräumen noch zuteil: Bei großflächigen Abdeckungen mittels Glas wird ein reflektierender Träger verwandt, z. B. weißes EVA, um etwaige Strahlung aus dem Zwischenraum zu reflektieren und diese u. U. noch auf die Solarzelle zu bringen.) Der Wirkungsgrad des Solarmoduls bzw. die Kostenbilanz der Herstellung kann nur durch Ausnutzung noch verbliebener "Nischen" der Optimierung verbessert werden. Der packungsbedingte Zwischenraum stellt eine zur Optimierung der Solarmodul-Herstellung weitgehend noch nicht genutzte Fläche dar.

Aufgabe

Aufgabe dieser Erfindung ist es, das Herstellungsverfahren zu vereinfachen, die packungsbedingten Zwischenräume als ein notwendiges Übel sinnvoll zu nutzen und dabei die Solarzelle, bzw. das Solarmodul im Wirkungsgrad zu optimieren.

Lösung

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erst die Solarzelle auf den Träger positioniert bzw. geklebt wird und danach die elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird. Damit entfällt prinzipiell eine Positionierung eines gesamten Strings und ggf. auch eine großflächige Siebdruck-Klebung.

Die Solarzellen werden erfindungsgemäß hinsichtlich des Kontaktgrids (8), der Sammler (9) und der Verbinderkontaktfläche (3) derart ausgelegt, daß der anzubringende elektrisch leitende Verbinder (2) die Vorderseite der Solarzelle an der Stelle verläßt, wo der Verbinder in den packungsbedingt leeren Zwischenraum ragt. Damit liegt der über die Solarzelle hinausragende Teil des Verbinder auf einer funktionslosen Fläche, dem packungsbedingten Zwischenraum.

Wird ein zweiter Verbinder an die Rückseite der benachbarten Zelle derart angebracht, daß auch dieser in den packungsbedingten Zwischenraum ragt, kann die elektrische Verbindung nach (!) Positionierung der Solarzellen stattfinden.

Die Prozeßschritte sind im einzelnen:
Erst wird jede Solarzelle mit vorder- und rückseitigen Verbindern versehen, dann positioniert (und ggf. geklebt), um anschließend elektrisch leitend verbunden zu werden.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

Eine weitere Lösung der Aufgabe entsteht, wenn die nach Stand der Technik in die Solarzelle integrierte Bypass-Diode aus der Solarzelle herausgenommen wird, was den Wirkungsgrad steigern kann. Die notwendige Funktion der Bypass-Diode wird durch eine diskrete Diode erfüllbar. Diese diskrete Diode wird erfindungsgemäß in die elektrisch leitende Verbindung der benachbarten Solarzellen in den packungsbedingten Zwischenraum integriert. Dazu werden je ein Verbinder auf Vorder- und Rückseite einer Solarzelle in den packungsbedingten Zwischenraum verlegt, wo die diskrete Diode liegt und angeschlossen wird. Von dem entsprechenden Anschluß (p oder n) der Diode wird die elektrisch leitende Verbindung zur benachbarten Solarzelle hergestellt. Damit ist die Bypass-Funktion der diskreten Diode und die Stromführung zur nächsten Solarzelle im packungsbedingten Zwischenraum kombiniert.

Weiterhin kann der elektrisch leitende Verbinder, der sich im packungsbedingten Zwischenraum befindet, derart geformt sein, daß die Oberfläche des Verbinders aus der Ebene der Solarzellen hervorsteht, um eine optische Strahlung, die in den Zwischenraum strahlt, auf die Solarzellen zu reflektieren. Dadurch ist im packungsbedingten Zwischenraum der metallische, reflektierende Verbinder wie ein Spiegel eingesetzt, welcher die sonst wirkungslose Strahlung auf die Solarzellen lenkt und somit zusätzlich zur Energiegewinnung beiträgt. Ein solcher Verbinder kann z. B. die Form einer halben offenen Pyramide mit entsprechend großen Winkeln haben.

Erzielbare Vorteile

Der Herstellungsprozeß vereinfacht sich folgendermaßen:
Die Solarzellen können separat auf Vorder- und Rückseite mit einem Verbinder versehen werden (z. B. mittels löten oder schweißen). Eine Funktionskontrolle ist im Anschluß leicht durchführbar, was bereits von Vorteil ist. Nach Positionierung und ggf. Verkleben der Solarzelle auf den Träger können immer noch deutlich vereinfacht Reparaturen durchgeführt werden. Durch diesen Ablauf entfällt ggf. ein aufwendiges Drehen der Solarzellen von der Vorder auf die Rückseite mittels Transferplatten.

