-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschalten von Solarzellen
in einem Photovoltaikmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
-
Bei
einem Verfahren und einer Vorrichtung der vorliegenden Art wird
ein elektrisch leitendes Kontaktband zum elektrischen Verschalten
von zwei oder mehr Solarzellen mit einem thermisch aktivierbaren
Leitkleber auf elektrische Kontaktierungselemente der beteiligten
Solarzellen aufgebracht. Sodann wird der Leitkleber durch Zuführen von
Wärme aktiviert,
um das Kontaktband leitend an den elektrischen Kontaktierungselementen
der Solarzellen festzulegen und diese hierdurch miteinander zu verschalten.
-
Photovoltaikmodule
bestehen üblicherweise aus
einer Anzahl von zu einem Verbund zusammengeschalteten Solarzellen,
die in eine transparente Kunststoffschicht eingebettet sind, einer
Glasplatte auf der sonnenzugewandten Seite des Solarzellenverbundes,
einer witterungsfesten Rückseitenkaschierung,
die auf die transparente Kunststoffschicht mit den Solarzellen auflaminiert
wird, und einem Profilrahmen zum Schutz der Kanten. Die transparente Kunststoffschicht,
in der der Solarzellenverbund eingebettet ist, besteht üblicherweise
aus einem wärmeaktivierbaren
Adhäsivstoff,
beispielsweise aus Äthylenvinylacetat,
und sorgt nach einem Laminierprozess unter Druck- und Wärmeeinwirkung
für eine
witterungsfeste und feuchtigkeitsdichte Verbindung der Einzelteile
des Photovoltaikmoduls.
-
Zur
Herstellung des Solarzellenverbundes müssen die einzelnen Metallisierungen
der Solarzelle, bzw. deren Kontaktierungselemente im vorgegebenen
Schaltbild elektrisch leitend untereinander verbunden werden, so
dass letztendlich alle Solarzellen des Verbundes in einem Stromkreis
verschaltet sind, der über
eine Steckerbuchse an der Rückseite
oder der Außenseite
des Photovoltaikmoduls mit einem Verbraucher geschlossen werden
kann. Diese Verschaltung der einzelnen Solarzellen untereinander erfolgt über elektrisch
leitende Kontaktbänder,
meist verzinkte Kupferbänder
mit entsprechend der zu erwartenden Stromstärken dimensioniertem Querschnitt.
-
Das
Aufbringen eines Kontaktbands auf die elektrischen Kontaktierungselemente
der jeweilig beteiligten Solarzellen erfolgt über einen thermisch aktivierbaren
Leitkleber, dessen Klebeeigenschaften durch Zuführen und Halten von Wärme eingestellt wird.
Ein solcher meist pastös
vorliegender Leitkleber wird zunächst
auf die Kontaktierungselemente der Solarzellen aufgetragen und dann
das Kontaktband aufgelegt. Soweit ein vernetzender Leitkleber verwendet
wird, benötigt
die Anregung der Polymerreaktion typischerweise eine Temperatur
von etwa 100 bis 120°C,
während
für das
Aushärten
eine Haltetemperatur von typischerweise ca. 140 bis 160°C bei einer Einwirkdauer
von ca. 10 bis 20 Minuten notwendig ist. Das Laminieren der Photovoltaikmodule
setzt einen vollständig
ausgehärteten
Leitkleber voraus, da aus einer unvollständig vernetzten Kleberschicht
prozesskritische, bleibende Gasblasen im Modul erzeugt würden.
