DE102004021570B4

DE102004021570B4 - Anordnung zur Befestigung und/oder Kontaktierung von flexiblen Solarzellen auf Leiterplatten

Info

Publication number: DE102004021570B4
Application number: DE102004021570A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Brunner Sebastian
Original assignee: HTS - HOCH TECHNOLOGIE SYSTEME GmbH; HTS HOCH TECHNOLOGIE SYSTEME GmbH
Current assignee: HTS - HOCH TECHNOLOGIE SYSTEME GmbH; HTS HOCH TECHNOLOGIE SYSTEME GmbH
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2004-05-03
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2024-05-04
Also published as: DE102004021570A1

Abstract

Anordnung zur Befestigung und/oder Kontaktierung von flexiblen Solarzellen (1) auf Leiterplatten (4), wobei wenigstens ein mechanisches Verbindungselement (7) aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist, das die Solarzelle (1) und die Leiterplatte (4) kraft- und formschlüssig verbindet, das mechanische Verbindungselement als ein Nietelement (7) ausgebildet ist, dessen Oberfläche aus einem elektrisch leitenden Material besteht, die Solarzelle (1) als Dünnschicht-Solarzelle und die Leiterplatte (4) flexibel ausgebildet ist und wobei das Nietelement (7) die Solarzelle (1) und die Leiterplatte (4) an vorgegebener Stelle durchragen und durch übliches Umbördeln eines Endes beide Teile form- und kraftschlüssig miteinander verbinden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Befestigung und/oder Kontaktierung von flexiblen Solarzellen auf Leiterplatten.
Solarzellen und Solarmodule zur Energiegewinnung sind in unterschiedlichen Ausführungen bereits bekannt. Ihre Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig, durch Ausnutzung der Solarenergie ökonomisch günstig und umweltfreundlich.
Die Einsatzmöglichkeiten werden u. a. dadurch eingeschränkt, dass die Solarmodule aus einem starren Verbund bestehen und nur auf einer ebenen Fläche angeordnet werden können. Sie bestehen üblicherweise aus einem Trägersubstrat, das aus einem Glasmaterial hergestellt ist und auf dem das photovoltaische Material aufgedampft ist. Die Kontaktierung mit der Leiterplatte zur Stromabführung erfolgt beispielsweise mittels Löten oder Drahtbonden oder ähnlichen bekannten Verfahren.
Bekannt ist auch die Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen in Dünnschicht-Technologie. Die Solarzellenschicht wird auf einen flexiblen, dünnen Träger aus einem Folienmaterial aufgebracht und mit einer abdeckenden Schutzschicht versehen, die den Solarmodul vor schädigenden Witterungseinflüssen schützt. Damit kann der Einsatzbereich wesentlich erweitert werden, da sich der Solarmodul durch seine Flexibilität an beliebige Formen anpassen oder er selbst beliebig geformt sein kann. Auch aufgrund seines geringen Gewichtes und des variablen Transport- oder Aufbewahrungsvolumens ist der Einsatz in der Raumfahrt und der Fahrzeugindustrie von großer Bedeutung.
Problematisch ist allerdings die Kontaktierung mit der Leiterplatte, die ebenfalls aus einem flexiblen, elastischen Material hergestellt sein kann. Löt- oder Bondverbindungen erfordern den Einsatz speziellen Materials, damit die elektrische Verbindung beziehungsweise der Zusammenhalt der Baugruppe auch bei Temperaturschwankungen erhalten bleibt. Bei Einsatz in der Raumfahrttechnik sind derartige Verbindungen in der Regel nicht sicher einsetzbar, da die Temperaturschwankungen extrem groß sind. Außerdem erfordern flexible Solarzellen eine mechanisch strapazierfähige Kontaktierung, die mit herkömmlichen Verfahren nicht hergestellt werden kann.
Bekannt sind die Druckschriften US 4 443 652 A und EP 0 111 394 A2 . Sie offenbaren jeweils eine Anordnung zur Kontaktierung von amorphen PIN-Solarzellen.
Eine weitere Erfindung offenbart DE 3047399 A1 , die ein Verfahren zur mechanischen und elektrischen Verbindung gekapselter Solarzellen-Generatoren mit äußeren Anschlussleitern beschreibt. Auch diese Lösung ist gegenüber der erfindungsgemäßen Lösung nicht einsetzbar, da es sich um gekapselte Solarzellen beziehungsweise Solargeneratoren handelt, die erfindungsgemäß nicht eingesetzt werden sollen. Dünnschichtsolarzellen beziehungsweise Solargeneratoren werden in der Schrift nicht erwähnt.
Eine andere bekannte Druckschrift JP 1 10 172 06 A beschreibt einen Solarmodul. Nachteilig ist, dass das mechanische Verbindungselement nicht die Solarzelle direkt kontaktiert, sondern mittels einer zwischengeschalteten Hilfsverdrahtung.
Eine weitere bekannte Druckschrift beschreibt US 51 85 042 A . Bei dieser Anmeldung handelt es sich um konventionelle Dickschicht – und somit um unflexible – Solarzellen auf einer explizit unflexiblen und somit konventionellen Leiterplatte.
Eine andere Druckschrift beschreibt US 2002/0134422 A1 , die die Herstellung und den Aufbau eines Solargenerators offenbart, bei welchem die Solarzellen aufgeklebt und durch Weichlötung elektrisch mit einer flexiblen Leiterplatte verbunden sind.
