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Die
Erfindung betrifft ein Drahtsystem zum elektrischen Kontaktieren
einer Solarzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Ein
solches Drahtsystem umfasst einen Drahtleiter, der zwischen einem
ersten Kontaktierungsabschnitt und einem von dem ersten Kontaktierungsabschnitt
beabstandet angeordneten zweiten Kontaktierungsabschnitt derart
alternierend verläuft, dass der Drahtleiter das Drahtsystem
mit einer maschenartigen Anordnung ausbildet, die sich mit einer Vielzahl
von Maschen entlang einer Erstreckungsrichtung fortsetzt.
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Als
Drahtleiter im Sinne der vorliegenden Erfindung gelten alle elektrisch
leitfähigen Drähte, die eine für den
genannten Zweck hinreichende Leitfähigkeit aufweisen. Dies
umfasst in erster Linie alle metallischen Werkstoffe und deren Legierungen.
Jedoch sind ebenso Kohlefasern und andere anorganische und organische
Werkstoffe und Werkstoffkombinationen mit hinreichender elektrischer
Leitfähigkeit als Drahtleiter anzusehen.
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Die
vorangehend definierten Drahtleiter können dabei sämtliche
Formen von Querschnittsprofilen aufweisen: zum Beispiel kreisförmig,
oval, quadratisch oder rechteckig. Ein Drahtdurchmesser von kleiner
oder gleich 0,1 mm wird als vorteilhaft angesehen. Derart dünne
Drähte passen sich gut an Unebenheiten an und bieten eine
ausreichende elektrische Leitfähigkeit. Der Drahtleiter
lässt sich entlang seiner Erstreckungsrichtung als Endlosstrang
oder als Kombination mehrerer Strangabschnitte ausbilden.
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Die
Abschnitte des Drahtsystems im Bereich des ersten und im Bereich
des zweiten Kontaktierungsabschnittes dienen üblicherweise
zum Herstellen einer elektrischen Kontaktierung zwischen dem elektrisch
leitfähigen Drahtleiter des Drahtsystems und einem weiteren
Bauelement. Bei dem weiteren Bauelement kann es sich beispielsweise
um eine oder mehrere Elektroden einer Wafer-Solarzelle handeln.
Als ein alternierender Verlauf des Drahtleiters im Sinne der vorliegenden
Erfindung reicht es aus, wenn der Drahtleiter zumindest zweimal
vom ersten Kontaktierungsabschnitt zum zweiten Kontaktierungsabschnitt
und wieder zurück zum ersten Kontaktierungsabschnitt des
Drahtsystems verläuft. Dabei werden durch den Verlauf des
Drahtleiters zumindest zwei maschenartige Strukturen ausgebildet.
Unter den Begriff maschenartig fallen alle erdenklichen Ausformungen
eines Drahtleiter-Verlaufs zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktierungsabschnitt.
Dabei kann der Drahtleiter neben stetig geschwungenen Abschnitten
auch geradlinig verlaufende Abschnitte und Knickbereiche aufweisen
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Zumindest
in einer Raumrichtung wiederholen sich maschenartige Abschnitte
des Drahtleiters. Diese Raumrichtung wird als Erstreckungsrichtung des
Drahtsystems bezeichnet. Selbstverständlich ist es möglich,
dass maschenartige Abschnitte des Drahtsystems in mehreren Richtungen
betrachtet hintereinander angeordnet sind. Insofern wiese das entsprechende
Drahtsystem dann eine Mehrzahl von Erstreckungsrichtungen auf.
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Die
geometrische Ausgestaltung der Kontaktierungsabschnitte lässt
sich ebenfalls sehr vielfältig vorsehen. Je nach räumlicher
Ausbildung der elektrisch zu kontaktierenden Bauelemente sind die
Kontaktierungsabschnitte entsprechend angepasst.
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Ein
aus dem Stand der Technik bekanntes Drahtsystem stellt ein so genanntes
Streckmetall dar, wie sie beispielsweise vom Unternehmen Dexmet aus
Naugatuck, CT/USA hergestellt und vertrieben werden. Diese maschenartigen
Drahtsysteme lassen sich wie in der
US
4,239,555 dargestellt und beschrieben dazu einsetzen, beispielsweise
zwei Wafer-Solarzellen elektrisch miteinander zu kontaktieren.
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Streckmetalle
weisen zwar eine hohe mechanische Flexibilität auf, so
dass thermische bedingte Dehnungen und Stauchungen in mehreren Raumrichtungen
durch dieses Drahtsystem gut aufgenommen werden können,
jedoch sind sie aufwändig in der Herstellung und weisen
gewisse Restriktionen hinsichtlich der realisierbaren geometrischen Ausgestaltungen
auf.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Drahtsystem
zur elektrischen Kontaktierung einer Solarzelle bereitzustellen, das
einfach und kostengünstig herstellbar ist und eine möglichst
große Flexibilität hinsichtlich seiner geometrischen
Ausgestaltung aufweist.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass der Drahtleiter durch zusätzlich zum Drahtleiter
vorgesehene Fixiermittel und/oder durch Fixiermittel in Form sich
umschlingender Abschnitte des Drahtleiters in der maschenartigen
Anordnung fixiert ist.