-
Nach
dem derzeitigen Stand der Technik wird das vorliegende Verfahren
solcherart durchgeführt,
dass zunächst
ein Leitkleber auf die Kontaktierungselemente der Solarzellen aufgebracht
und das Kontaktband auf den Leitkleber aufgelegt wird. Sodann wird
das Kontaktband auf dem Leitkleber bzw. auf den beteiligten Solarzellen
und der Glasplatte mit Klebestreifen fixiert. Der so vorbereitete,
auf der Glasplatte aufliegende oder – im Falle von Dünnschichtsolarzellen – auf der
Substratplatte befindliche Solarzellenverbund wird nachfolgend in
einen eigens für
die Leitkleberhärtung
vorgesehenen Ofen verbracht, wo der Leitkleber aktiviert und gehärtet wird. Davon
abgesehen, dass fertig metallisierte und kontaktierte Solarzellen
möglichst
wenig thermisch behandelt wer den sollten, um keine Verunreinigungen in
das Halbleitermaterial einzubringen, ist das Aufheizen des (halbfertigen)
Moduls auf die Aushärtetemperatur
des Leitklebers (also auf um die 150°C) auch unter energetischen
Gesichtspunkten und somit vom Kostenaufwand bei der Produktion her
nicht optimal. Schließlich
benötigt
der Aushärteofen
wegen der relativ langen Aushärtedauer
einen nicht unerheblichen Raum am Produktionsstandort. Um reproduzierbare, konstante
Prozessbedingungen bei der Weiterverarbeitung der Photovoltaikmodule
zu gewährleisten, müssen diese
zudem vor dem Weiterprozessieren wieder kontrolliert abgekühlt werden.
Schließlich
ergibt sich durch das Aufheizen und Abkühlen der Glasplatte des Photovoltaikmoduls
ein thermischer Stress im Glas, der unter Umständen beim weiteren Prozessieren
zu Glasbruch führen
kann.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich der
genannten Probleme zu verbessern, also die thermische Belastung
der verschiedenen Elemente des Photovoltaikmoduls in Grenzen zu
halten und die Gefahr eines Glasbruchs zu verringern.
-
Gelöst ist diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich
in den Ansprüchen
2 bis 11; bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den Ansprüchen
13 bis 21 niedergelegt.
-
Die
vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom bisherigen Stand der
Technik also vornehmlich dadurch, dass das Aktivieren des Leitklebers
zwischen dem Kontaktband und den Kontaktierungselementen der beteiligten
Solarzellen durch ein gezieltes Erwärmen des Kontaktbandes erfolgt.
Dadurch, dass die Wärme
in das Kontaktband eingebracht wird, und von dort in den Leitkleber
fließt,
also an diejenige Stelle, an der die Wärme benötigt wird, bleiben die restlichen
Teile des Photovoltaikmoduls, in diesem Stadium des Herstellungsprozesses
also insbesondere die Solarzellen und die Glasplatte, thermisch
unbelastet. Das Kontaktband selbst ist thermisch unempfindlich,
so dass die beschriebenen bisherigen Problemstellungen des Verfahrens
gelöst sind.
-
Besonders
bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn das
Kontaktband mittels Durchleiten eines Kurzschlussstroms erwärmt wird.
Hierdurch nutzt man also den Ohmschen Widerstand des Kontaktbands
aus, um dieses zu erhitzen. Ein auf den Leitungsquerschnitt des
entsprechenden Kontaktbandes abgestimmter Kurzschlussstrom kann
durch Widerstanderwärmung
innerhalb weniger Sekunden Temperaturen von 150 bis 180°C erzeugen.
-
Neben
dem großen
Vorteil, dass hierdurch sehr einfach, nämlich durch elektrische Kontaktierung
der Kontaktbänder,
die erfindungsgemäß gezielte
Erwärmung
derselben auf die benötigte
Temperatur erreicht werden kann, ergibt sich der weitere Vorteil,
dass die benötigte
Temperatur extrem schnell erreicht werden kann, beispielsweise in
einem Zeitintervall von etwa 10 Sekunden, was einem Temperaturgradienten
von ca. 1000°C/min
entspricht. Besonders vorteilhaft ist dies deswegen, da viele thermisch aktivierbare
Klebersysteme, soweit sie vernetzend sind, unter großen Temperaturgradienten
schneller polymerisieren als unter kleinen Temperaturgradienten.