Auch eine weitere ermittelte Druckschrift, JP 62205670 A beschreibt, ähnlich wie zur vorhergehenden Druckschrift ausgeführt, den Aufbau eines Solargenerators unter zur Hilfenahme einer flexiblen Leiterplatte aus drei Schichten, von denen die mittlere elektrisch leitfähig und die anderen elektrisch isolierende Eigenschaften besitzen. Die elektrische Kontaktierung soll auch hier mit Lötung oder Schweißen hergestellt werden. Auch in dieser Druckschrift ist die Verwendung einer Abdeckung durch „cover glass” der Solarzellen vorgesehen. „Cover glass” ist jedoch nur bedingt flexibel.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Befestigung und/oder Kontaktierung von flexiblen Solarzellen auf Leiterplatten zu schaffen, die auch bei extremen Temperaturschwankungen eine elektrisch leitfähige und mechanisch haltbare Verbindung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass wenigstens ein mechanisches Verbindungselement aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist, das die Solarzelle und die Leiterplatte kraft- und/oder formschlüssig verbindet, das mechanische Verbindungselement als ein Nietelement ausgebildet ist, dessen Oberfläche aus einem elektrisch leitenden Material besteht, die Solarzelle als Dünnschicht-Solarzelle und die Leiterplatte flexibel ausgebildet ist und wobei das Nietelement die Solarzelle und die Leiterplatte an vorgegebener Stelle durchragen und durch übliches Umbördeln eines Endes beide Teile form- und kraftschlüssig miteinander verbinden.
Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung wird erreicht, dass sowohl ein mechanischer als auch ein elektrischer Verbund zwischen Leiterplatte und Solarmodul hergestellt werden kann, dessen Qualität von Temperaturschwankungen unabhängig ist. Die kraftschlüssige Verbindung gewährleistet eine Anpresskraft und/oder elektrischen Kontakt, die formschlüssige Verbindung verhindert den Verlust des Verbindungselementes bei Nachlassen oder Verlust der Anpresskraft durch beispielsweise Temperaturänderungen der zu verbindenden Teile.
Nach einer vorzugsweisen und konstruktiv einfachen Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Lösung besteht das Nietelement aus einem Metallmaterial und weist eine vergoldete und/oder versilberte Oberfläche auf.
Zur Erhöhung und/oder Gewährleistung der elektrischen Leitfähigkeit des mechanischen Verbindungselementes besteht wenigstens die Oberfläche des Nietelementes aus einem elektrisch leitenden Material.
Damit ist die erfindungsgemäße Anordnung insbesondere in der Raumfahrttechnik variabel einsetzbar.
Je nach Materialeinsatz und örtlichen Gegebenheiten kann es vorteilhaft sein, wenn wenigstens einseitig im Verbindungsbereich des Verbindungselementes ein Verstärkungselement angeordnet ist.
Dadurch kann das Einreißen des dünnen Folienmaterials beispielsweise infolge Relativbewegungen durch Wind, Regen u. ä. Witterungsunbilden verhindert werden. Bei Einsatz extrem dünner Materialien der Leiterplatte und/oder der Solarzelle kann die Herstellung des kraftschlüssigen Verbundes unterstützt oder ermöglicht werden.
Nach einer konstruktiv einfachen Ausführung ist das Verstärkungselement als Unterlegscheibe ausgebildet. Diese ist zur Erzielung guter elektrischer Eigenschaften ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt und/oder besitzt einen Überzug aus einem gut leitfähigen Material.
Von Vorteil ist auch, wenn die Solarzelle und die Leiterplatte wenigstens teilweise miteinander verklebt sind.
Damit werden ebenfalls Schäden durch mechanische Belastungen minimiert.
Zur Bildung einer beliebig geformten oder eine variable Größe aufweisende Solarfläche sind erfindungsgemäß mehrere Solarzellen in Solarmodulen zusammengeschaltet.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt dabei in
1 eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung als Schnittdarstellung und
2 eine perspektivische Ansicht eines Dünnschicht-Solarmoduls.
Die Dünnschicht-Solarzelle 1 besteht nach 1 im Wesentlichen aus einem folienartigen Trägersubstrat 2, auf die das photovoltaische Material 3 aufgebracht ist. Eine zusätzliche, in der Zeichnung nicht dargestellte, Schutzschicht dient der Verhinderung von Beschädigungen durch Witterungs- oder andere mechanische Einflüsse.
Die Leiterplatte 4 ist unmittelbar unterhalb der Solarzelle 1 angeordnet und weist ebenfalls ein Trägerelement 5 aus einem flexiblen Material auf, auf dem die Leiterbahnen 6 aufgebracht sind.
Zur Herstellung der mechanischen und elektrischen Verbindung beider Teile sind mechanische Verbindungselemente in Form von Nietelementen 7 vorgesehen, die die Solarzelle 1 und die Leiterplatte 4 an vorgegebener Stelle durchragen und durch übliches Umbördeln eines Endes beide Teile form- und kraftschlüssig miteinander verbinden. Das Nietelement 7 ist aus einem Aluminiummaterial hergestellt und besitzt zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eine vergoldete Oberfläche. In der Zeichnung ist nicht dargestellt, dass im Bördelbereich eine Unterlegscheibe vorgesehen ist, die den Bördelvorgang unterstützt und Materialbeschädigungen verhindert. Als anderes mögliches mechanisches Verbindungselement ist eine Schraubverbindung einsetzbar.
Ebenfalls nicht gezeigt ist, dass die Leiterplatte im Nietbereich eine leitfähige Schicht aufweist.
Beide Teile, Solarzelle 1 und Leiterplatte 4, sind ganzflächig verklebt, so dass sie eine Einheit bilden und mechanischen Belastungen besser standhalten können. Zur Erhöhung der Stabilität kann je nach Einsatzfall vorgesehen werden, dass Solarzelle 1 und/oder Leiterplatte 4 in einem rahmenartigen Element angeordnet werden, das Anschlusselemente zur Herstellung eines Solarmoduls (in 2 nicht dargestellt) aufweisen kann.
Die Nietverbindungen 7 können abstandsweise eingesetzt werden und können sowohl Befestigungs- und Kontaktierungsfunktion als auch nur Befestigungsfunktion übernehmen. Die Anzahl der Nietelemente 7 ist abhängig von der Größe der jeweiligen Solarzelle 1.
Bezugszeichenliste