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Bei
dem aus dem Stand der Technik bekannten Streckmetall wird der Drahtleiter
einstückig aus einer Metallfolie herausgebildet. Insofern
sind keine im Sinne der vorliegenden Erfindung zusätzlich
zum Drahtleiter vorgesehenen Fixiermittel vorhanden, um den Drahtleiter
in der maschenartigen Anordnung zu fixieren. Alternativ oder kumulativ
zu den zusätzlich vorgesehenen Fixiermitteln ist es möglich,
Fixiermittel als sich selbst umschlingende Abschnitte des Drahtleiters
vorzusehen. Jede dieser umschlingenden Abschnitte weist eine reibschlüssige
Verbindung des Drahtleiters derart auf, dass der Drahtleiter in
der alternierend maschenartigen Struktur fixiert ist.
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Für
beide Varianten gilt, dass sich der Drahtleiter in eine fast beliebige
maschenartige Anordnung bringen lässt, um dann in dieser
Anordnung mittels zusätzlicher Fixiermittel und/oder durch
den Drahtleiter selbst bereitgestellte reibschlüssig wirkende
Fixiermittel in der gewünschten maschenartigen Anordnung
fixiert zu werden.
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Auf
diese Weise wird ein hoher Freiheitsgrad hinsichtlich der geometrischen
Ausgestaltung des Drahtsystems auf eine einfache Weise erreicht.
Außerdem können die spezifischen Eigenschaften
des Drahtsystems durch eine entsprechende Auswahl des Drahtleiters
oder eine Kombination entsprechender Drahtleiter realisiert werden.
Außerdem kann das Drahtsystem durch thermische Ausdehnungen
auftretende mechanische Spannungen zwischen elektrisch kontaktierten
Solarzellen aufnehmen. Dadurch ist eine umfassende Druck- und Zugentlastung
der elektrischen Kontakte gewährleistet
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Es
soll an dieser Stelle klargestellt werden, dass der Drahtleiter ähnlich
zum Aufbau eines gezwirnten Fadens selbstverständlich auch
aus einer Kombination, d. h. aus einer Mehrzahl von Strängen, beispielsweise
als litzenartiger Leiter, aufgebaut sein kann. Vorteilhaft für
die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung ist, dass der Drahtleiter
als Endlosstrang zur Verfügung gestellt und somit auf sehr
flexible Weise in die gewünschte maschenartige Anordnung
gebracht werden kann. Folglich liegt der Drahtleiter auch im Drahtsystem
entlang der Erstreckungsrichtung des Drahtsystems betrachtet bevorzugt
als einzelner Endlosstrang vor.
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In
einer bevorzugten Variante des Drahtleiteraufbaus besteht der Drahtleiter
aus einem Kupferkern, der zur Verhinderung einer Kupfer-Diffusion
mit einer Diffusionssperrschicht, beispielsweise aus Nickel oder
Zinn umgeben ist.
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Bevorzugt
sind die Fixiermittel im Bereich des ersten Kontaktierungsabschnittes
und/oder im Bereich des zweiten Kontaktierungsabschnittes angeordnet.
Regelmäßig werden der erste und der zweite Kontaktierungsabschnitt
in Randbereichen des Drahtsystems vorgesehen sein. In diesen Randbereichen
ist es dann erforderlich, dass der Verlauf des Drahtleiters umkehrt,
um in alternierender Weise vom ersten zum zweiten Kontaktierungsabschnitt
zu gelangen. Es ist vorteilhaft, die Fixiermittel derart vorzusehen,
dass diese sowohl den Drahtleiter in der maschenförmigen
Struktur fixieren als auch eine Richtungsänderung des Verlaufs
des Drahtleiters realisieren.
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Eine
vorteilhafte Variante des Drahtsystems sieht vor, dass der Drahtleiter
zwischen zwei, entlang der Erstreckungsrichtung betrachtet, im ersten
oder im zweiten Kontaktierungsabschnitt benachbart zueinander angeordneten
Fixiermitteln in mindestens einer Masche zwischen dem ersten Kontaktierungsabschnitt
und dem zweiten Kontaktierungsabschnitt verläuft. Das heißt,
zwischen zwei in einem ersten Kontaktierungsabschnitt benachbart
angeordneten Fixiermitteln verläuft der Drahtleiter vom
ersten Kontaktierungsabschnitt zum zweiten Kontaktierungsabschnitt
und zurück zum ersten Kontaktierungsabschnitt und bildet
dabei eine Masche aus. Bei einer periodischen Anordnung der benachbarten
Fixiermittel ist es auf diese Weise zum Beispiel einfach möglich,
eine periodische Maschenstruktur auszubilden. Zusätzlich
können über den Verlauf der Masche betrachtet
weitere Fixiermittel vorgesehen sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Variante des Drahtsystems ist derart ausgebildet,
dass die Fixiermittel entlang der Erstreckungsrichtung betrachtet
zumindest in einem Abschnitt des Drahtsystems alternierend im Bereich
des ersten Kontaktierungsabschnittes und im Bereich des zweiten
Kontaktierungsabschnittes angeordnet sind. Auf diese Weise lässt
sich die maschenartige Anordnung des Drahtleiters über seine
räumliche Ausdehnung zwischen dem ersten und dem zweiten
Kontaktierungsabschnitt hinweg fixieren.
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Die
maschenartige Anordnung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass in
einer Aufsicht auf die Anordnung der Drahtleiter weniger als 20%,
bevorzugt weniger als 10% der durch die Anordnung abgedeckten Fläche
einnimmt. Dadurch wird eine sehr lockere und mechanisch gut verformbare
Anordnung bereitgestellt. Kumulativ oder alternativ ist der Abstand
zwischen dem ersten Kontaktierungsbereich und dem zweiten Kontaktierungsbereich
des Drahtsystems verglichen mit dem Durchmesser des Drahtleiters größer
als ein Faktor 10, bevorzugt größer als ein Faktor
50. Außerdem ist es durch die jeweiligen Maßnahmen
oder eine Kombination beider Maßnahmen möglich,
ein Drahtsystem zur elektrischen Kontaktierung einer Solarzelle
bereitzustellen, dass optisch unauffällig ist und auf diese
Weise positiv zur optischen Anmutung eines Solarmoduls beitragen
kann.