-
Um
die thermische Belastung der Solarzellen und der Glasplatte so klein
wie möglich
zu halten, sowie für
eine einfachere Regelung des per Kurzschlussstrom in das Kontaktband
eingebrachten Wärme
ist es bevorzugt, dass der Kurzschlussstrom in mehreren aufeinanderfolgenden
Stromstößen durch
das Kontaktband geleitet wird, und zwar insbesondere mit einer Zeitdauer
von ca. 1 Sekunde bis ca. 10 Sekunden.
-
Insbesondere
bei Dünnschichtsolarzellen, die
bereits seriell untereinander verschaltet sind, ist es zur Vermeidung
von Schäden
vorteilhaft, wenn die beiden Kontaktbänder der einzelnen Dünnschichtmodule
mit abwechselnden Stromstößen beaufschlagt
werden, also niemals beide Kontaktbänder gleichzeitig bestromt
werden.
-
Unabhängig davon,
ob die Erwärmung
des Kontaktbandes mittels Durchleiten eines Stroms oder auf andere
Weise erfolgt, kann diese Erwärmung
auf eine Temperatur vorgenommen werden, die höher liegt als die bisher für die Aktivierung
bzw. Aushärtung
der Leitkleber verwendete Temperatur, ohne dass die Solarzellen
oder die Glasplatte Schaden nehmen; denn diese werden hierbei nicht
oder nur kaum erwärmt.
Durch diese möglichen
höheren
Temperaturen verkürzt
sich die Aushärtezeit
der üblichen Leitkleber
nochmals, was die Prozessdauer naturgemäß verringert.
-
Da
sich das Kontaktband bei Erwärmung ausdehnt,
ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, einen Niederhalter
zu verwenden, der das Kontaktband zumindest während des Erwärmens auf
den Leitkleber drückt
und hierdurch ein Aufwölben
des Kontaktbandes verhindert. Dieser Niederhalter überdeckt
das Kontaktband vorzugsweise im Wesentlichen ganzflächig und
besteht aus elektrisch nichtleitendem, temperaturbeständigem Material,
also beispielsweise einem Kunststoff (z. B. PTFE oder PEEK). Die
elektrisch nicht leitende Ausbildung des Niederhalters ermöglicht eine
Kombination desselben mit der bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrensvariante,
bei der das Kontaktband mittels Durchleitens eines Kurzschlussstroms
erwärmt
wird. Denn die Elektroden zum Durchleiten des Kurzschlussstroms
durch das Kontaktband können
dann insbesondere in den Niederhalter integriert sein, so dass sich
eine separate Kontaktierung des Kontaktbandes erübrigt.
-
Die
Temperatur des Kontaktbandes wird vorzugsweise durch einen Temperaturfühler überwacht, wobei
der Temperaturfühler
auch als Messgröße für eine Regelung
der Temperatur des Kontaktbandes verwendet werden kann. Zweckmäßigerweise
ist dieser Temperaturfühler
am Niederhalter angebracht, soweit ein solcher vorhanden ist.
-
Das
erfindungsgemäße gezielte
Erwärmen des
Kontaktbandes kann alternativ zum Durchleiten eines Kurzschlussstroms
dadurch erfolgen, dass das Kontaktband durch ein daran anliegendes
Heizelement mittels Wärmeleitung
erwärmt
wird. Ein solches Heizelement ist vorzugsweise an das Kontaktband anstellbar
und von diesem abstellbar. Bevorzugterweise kann der Niederhalter,
soweit ein solcher vorhanden ist, als Heizelement verwendet werden
bzw. kann das Heizelement in den Niederhalter integriert werden.
-
Die
Einbringung von Wärme
in das Kontaktband durch ein daran anliegendes Heizelement bzw. ein
in einen Niederhalter integriertes Heizelement kann auch zusätzlich zum
Erwärmen
des Kontaktbands mittels Durchleitens eines Kurz schlussstroms erfolgen.
Das Heizelement sorgt dann für
eine Wärmegrundlast
auf das Kontaktband, die zum Beispiel den Leitkleber aktiviert.