Die anschließend durchzuführende elektrisch leitende Verbindung der benachbarten Zellen mittels beispielsweise Löten oder Schweißen kann mit Apparaturen durchgeführt werden, die den packungsbedingten Zwischenraum ausnutzen, um z. B. eine Elektrode unter die beiden aufeinander liegenden Verbindern der benachbarten Zellen zu schieben. Weiterhin gestattet dieser Zwischenraum andere Verbindungstechniken, die aufgrund der normalen Zwischenräume nicht einsetzbar sind. So können die beiden Verbinder der benachbarten Solarzellen durch Drahtbonding verbunden werden.

Nach der erbrachten elektrisch leitenden Verbindung können noch immer deutlich vereinfacht Reparaturen an dem String durchgeführt werden, da eine neue Zelle beidseitig mit Verbindern ausgestattet ist. Dies ermöglicht eine Kostenreduktion.

Die ggf. eingesetzte Siebdrucktechnik zum Verkleben auf den Träger kann auf jede einzelne Solarzelle angewandt werden. Der Verzicht auf großflächiges Verkleben von Strings stellt eine deutliche Vereinfachung des Herstellungsprozesses und der entsprechenden Apparatur dar. Zusätzlich wird die Qualität des Solarmoduls durch die besser kontrollierbare Verklebung jeder einzelnen Zelle erhöht und in der Produktionsstätte der Raumbedarf verringert.

Die beschriebene Kombination von elektrischer Stromführung und der Bypass-Diode in den packungsbedingten Zwischenraum stellt einen Fortschritt in der Wirkungsgradsteigerung und Bautechnik dar.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Zeichnungen 1 bis 4 zeigen Solarzellen und Strings nach Stand der Technik. In Zeichnung 4 ergeben sich die Längen der einzelnen Seiten a, b, c und d aus dem Zuschnitt von zwei solcher Solarzellen aus einem kreisrunden Wafer. Dabei lassen sich verschieden Verhältnisse der Längen untereinander realisieren. Nach Stand der Technik liegen der Sammler (9) und die Verbindungskontaktflächen (3) auf der längsten Seite a. Die Zeichnungen 6 und 7 sind Ausführungsbeispiele. 1 Solarzelle
2 Verbinder
3 Verbinderkontaktfläche der Vorderseite
4 Verbinderkontaktfläche der Rückseite
5 normaler Zwischenraum
6 packungsbedingter Zwischenraum
7 aktive Fläche der Solarzelle
8 Kontaktgrid
9 Sammler
10 elektrisch leitende Verbindung des zusätzlichen Prozeßschrittes in (6)

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Zeichnung 5 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für die Verbesserung der Solarzelle aus Zeichnung 4. Entsprechend kann das Ausführungsbeispiel der Zeichnung 6 mit dem Stand der Technik aus Zeichnung 2 verglichen werden. Das Grid der Solarzellen ist derart ausgelegt, daß die Sammler an den Seiten der Solarzelle liegen, die an den 1 packungsbedingt leeren Zwischenraum angrenzen (Vergleiche Seite c der Zeichnung 5 mit Zeichnung 6). Die Verbinderkontaktflächen (3) liegen auf dem Sammler derart, daß der Verbinder (2) in den packungsbedingten Zwischenraum ragt. In diesem Zwischenraum wird die elektrisch leitende Verbindung mit dem nächsten Verbinder der benachbarten Solarzelle hergestellt (10).

Claims

1. Die Herstellung von Kontaktgrid, Sammlern und Verbinderkontaktflächen von Solarzellen sowie die Herstellung von elektrisch leitenden Verbindungen von benachbarten Solarzellen in der Reihenschaltung, also die Herstellung von einem String aus Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktgrid, der Sammler und die Verbinderkontaktflächen derart angeordnet sind, daß ein oder mehrere Verbinder die Solarzelle an der (den) Stelle(n) verläßt, wo im Solarmodul ein durch die Geometrie der Solarzelle hinsichtlich der maximalen Packungsdichte vorgegebener Zwischenraum bleibt.