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Eine
bevorzugte Variante des Drahtsystems sieht vor, dass die Maschen
im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen und
entlang der Erstreckungsrichtung des Drahtsystems periodisch ausgebildet und
angeordnet sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache
und rationelle Herstellung des Drahtsystems.
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Bevorzugt
ist der Drahtleiter zumindest in Bereichen des ersten und des zweiten
Kontaktierungsabschnittes zumindest auf einer Seite des Drahtleiters
mit einem Lötmittel als Niedertemperaturlot mit einer Schmelztemperatur
von weniger als 180°C, bevorzugt weniger als 150°C
beschichtet. Da beim Laminieren von Polymerfolien zum Verkapseln von
Solarzellen bei der Herstellung von Solarmodulen üblicherweise
Temperaturen im Bereich von 100°C bis 200°C zum
Einsatz kommen, lassen sich auf diese Weise der Herstellungsschritt
des Lötens zum Herstellen elektrischer Kontakte und der
Herstellungsschritt des Verkapselns kombinieren.
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Soll
der Vorgang des Herstellens eines elektrischen Kontaktes zwischen
dem Drahtsystem und einer Solarzelle als separater Verfahrensschritt
vorgesehen sein, so ist es möglich, den Drahtleiter in Bereichen
des ersten und des zweiten Kontaktierungsabschnittes zumindest auf
einer Seite des Drahtleiters mit einem Lötmittel zu versehen,
dessen Schmelzpunkt deutlich über den beim Laminieren herrschenden
Temperaturen liegt. Üblicherweise würde dann ein
Lötmittel mit einem Schmelzpunkt von mehr als 200°C
zum Einsatz kommen.
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Zum
Aufbringen des Lötmittels kann das Drahtsystem 1 mit
den entsprechenden Abschnitten des Drahtleiters und/oder der Stützstränge
durch eine Schmelze mit dem Lötmittel gezogen werden, oder
das Lötmittel wird durch ein elektrochemisches Verfahren,
beispielsweise galvanisch aufgebracht. Ebenso ist denkbar eine einseitige
Beschichtung durch ein Sputterverfahren, oder durch eine chemische
Abscheidung vorzusehen.
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Eine
grundsätzlich mögliche Variante zur Ausbildung
der zusätzlich zum Drahtleiter vorgesehenen Fixiermittel
sieht vor, dass die Fixiermittel stoffschlüssig wirkende
Fixiermittel umfassen. Dabei handelt es sich um Kleb- oder Lötmittel,
die punkt- oder abschnittsweise den Drahtleiter in seiner maschenartigen
Anordnung fixieren. Derartig wirkende Fixiermittel lassen sich auf
rationelle und einfache Weise am Drahtleiter anbringen.
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Bevorzugt
gewährleisten die stoffschlüssig wirkenden Fixiermittel
eine stoffschlüssige Verbindung bis zu einer Temperatur
von 250°C, bevorzugt bis zu einer Temperatur von 200°C.
Dadurch ist sichergestellt, dass die stoffschlüssige Verbindung auch
in einem nachgeordneten Laminiervorgang bei der Verkapselung eines
Solarmoduls seine Fixierfunktion der maschenförmigen Anordnung
erfüllt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass sich
zwischen einer Mehrzahl stoffschlüssiger Fixiermittel,
die im ersten Kontaktierungsabschnitt oder im zweiten Kontaktierungsabschnitt
benachbart zueinander angeordnet sind, ein Stützstrang
erstreckt. Der Stützstrang verbessert im Zusammenwirken
mit den Fixiermitteln, die Fixierung des Drahtleiters in der maschenartigen
Anordnung. Dazu ist der Stützstrang mit dem Drahtleiter
bevorzugt über eine Mehrzahl von Kontaktstellen verbunden,
wobei die Kontaktstellen als Fixiermittel zwischen dem Stützstrang
und dem Drahtleiter wirken, die reibschlüssig oder stoffschlüssig
ausgebildet sind.
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Bevorzugt
ist der Stützstrang aus einem elektrisch leitfähigen
und lötfähigen Material ausgebildet. Da die Anforderungen
an die elektrische Leitfähigkeit des Stützstrangs
nicht so hoch sind, eignen sich dafür auch Metalllegierungen
wie Eisen-Nickel. Diese weisen eine geringe Temperaturausdehnung auf,
was in der Anwendung von Vorteil sein kann, wenn der Stützstrang
entlang seiner Erstreckungsrichtung stoffschlüssig an einem
Bauelement befestigt ist.
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Entsprechend
den vorangehenden Ausführungen ist es vorteilhaft, dass
der Stützstrang zumindest abschnittsweise mit einem Lötmittel
als Nieder temperaturlot mit einer Schmelztemperatur von weniger
als 180°C, bevorzugt weniger als 150°C beschichtet
ist. Ebenso ist denkbar, ein Lötmittel vorzusehen, dass
einen Schmelzpunkt von mehr als 200°C aufweist, damit dieses
bei einem Laminierungsprozess nicht aufschmilzt.