Diese Wärmegrundlast
kann besonders gut über
einen Temperaturfühler
geregelt werden. Die Erwärmung
des Kontaktbandes auf Aushärtetemperatur
des Leitklebers – und
hier vorzugsweise auf eine besonders hohe Aushärtetemperatur, um die Aushärtezeit
klein zu halten – wird
dann durch zusätzliches
Durchleiten eines Kurzschlussstroms im Kontaktband erzeugt, gegebenenfalls
mit intervallartigen Stromstößen.
-
Versuche
der Anmelderin haben in diesem Zusammenhang gezeigt, dass die Aushärtung des Leitklebers
nur zu etwa 70 bis 80% erfolgen muss, um die nachfolgenden Prozessschritte
ohne Beeinträchtigungen
durchlaufen zu können.
Das Kontaktband und/oder der Leitkleber lösen sich dann nicht mehr ab,
und es können
aus dem Leitkleber keine störenden
Prozessgase mehr austreten, die im Endeffekt zu Blasen im Photovoltaikmodul
führen
könnten.
Die Aushärtedauer
und damit die Prozessdauer zum Verschalten der Solarzellen wird
durch diese erfinderische Erkenntnis nochmals reduziert, wobei die Wärmebelastung
der Solarzellen bzw. der Glasplatte nochmals geringer bleibt.
-
Insbesondere
aufgrund der optional vorhandenen Niederhalter, jedoch auch schon
alleine deswegen, weil die Erwärmung
des Kontaktbandes sehr schnell und gegebenenfalls pulsartig erfolgt,
ist ein Aufwölben
des Kontaktbandes nicht mehr zu befürchten, so dass auf die bislang
generell notwendigen Klebstreifen zur Fixierung des Kontaktbandes auf
dem Leitkleber verzichtet werden kann.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäß ausgestaltete
Vorrichtung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben
und erläutert.
Es zeigen:
-
1 einen
schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
quer zur Transportrichtung;
-
2 eine
schematische Seitenansicht zur Schnittdarstellung nach 1.
-
Die
in 1 in einer Draufsicht (in Transportrichtung des
Werkstücks)
dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Tisch 1 mit
einer Anzahl von darauf angeordneten Rollen 2 sowie einem
beweglichen Oberteil 3, das mittels eines Fluidzylinders 4 angehoben
und abgesenkt werden kann. Wenn das bewegliche Oberteil 3 angehoben
ist, kann ein Photovoltaikmodul 5 auf den Rollen 2 bewegt
werden, um es in die Vorrichtung einzufahren und aus dieser wieder herauszufahren.
Streng genommen handelt es sich noch nicht um ein Photovoltaikmodul 5,
da dieses im derzeitigen Stadium des Herstellungsverfahrens lediglich
aus einem Verbund von Solarzellen 6 besteht, die auf einer
Glasplatte 13 angeordnet sind und auf ihren Kontaktierungselementen,
also in der Regel den Metallisierungen, mit jeweils einem pastösten Leitkleber 7 und
einem darauf aufgelegten Kontaktband 8 versehen sind. Denn
die Aufgabe der dargestellten Vorrichtung ist es erfindungsgemäß gerade, die
Kontaktbänder 8 auf
dem Modul 5 zu fixieren und hierdurch die Solarzellen 6 zu
verschalten. Die Fixierung soll dabei so weit erfolgen, dass in
späteren
Prozessschritten bei der Herstellung des Photovoltaikmoduls, also
insbesondere beim Laminieren desselben, kein mechanisches Ablösen eines
Kontaktbandes 8 und/oder des Leitklebers 7 erfolgt
und außerdem
keine störenden
Prozessgase mehr aus dem Leitkleber 7 austreten können, die
in der später
aufgebrachten, für
den Laminierprozess wichtigen Kunststoff- bzw. Kleberschicht zu
Blasen führen könnten.