1: Solarzelle
2: Trägersubstrat
3: photovoltaisches Material
4: Leiterplatte
5: Trägerelement
6: Leiterbahnen
7: mechanisches Verbindungselement, Nietelement

Claims

Anordnung zur Befestigung und/oder Kontaktierung von flexiblen Solarzellen (1) auf Leiterplatten (4), wobei wenigstens ein mechanisches Verbindungselement (7) aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist, das die Solarzelle (1) und die Leiterplatte (4) kraft- und formschlüssig verbindet, das mechanische Verbindungselement als ein Nietelement (7) ausgebildet ist, dessen Oberfläche aus einem elektrisch leitenden Material besteht, die Solarzelle (1) als Dünnschicht-Solarzelle und die Leiterplatte (4) flexibel ausgebildet ist und wobei das Nietelement (7) die Solarzelle (1) und die Leiterplatte (4) an vorgegebener Stelle durchragen und durch übliches Umbördeln eines Endes beide Teile form- und kraftschlüssig miteinander verbinden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nietelement (7) aus einem Metallmaterial besteht und eine vergoldete und/oder versilberte Oberfläche aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einseitig im Verbindungsbereich des Verbindungselementes (7) ein Verstärkungselement angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement als Unterlegscheibe ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (1) und die Leiterplatte (4) miteinander verklebt sind.
Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Solarzellen in Modulen zusammengeschaltet sind.