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Eine
weitere grundsätzliche Variante zur Ausbildung der Fixiermittel
des Drahtsystems sieht vor, dass die Fixiermittel reibschlüssig
wirkende Fixiermittel umfassen. An den reibschlüssig wirkenden Fixiermitteln
ist ein mechanischer Kontakt zwischen einem Kontaktabschnitt des
Drahtleiters mit einem weiteren Bauelement zur Ausbildung des Reibschlusses
vorgesehen. Dabei kann es sich sowohl um ein zusätzlich
zum Drahtleiter vorgesehenes Bauelement handeln als auch um einen
weiteren Abschnitt des Drahtleiters selbst, der sich mit dem Kontaktabschnitt
des Drahtleiters verschlingt.
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Die
Variante des zusätzlich vorgesehenen reibschlüssigen
Fixiermittels sieht vor, dass die reibschlüssigen Fixiermittel
aus mindestens einem Stützstrang gebildet sind, der entlang
von Kontaktabschnitten des Stützstrangs reibschlüssige
Verbindungen zwischen dem Stützstrang und dem Drahtleiter ausbildet.
Dazu ist der Stützstrang zwischen den Maschen des Drahtsystems
verflochten. Durch das Einflechten eines Stützstrangs in
die Maschenstruktur lässt sich die maschenartige Anordnung
des Drahtleiters auf besonders einfache Weise fixieren.
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Der
Begriff des Einflechtens ist derart breit auszulegen, dass darunter
jede Führung des Stützstrangs zu verstehen ist,
die aus einer zumindest abschnittsweise zweidimensionalen Erstreckung
des Drahtleiters heraus- und wieder hinein oder hindurch tritt,
wobei zumindest ein Abschnitt des Drahtleiters in mechanischem Kontakt
gekreuzt wird.
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Bevorzugt
ist der Stützstrang im ersten oder im zweiten Kontaktierungsabschnitt
angeordnet, oder ein erster Stützstrang ist im ersten Kontaktierungsabschnitt
und ein zweiter Stützstrang ist im zweiten Kontaktierungsabschnitt
des Drahtsystems angeordnet. Dadurch ist gewährleistet,
dass reibschlüssige Fixiermittel in den Kontaktierungsabschnitten
ebenfalls eine Änderung des Verlaufs des Drahtleiters beim
Alternieren zwischen den Kontaktabschnitten ermöglichen.
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Entsprechend
den vorangehenden Ausführungen ist es von Vorteil, dass
der Stützstrang zumindest abschnittsweise mit einem Lötmittel
als Niedertemperaturlot mit einer Schmelztemperatur von weniger
als 180°C, bevorzugt weniger als 150°C beschichtet
ist. Ebenso ist denkbar, ein Lötmittel mit einem Schmelzpunkt
von mehr als 200°C vorzusehen.
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Die
Variante reibschlüssiger Fixiermittel gebildet aus dem
Drahtleiter des Drahtsystems selbst ist mit Vorteil so vorgesehen,
dass die reibschlüssig wirkenden Fixiermittel in Form sich
umschlingender Abschnitte des Drahtleiters in gestrickt oder gehäkelt ineinander
greifenden Maschen ausgebildet sind. Derartige Drahtsysteme lassen
sich besonders einfach und wirtschaftlich auf entsprechenden Strick- oder
Häkelmaschinen als Endlossysteme herstellen.
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Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung Solarzellen, die mittels eines
Drahtsystems mit den Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß den
vorangehenden Ausführungen elektrisch in Serie verschaltet
sind. Das Drahtsystem eignet sich insbesondere für Solarzellen,
die aus Halbleiterwafern hergestellt sind und bei der Herstellung
von Solarmodulen verschaltet werden müssen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Solarzellen als rückseitenkontaktierte
Solarzellen mit einer ineinander greifenden Elektrodenstruktur aus
Basiselektroden und Emitterelektroden ausgebildet sind. Eine solche
Elektrodenstruktur kann sehr vielfältige Geometrien aufweisen.
Die üblicherweise benachbart angeordnet und in ihrer Polarität
alternierend ausgebildeten Elektroden sind regelmäßig
sehr viel länger als breit. Dabei können diese
Elektroden als Stege gleichmäßiger Breite aber
auch mit beispielsweise konisch geformten Geometrien vorgesehen sein.
Das Drahtsystem ermöglicht eine sehr flexible Anpassung
an die für die Solarzellen-Performance individuell optimierte
Geometrie der Elektrodenstruktur.
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Derartige
Elektrodenstrukturen rückseitenkontaktierter Solarzellen
sehen beispielsweise vor, dass in Solarzellen-Kontaktierungsabschnitten
Solarzellen-Buskontakte mit einer Breite von weniger als 2 mm, bevorzugt
mit zirka 1 mm Breite ausgebildet sind. Bevorzugt ist benachbart
zu den Solarzellen-Buskontakten die Elektrodenstruktur abschnittsweise
mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen. Auf diese Weise
lassen sich Montagetoleranzen bei der Positionierung des Drahtsystems
zwischen zwei zu kontaktierenden Solarzellen erhöhen.
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Eine
weitere vorteilhafte Variante betreffend rückseitenkontaktierter
Solarzellen sieht vor, dass in einem ersten Solarzellen-Kontaktierungsabschnitt ausschließlich
die Basiselektroden mit einer entsprechend strukturierten Basis-Isolatorschicht
abgedeckt sind, und in einem zweiten Solarzellen-Kontaktierungsabschnitt
ausschließlich die zu den abgedeckten Basiselektroden korrespondierenden
Emitterelektroden mit einer entsprechend strukturierten Emitter-Isolatorschicht
abgedeckt sind. Auf diese Weise werden nur die Elektroden der jeweils
erwünschten Polarität für eine Kontaktierung
durch das Drahtsystem bereitgestellt, wobei über die Erstreckung
der Isolatorschichten eine entsprechende Positionierungstoleranz
des Drahtsystems bei der Montage gewährleistet ist. Diese
Variante ist sowohl für eine Elektrodenstruktur mit Buskontakten
als auch eine Elektrodenstruktur ohne Buskontakte denkbar.