-
Zu
diesem Zweck ist die in 1 dargestellte Vorrichtung mit
zwei Niederhaltern 9 ausgerüstet, die, wie 2 zeigt,
die Kontaktbänder 8 im
Wesentlichen ganzflächig
abdecken und auf die Leitkleberschicht 7 aufpressen. Die
Niederhalter 9 bestehen aus einem bis über 200°C temperaturbeständigen Kunststoffmaterial,
und in ihrem Inneren ist jeweils ein Heizelement 10 angebracht,
das für
eine Wärmegrundlast
auf das Kontaktband 8 sorgt, beispielsweise mit einer Temperatur
von 100 bis 150°C
im Kontaktbereich zwischen dem Niederhalter 9 und dem Kontaktband 8.
Diese Temperatur wird mit einem in 2 dargestellten
Temperaturfühler 12 laufend
gemessen, so dass das Heizelement 10 entsprechend einer
vorgegebenen Solltemperatur geregelt werden kann.
-
Wie
in 2 besser zu erkennen ist, sind Elektroden 11 in
die Niederhalter 9 integriert, und zwar jeweils in den
beiden Endbereichen jedes Kontaktbandes 8. Mittels dieser
Elektroden 11 kann ein leitender Kontakt zum Kontaktband 8 hergestellt
werden, so dass ein Kurzschlussstrom durch das Kontaktband 8 geleitet
werden kann, um dieses auf eine Temperatur aufzuheizen, bei der
der Leitkleber 7 aktiviert und gegebenenfalls ausgehärtet wird.
Dadurch, dass sich das Kontaktband 8 aufheizt, die Wärme also
gezielt in das Kontaktband 8 eingebracht wird, fließt dieselbe
in den direkt benachbarten Leitkleber 7, wo sie benötigt wird.
Höchstens
ein Bruchteil dieser Wärme
gelangt in die Solarzellen 6 und über die Solarzellen 6 in
die Glasplatte 13, so dass zum einen die thermische Belastung
der Solarzellen 6 vorteilhaft gering bleibt und zum anderen
ein thermischer Stress in der Glasplatte 13 unterbleibt.
-
Beim
Photovoltaikmodul des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es
sich um ein Modul mit Dünnschichtsolarzellen,
die über
die Breite des Moduls lediglich mit zwei Kontaktbändern 8 verschaltet
werden müssen.
Die zwischenliegenden Solarzellen 6 sind bereits seriell
miteinander verschaltet, so dass vorliegend die beiden Kontaktbänder 8 über die jeweiligen
Elektroden 11 rechts und links abwechselnd mit Stromstößen erhitzt
werden, um die Leitkleberschichten 7 zu aktivieren. Eine
typische Stromstoßfolge
besteht aus mehreren, 5 bis 10 s andauernden Intervallen mit Stromstärken von
ca. 50 bis 100 A. Darüber
hinaus sind die beiden Niederhalter 9 mit den integrierten
Heizelementen 10 einzeln vom jeweiligen Kontaktband 8 weg
anhebbar und auf dieses absenkbar, um die Einwirkdauer der vom Heizelement 10 herrührenden
Wärmegrundlast
durch Intervalle zu begrenzen.
-
Die
für die
Aktivierung der Leitkleber 7 notwendige Wärme wird
demnach mit einem vorteilhaft geringen Energieaufwand bereitgestellt.
Diejenigen Elemente des Moduls, die nicht unbedingt mit Wärme beaufschlagt
werden müssen,
werden hinsichtlich ihrer thermischen Belastung geschont. Darüber hinaus erfolgt
das Aktivieren des thermisch reaktiven Leitklebers 7 durch
die höheren
möglichen
Temperaturen an diesem Ort sowie die hohen Temperaturgradienten
beim Aufheizen besonders schnell, so dass das erfindungsgemäße Verfahren
den Prozessschritt des Aufbringens von Kontaktbändern 8 schließlich deutlich
verkürzt.
Beispielsweise kann bei Verwendung eines vernetzenden Leitklebers 7 durch
Stoßerwärmung der
Kontaktbänder 8 mittels
Kurschluss-Stromstößen in weniger
als 60 s mehr als 80% Vernetzung des Leitklebers 7 erreicht
werden, was für
die nachfolgenden Prozessschritte in der Regel ausreicht.