1. Kontaktgrid, Sammler und Verbinderkontaktfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbinderkontaktfläche an der Seite der Solarzelle liegt, die dadurch entsteht, daß eine geradlinig begrenzte Solarzelle aus einem runden Wafer geschnitten wird und die fehlende Fläche an dieser Seite einen freibleibenden Zwischenraum bei maximaler Packungsdichte der Solarzellen verursacht.

2. Kontaktgrid, Sammler und Verbinderkontaktflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbinderkontaktflächen an den Seiten der Solarzelle liegen, wo die Dreiecken fehlen, welche die Solarzelle von einer rechteckigen Form unterscheidet.

2. Die Herstellung von Kontaktgrid, Sammlern und Verbinderkontaktflächen von Solarzellen sowie die Herstellung von elektrisch leitenden Verbindungen von benachbarten Solarzellen in der Reihenschaltung, also die Herstellung von einem String aus Solarzellen,
dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst ein oder mehrere Verbinder auf der Vorderseite sowie ein oder mehrere Verbinder auf der Rückseite von Solarzellen derart angebracht werden, daß jeweils die Verbinder in ein oder mehrere (durch die Geometrie der Solarzelle) packungsbedingte Zwischenräume ragen, um nach Positionierung bzw. Ankleben auf einem Träger die beiden Verbinder der Vorder- und Rückseite von benachbarten Solarzellen in einem weiteren Prozeßschritt elektrisch leitend zu verbinden.

1. Verarbeitung von Solarzellen zu einem String nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbinder der benachbarten Solarzellen im packungsbedingten Zwischenraum aneinandergrenzen oder überlappen, um sie dort zu verlöten, zu verschweißen oder zu bonden.

1. Verarbeitung von Solarzellen zu einem String nach Anspruch 2.1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Verbindungen jeweils in den packungsbedingten Zwischenräumen zum Einsatz kommen.

2. Verarbeitung von Solarzellen zu einem String nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß in den packungsbedingten Zwischenraum eine Diode in die elektrisch leitende Verbindung derart integriert wird, daß erstens eine der Solarzellen mit dieser Diode geschützt wird und zweitens der Stromfluß zur benachbarten Solarzelle über diese elektrisch leitende Verbindung stattfindet. Die zu schützende Solarzelle benötigt dazu zusätzlich einen weiteren Verbinder auf der Vorder- bzw. Rückseite, der nach den genannten Ansprüchen konstruiert sein kann.

1. Verarbeitung von Solarzellen zu einem String nach Anspruch 2.2, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Dioden in mehrere packungsbedingte Zwischenräume in den Stromfluß integriert werden.

3. Verarbeitung von Solarzellen zu einem String nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbinder der benachbarten Solarzellen auf eine in dem packungsbedingten Zwischenraum angebrachte leitende Kontaktstelle ragen, wo eine elektrisch leitende Verbindung der Solarzellen untereinander durch jeweiliges löten, schweißen, bonden oder ähnliches der Verbinder auf diese Kontaktstelle hergestellt wird.

1. Verarbeitung von Solarzellen zu einem String nach Anspruch 2.3, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Verbindungen jeweils in den packungsbedingten Zwischenräumen zum Einsatz kommen.

4. Verarbeitung von Solarzellen zu einem String nach Anspruch 2.3, gekennzeichnet dadurch, daß eine Verbindung von nur einer Solarzelle (z. B. erste oder letzte Solarzelle im String) im packungsbedingten Zwischenraum vergleichbar dem Anspruch 2.3 zu einer Kontaktstelle hergestellt wird, die eine elektrisch leitende Verbindung durch das unter den Solarzellen liegende Trägermaterial bewirkt.

1. Verarbeitung von Solarzellen zu einem String nach Anspruch 2.4, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Verbindungen jeweils in den packungsbedingten Zwischenräumen zum Einsatz kommen.

5. Verarbeitung von Solarzellen zu einem String nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbinder an eine Kontaktfläche angebracht sind, vergleichbar dem Anspruch 2.3, jedoch diese Kontaktfläche derart aus der Ebene der Solarzellen hervorsteht, daß die optische Strahlung auf die Solarzelle reflektiert wird und nicht ungenutzt im packungsbedingten Zwischenraum verloren geht. Eine derartige Fläche kann z. B. die Form einer halben offenen Pyramide haben.