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Bevorzugt
sind die Solarzellen derart ausgebildet, dass im Bereich der Basis-Isolatorschicht und/oder
im Bereich der Emitter-Isolatorschicht eine Schicht aus Lötmittel
aufgebracht ist. Mit der Bezeichnung „im Bereich der Basis/Emitter-Isolatorschicht"
soll verdeutlicht werden, dass das Lötmittel bevorzugt
auch auf den nicht durch die Isolatorschicht abgedeckten benachbarten
Elektroden aufgebracht ist. Bevorzugt weist das Drahtsystem zumindest
in seinen Kontaktierungsabschnitten ein Lötmittel auf,
das beim Lötvorgang mit dem auf der Solarzelle vorgesehen
Lötmittel zusammenwirkt. Dies ermöglicht ebenfalls
eine vereinfachte Montage. Insbesondere wenn das Lötmittel – entsprechend
den vorangehenden Ausführungen – einen an die
Laminiertemperatur für die Verkapselung eines Solarmoduls
angepassten Schmelzpunkt aufweist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der Solarzellen mit
Isolatorschichten ist derart ausgebildet, dass die Basis-Isolatorschicht
und die Emitter-Isolatorschicht eine unterschiedliche Farbe und/oder
Geometrie und/oder Oberflächentextur aufweisen. Dadurch
ist insbesondere bei der Montage rückseitenkontaktierter
Solarzellen auf einfache Weise gewährleistet, dass die
für die Verschaltung der Solarzellen benötigte
Polarität der Elektroden klar und deutlich erkennbar ist.
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Weiterhin
umfasst die vorliegende Erfindung ein Solarmodul mit Solarzellen,
die gemäß den vorangehenden Ausführungen
ausgebildet und mit entsprechenden Drahtsystemen verschaltet sind.
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Weitere
Vorteile und Aspekte der Erfindung werden im Zusammenhang mit der
nachfolgenden Beschreibung in den Figuren dargestellter bevorzugter
Ausführungsformen verdeutlicht.
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Es
zeigt:
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1 eine
erste Ausführungsform eines Drahtsystems mit jeweils einem
Stützstrang im ersten und zweiten Kontaktierungsabschnitt;
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2 eine
zweite Ausführungsform des Drahtsystems mit nur einem Stützstrang
im ersten Kontaktierungsabschnitt;
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3 eine
dritte Ausführungsform des Drahtsystems ohne Stützstrang;
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4 eine
vierte Ausführungsform des Drahtsystems mit jeweils einem
eingeflochtenen Stützstrang im ersten und im zweiten Kontaktierungsabschnitt;
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5 eine
fünfte Ausführungsform des Drahtsystems mit nur
einem eingeflochtenen Stützstrang;
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6 eine
sechste Ausführungsform des Drahtsystems ohne Stützstränge
als verstrickte maschenartige Anordnung;
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7 einen
vergrößerten Ausschnitt einer ersten Variante
zweier elektrisch miteinander verschalteter Solarzellen unter Einsatz
eines Drahtsystems gemäß 1;
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8 einen
vergrößerten Ausschnitt einer zweiten Variante
zweier elektrisch miteinander verschalteter Solarzellen unter Einsatz
eines Drahtsystems gemäß 1 und
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9 einen
schematischen Ausschnitt eines Solarmoduls mit elektrisch verschalteten
Solarzellen.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform eines Drahtsystems 1 zum
elektrischen Kontaktieren einer Solarzelle. Das Drahtsystem 1 umfasst
einen Drahtleiter 10, der als Endlosstrang periodisch alternierend
entlang einer Erstreckungsrichtung E zwischen einem ersten Kontaktierungsabschnitt 1a und einem
zweiten Kontaktierungsabschnitt 1b des Drahtsystems 1 hin
und her verläuft. Dabei sind die beiden Kontaktierungsabschnitte 1a, 1b gleichmäßig voneinander
beabstandete Bereiche des Drahtsystems 1, die entlang der
Erstreckungsrichtung E des Drahtsystems 1 verlaufen.
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Durch
seinen alternierenden Verlauf bildet der Drahtleiter 10 eine
Mehrzahl von Maschen 100 aus, die sich entlang der Erstreckungsrichtung
E periodisch wiederholen. Im ersten Kontaktierungsabschnitt 1a ist
ein Stützstrang 50a und im zweiten Kontaktierungsabschnitt 1b ein
zweiter Stützstrang 50b angeordnet, die beide
entlang der Erstreckungsrichtung E verlaufen. Die maschenartig mäandrierende Anordnung
des Drahtleiters 10 wird durch Fixiermittel 11 gewährleistet,
die die Maschen 100 an den Stützsträngen 50a, 50b fixieren.
Diese in dieser Ausführungsform des Drahtsystems 1 stoffschlüssig
ausgebildeten Fixiermittel 11 sind hier als punktförmig
ausgebildete Lot- oder Klebebereiche realisiert.
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Das
gesamte Drahtsystem 1 ist als ein entlang der Erstreckungsrichtung
E endlos verlaufendes System ausgebildet. Dies soll durch die in 1 dargestellten
geschwungenen Bruchlinien an den gezeigten Enden des Drahtleiters 10 und
der Stützstränge 50a, 50b verdeutlicht
werden. Für den Einsatz zum elektrischen Kontaktieren von
Solarzellen wird die entlang der Erstreckungsrichtung E benötigte
Länge abgetrennt.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform des Drahtsystems 1.
Anders als bei der ersten Variante ist nur ein Stützstrang 50a im
ersten Kontaktierungsabschnitt 1a vorgesehen. Der Drahtleiter 10 und
der erste Stützstrang 50a entsprechen zusammen
mit den stoffschlüssigen Fixiermitteln 11 der
in 1 gezeigten Darstellung der ersten Ausführungsform
des Drahtsystems. Gleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen und die vorangehenden Ausführungen gelten entsprechend
für die zweite Ausführungsform. im Unterschied
zur ersten Ausführungsform weist die zweite Ausführungsform des
Drahtsystems 1 im Bereich des ersten Kontaktierungsabschnittes 1a und
im Bereich des zweiten Kontaktierungsabschnittes 1b Lötmittel 40 auf.
Im ersten Kontaktierungsabschnitt 1a sind die Lötmittel 40 als
Beschichtung des Stützstrangs 50a vorgesehen.
Im zweiten Kontaktierungsabschnitt 1b des Drahtsystems 1 sind
die Lötmittel 40 an den Scheitelbereichen der
Maschen 100 als Beschichtung des Drahtleiters 10 vorgesehen.
Die Anordnung der Lötmittel 40 richtet sich nach
den gegebenen Randbedingungen der elektrisch zu kontaktierenden
Solarzelle. Davon abhängig können sich die Lötmittel 40 mehr
oder weniger weit auf den Stützsträngen 50a, 50b und/oder
Drahtleitern 10 erstrecken.
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform des Drahtsystems 1.
Anders als die ersten beiden Ausführungsformen ist diese
Variante ganz ohne Stützstränge ausgebildet und
ausschließlich aus einem periodisch mäandrierenden
Drahtleiter 10 mit sich in Erstreckungsrichtung E wiederholenden
Maschen 100 aufgebaut. Die maschenartige Anordnung des Drahtleiters 10 wird
durch stoffschlüssige Fixiermittel 11 in Form
von Löt- oder Klebemitteln gewährleistet, die
benachbart zueinander zu liegen kommende Abschnitte der mäandrierenden
Maschen 100 miteinander verbinden. Anders als bei den vorangehend
beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die stoffschlüssigen Fixiermittel 11 hier
als oval geformte Lot- bzw. Klebebereiche ausgebildet. Die Größe
und Form der stoffschlüssigen Fixiermittel 11 kann
abhängig von den gegebenen Randbedingungen des alternierend
verlaufenden Drahtleiters 10 über einen weiten
Bereich variiert werden. Lötmittel 40 zur Herstellung
eines elektrischen Kontaktes vom Drahtsystem 1 zu einem
anderen Bauelement sind in Scheitelbereichen der Maschen 100 als
Beschichtungen des Drahtleiters 10 vorgesehen.
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4 zeigt
eine vierte Ausführungsform des Drahtsystems 1.
Der mäandrierende Verlauf des Drahtleiters 10 mit
dabei ausgebildeten Maschen 100 entspricht dem der vorangehenden
Ausführungsformen. Die maschenartige Anordnung des Drahtleiters 10 ist
jedoch durch reibschlüssig wirkende Fixiermittel 12 gewährleistet.
Entlang der Erstreckungsrichtung E verlaufend sind ähnlich
zur ersten Ausführungsform aus 1 im ersten
Kontaktabschnitt 1a ein erster Stützstrang 50a und
im zweiten Kontaktabschnitt 1b des Drahtsystems 1 ein
zweiter Stützstrang 50b vorgesehen. Anders als
bei der ersten Ausführungsform verlaufen die beiden Stützstränge 50a, 50b nicht
in einer Ebene mit dem Drahtleiter 10. Vielmehr sind die
Stützstränge 50a, 50b im Scheitelbereich
der Maschen 100 des Drahtleiters 10 mit dem Drahtleiter 10 verflochten.
Das heißt entlang der Erstreckungsrichtung E betrachtet
verlaufen die Stützstränge 50a, 50b alternierend über
und unter den Drahtleitermaschen 100. Im Scheitelbereich
der Maschen 100 werden dabei Kontaktbereiche zwischen den
Stützsträngen 50a, 50b und dem
Drahtleiter 10 ausgebildet. Diese Kontaktbereiche wirken
als reibschlüssige Fixiermittel 12 derart, dass
die maschenartige Struktur des Drahtleiters 10 entgegen
einer vom mäandrierend gewundenen Drahtleiter 10 ausgehenden
Rückstellkraft fixiert bleibt. Auch wenn es in 4 nicht
dargestellt ist, kann die vierte Ausführungsform des Drahtsystems
an den Stützsträngen 50a, 50b und/oder
am Drahtleiter 10 zumindest abschnittsweise mit einem Lötmittel
versehen sein.
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5 zeigt
eine fünfte Ausführungsform des Drahtsystems 1 als
Kombination der vierten Ausführungsform aus 4 mit
der dritten Ausführungsform aus 3. Anders
als die vierte Ausführungsform ist nur im ersten Kontaktierungs abschnitt 1a des
Drahtsystems 1 ein eingeflochtener Stützstrang 50a mit reibschlüssig
wirkenden Fixiermitteln 12 vorgesehen. Zu diesem eingeflochtenen
Stützstrang 50a gelten die Ausführungen
der 4 entsprechend. Im zweiten Kontaktierungsabschnitt 1b wird
die maschenartige Anordnung des Drahtleiters 10 mittels
stoffschlüssiger Fixiermittel 11 in benachbart
zueinander zu liegen kommenden Bereichen der Maschen 100 fixiert.
Dazu gelten entsprechend die Erläuterungen zu der in 3 gezeigten
dritten Ausführungsform. Hinsichtlich der Anordnung von
Lötmitteln gelten die Ausführungen im Zusammenhang
mit 4 entsprechend.
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6 zeigt
eine sechste Ausführungsform des Drahtsystems 1,
die ohne zusätzlich zu einem Drahtleiter 10 vorgesehene
Stützstränge auskommt. Anders als bei den bisherigen
Ausführungsformen des Drahtsystems 1 sind hier
Fixiermittel nicht als zusätzlich zum Drahtleiter 10 vorgesehene
Strukturen ausgebildet. Reibschlüssig wirkende Fixiermittel 13 werden
in Form verstrickter Abschnitte des Drahtleiters 10 selbst
realisiert. Dazu verläuft der Drahtleiter 10 als
maschenartig, gestrickte Anordnung von Maschen 100, die
sich entlang der Erstreckungsrichtung E periodisch wiederholen.
Die Rückstellkräfte des in sich verschlungenen
mäandrierenden Drahtleiters werden durch den mechanischen
Reibschluss in den Fixiermitteln 13 aufgenommen. Über
die dargestellte Variante miteinander verstrickter Maschen 100 sind eine
Vielzahl weiterer verstrickter oder verhäkelter Anordnungen
des Drahtleiters 10 möglich. Hinsichtlich der
Anordnung von Lötmitteln am Drahtsystem 1 gelten
die vorangehend gemachten Ausführungen.
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Zusammenfassend
ist zu den sechs Ausführungsformen des Drahtsystems 1 zu
betonen, dass die jeweils gezeigten Varianten der stoffschlüssigen Fixiermittel 11 und
der reibschlüssigen zusätzlich vorgesehenen Fixiermittel 12 und
der reibschlüssig aus dem Drahtleiter 10 gebildeten
Fixiermittel 13 frei miteinander kombinierbar sind.
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Ebenso
ist es keineswegs zwingend, dass die alternierende Ausbildung von
Maschen 100 der maschenartigen Struktur des Drahtleiters 10 entlang der Erstreckungsrichtung
E gleichmäßig periodisch erfolgt. Die gezeigten
Varianten stellen nur einen Bruchteil der möglichen Ausführungsformen
des Drahtsystems 1 dar.
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Als
Drahtleiteraufbau eignet sich besonders ein Drahtleiter aus einem
Kupferkern, der zur Verhinderung einer Kupfer-Diffusion mit einer
Diffusionssperrschicht, beispielsweise aus Nickel oder Zinn umgeben
ist. Da die Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit
von Stützsträngen nicht so hoch sind, eignen sich
dafür auch Metalllegierungen wie Eisen-Nickel. Diese weisen
eine geringe Temperaturausdehnung auf, was bei einer stoffschlüssigen
Verbindung von Abschnitten des Stützstranges vorteilhaft
ist. Bevorzugt kommt ein Drahtleiterdurchmesser von kleiner als
0,5 mm besonders bevorzugt kleiner als 0,15 mm zum Einsatz. Dadurch
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Ferner
bleibt zu betonen, dass durch die vorliegende Erfindung die Verwendung
der beschriebenen Drahtsysteme in all ihren vielfältigen
Varianten für die elektrische Kontaktierung von Solarzellen,
insbesondere von Wafer-Solarzellen, beschrieben ist.
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Auf
den Einsatz des Drahtsystems 1 zum elektrischen Kontaktieren
von Solarzellen soll im Folgenden näher eingegangen werden.
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7 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt einer ersten Variante
zweier elektrisch miteinander verschalteter Solarzellen 2 unter
Einsatz eines Drahtsystems 1 gemäß 1.
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Die
beiden Solarzellen 2 sind jeweils als rückseitenkontaktierte
Solarzellen mit ihrer rückseitigen Elektrodenstruktur 21 erkennbar.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Elektrodenstruktur 21 jeweils
fingerartig ineinander greifende Basiselektroden 210 und
Emitterelektroden 211. Dargestellt sind zwei aneinander
grenzende Randbereiche der Solarzellen 2. In diesen Randbereichen
weisen die Solarzellen einander gegenüberliegend angeordnete
Solarzellen-Kontaktierungsabschnitte 2a, 2b auf.
Im Solarzellen-Kontaktierungsabschnitt 2a der links dargestellten
Solarzelle 2 ist eine elektrisch isolierende Basis-Isolatorschicht 220 vorgesehen.
Diese Basis-Isolatorschicht 220 ist derart strukturiert,
dass ausschließlich die Basiselektroden 210 der
Elektrodenstruktur 21 abgedeckt sind. Im Solarzellen-Kontaktierungsabschnitt 2b der
rechts dargestellten Solarzelle 2 ist eine elektrisch isolierende
Emitter-Isolatorschicht 221 vorgesehen. Diese Emitter-Isolatorschicht 221 ist
derart strukturiert, dass ausschließlich die Emitterelektroden 211 der
Elektrodenstruktur 21 abgedeckt sind. Dadurch ist sichergestellt,
dass ein Drahtsystem 1, das sich aus dem Solarzellen-Kontaktierungsabschnitt 2a der
linken Solarzelle 2 in den Solarzellen-Kontaktierungsabschnitt 2b der
rechten Solarzelle 2 erstreckt, ausschließlich
Emitterelektroden 211 der linken Solarzelle 2 mit
Basiselektroden 210 der rechten Solarzelle 2 elektrisch
miteinander kontaktieren kann. Als Drahtsysteme 1 eignen
sich neben der hier dargestellten ersten Ausführungsform gemäß 1 sämtliche
weiteren beschriebenen und darüber hinaus denkbaren Ausführungsformen.
Die Breite der Isolatorschichten 220, 221 stellt
einen Toleranzbereich bei der Positionierung des Drahtsystems 1 zur
Verschaltung der benachbarten Solarzellen 2 dar. Um die
Emitter-Isolatorschicht 221 einfach und eindeutig von einer
Basis-Isolatorschicht 220 differenzieren zu können,
ist es möglich eine unterschiedliche geometrische Ausgestaltung
der Schichten anzubringen. So ist die Emitter-Isolatorschicht 221 auf
seiner von der Drahtstruktur 1 abgewandten Seite beispielhaft
mit einer gezackten Kante ausgestaltet. Alternativ oder kumulativ
ist ebenso denkbar, unterschiedliche Farben und/oder eine andere
Oberflächentextur für die unterschiedlichen Isolatorschichten 220, 221 einzusetzen.
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Weiterhin
lässt sich vorsehen, im Bereich der Isolatorschichten 220, 221 in
den benachbarten Bereichen der beiden Solarzellen 2 eine
Schicht aus Lötmittel 23 vorzusehen. Diese Schicht
aus Lötmittel 23 erstreckt sich bevorzugt auch
auf die von der Isolatorschicht ausgesparten Elektroden, was aus
Gründen der Übersichtlichkeit in 7 nicht
explizit dargestellt ist. Wenn man den Schmelzpunkt des Lötmittels 23 im
Bereich der Laminiertemperatur beim Verkapseln von Solarmodulen
wählt, so findet bei Einsatz entsprechend mit Lötmittel
ausgestatteter Drahtsysteme 1 das Verlöten der
Solarzellen 2 während des Laminier-Prozessschritts
statt. Dadurch lässt sich eine weitere Vereinfachung und
Beschleunigung des Produktionsablaufes von Solarmodulen erreichen.
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8 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt einer zweiten Variante
zweier elektrisch miteinander verschalteter Solarzellen 2 unter
Einsatz eines Drahtsystems 1 gemäß 1.
Gleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und
die vorangehenden Ausführungen gelten entsprechend. Anders
als bei der ersten Variante aus 7 weisen
die Elektrodenstrukturen 21 beider Solarzellen 2 jeweils im
Solarzellen-Kontaktierungsbereich 2a, 2b einen Solarzellen-Buskontakt 20a, 20b auf,
der entlang der Erstreckungsrichtung E am Rande der Solarzelle 2 verläuft.
Der Solarzellen-Buskontakt 20a der linken Solarzelle 2 stellt
eine elektrische Verbindung mit allen Emitterelektroden 211 der
linken Solarzelle 2 her, der Solarzellen-Buskontakt 20b der
rechten Solarzelle 2 entsprechend mit den Basiselektroden 210 der rechten
Solarzelle 2. Auf der von der Kante der Solarzelle 2 abgewandten
Seite befindet sich benachbart zu den jeweiligen Solarzellen-Buskontakten 20a, 20b eine
elektrisch isolierende Schicht 22. Diese elektrisch isolierende
Schicht 22 verläuft entlang der Erstreckungsrichtung
E des Drahtsystems 1 und deckt die Basiselektroden 210 und
Emitterelektroden 211 der Elektrodenstruktur 21 ab.
Falls das Drahtsystem 1 bei der Montage abweichend von
der Darstellung in 8 zu weit auf der linken oder
rechten Solarzelle 2 platziert werden, so kommt das Drahtsystem
teilweise auf den die elektrisch isolierenden Schichten 22 zu
liegen. Dabei verhindern die elektrisch isolierenden Schichten einen
durch die fehlerhafte Positionierung verursachten Kurzschluss zwischen
Basis- und Emitterelektroden einer Solarzelle. Auf diese Weise gewährleisten
die elektrisch isolierenden Schichten zusätzliche Toleranzen
bei der Montage des Drahtsystems. Ebenso ist denkbar, die isolierende
Schicht 22 derart zu strukturieren, dass diese, entsprechend
der Darstellung aus 7, die zum jeweiligen Buskontakt 20a, 20b gehörigen
Elektroden nicht abdeckt. Die im Zusammenhang mit der ersten Variante
aus 7 gemachten Ausführungen hinsichtlich
unterschiedlicher einsetzbarer Drahtsysteme 1 gelten für
diese zweite Variante entsprechend.
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Hinsichtlich
der in den 7 und 8 gezeigten
Geometrien der Elektrodenstrukturen 21 wird betont, dass
diese nur eine von vielen möglichen Elektrodenstrukturen 21 rückseitenkontaktierter
Solarzellen 2 darstellt. Das Drahtsystem 1 ermöglicht die
flexible und druck- bzw. zugentlastende elektrische Kontaktierung
von Solarzellen, die alle möglichen Varianten von Elektrodenstrukturen
aufweisen können.
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Abschließend
zeigt 9 einen schematischen Ausschnitt eines Solarmoduls 3 mit
Solarzellen 1, die mittels eines der vorangehend beschriebenen
Drahtsysteme 1 elektrisch miteinander verschaltet sind.
Dabei handelt es sich um rückseitenkontaktierte Solarzellen 2,
deren Elektrodenstruktur aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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