DE102008037403A1

DE102008037403A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden einer Solarzelle mit einem Zellverbinder

Info

Publication number: DE102008037403A1
Application number: DE200810037403
Authority: DE
Inventors: Jörg NIEMEIER; Hans Thoma
Original assignee: ZIMMER ENERGIETECHNIK GmbH
Current assignee: J. ZIMMER MASCHINENBAU GMBH, AT; NIEMEIER, JOERG, DE
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-01
Also published as: WO2010037383A3; EP2335291A2; WO2010037383A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Solarzelle mit einem Zellverbinder mit folgenden Verfahrensschritten: (a) Positionieren eines Zellverbinders, der an mindestens einer Oberfläche mit einer Lotschicht versehen ist, parallel zu einer Hauptseite einer plattenförmigen Solarzelle; (b) Kontaktieren einer mit der Lotschicht versehenen Oberfläche des Zellverbinders mit der Hauptseite der Solarzelle in einem Verbindungsbereich; (c) Erhöhung der Temperatur eines oder mehrerer Abschnitte des Verbindungsbereichs auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes; (d) Erniedrigung der Temperatur in mindestens einem der im Schritt (c) auf über den Schmelzpunkt des Lotes erwärmten Abschnitte des Verbindungsbereichs auf eine Temperatur unterhalb des Erstarrungspunktes des Lotes. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden einer Solarzelle mit einem Zellverbinder. Insbesondere betrifft die Erfindung das Verlöten eines in der Regel stab- bzw. bandförmigen Zellverbinders mit einer im Wesentlichen plattenförmigen Solarzelle.
Das Löten der Zellverbinder auf Solarzellen ist ein qualitätsbestimmender Prozess bei der Produktion von Solarmodulen. In der Regel sind die Zellverbinder verzinnt und gefluxt. Beim automatisierten Löten werden die Zellverbinder mit Niederhaltern auf die Solarzelle gedrückt und so weit erwärmt, bis das Zinn der Zellverbinder aufschmilzt. Danach kühlt die Solarzelle wieder ab. Die Erwärmung erfolgt meistens mit Halogenstrahlern, jedoch werden auch Lötstempel, Heißluftgebläse, HF-Induktoren oder Laser eingesetzt.
Diesem Verfahren gemeinsam liegt das Problem zu Grunde, dass durch das Löten mechanische Spannungen in Solarzelle und Zellverbinder entstehen. Dieses kann zum Zellbruch führen und verhindert den Einsatz noch dünnerer Solarzellen.
Grund für diese mechanischen Spannungen sind der Verlauf der Erstarrung sowie die unterschiedlichen Ausdehnungen von Solarzelle und Zellverbinder. Der Zellverbinder aus Kupfer dehnt sich bei der Erwärmung deutlich mehr als die Solarzelle aus Silizium. Und beim anschließenden Abkühlen ziehen sich die Lötbänder stärker zusammen als die Silizium-Zelle.
Zusätzliche Spannungen entstehen dadurch, dass in der Regel die Lötanlagen von oben „durchlöten”. D. h. mittels einer Lötquelle werden die Lötbänder auf der Zelle und unter der Zelle gelötet. Die unteren Lötbänder erstarren dabei schneller als die oberen Lötbänder und ergeben somit einen größeren Zug auf der Unterseite. Als Ergebnis entstehen Zellen mit einer Durchbiegung nach unten.
1A zeigt einen Halogenbandstrahler zum Löten von Zellverbindern auf Solarzellen. Auf einer Solarzelle SZ ist ein Zellverbinder ZV angebracht. Ein Bandstrahler BS erzeugt die zum Löten benötigte Temperatur innerhalb des Verbindungsbereichs zwischen der Solarzelle SZ und dem Zellverbinder ZV. Unterhalb der Solarzelle befindet sich eine Heizplatte HP, die auf eine Temperatur Th eingestellt werden kann. Der Verbindungsbereich zwischen Solarzelle SZ und Zellverbinder ZV wird dabei im mittleren Bereich mit einer Leistung Pm und im äußeren Bereich mit einer Leistung Pa beaufschlagt. Verfahrensbedingt wird der Zellverbinder ZV dadurch in der Mitte (d. h. der Bereich, der mit der Leistung Pm beaufschlagt wird) heißer als am Rand (d. h. in dem Bereich, der mit der Leistung Pa beaufschlagt wird). Darüber. hinaus kühlt der Zellverbinder ZV am Rand wieder schneller aus. Die sich in einer herkömmlichen Lotverbindung entlang des Verbindungsbereichs einstellende Temperaturverteilung ist in 1B dargestellt. Das Lot erstarrt daher am Rand zuerst, wie in 1C dargestellt. Danach kühlt die Solarzelle SZ (mit dem Zellverbinder ZV) ab und der Zellverbinder ZV zieht sich wieder zusammen, so dass eine Spannung zwischen den beiden äußeren Punkten entsteht.
2A bis 2C zeigen die unterschiedlichen in der Solarzelle und im Zellverbinder auftretenden Ausdehnungen, wenn beide nicht verlötet werden. 2A zeigt die Länge des Zellverbinders ZV und der Solarzelle SZ vor dem Löten, d. h. bei Raumtemperatur von 20°C. Vor dem Löten haben Zellverbinder ZV und Solarzelle SZ etwa Raumtemperatur. Die Länge der Solarzelle SZ beträgt LZ-k und die Länge des Zellverbinders ZV beträgt LV-k.
2B zeigt die Länge des Zellverbinders ZV und der Solarzelle SZ während des Lötens, d. h. bei einer Löttemperatur von ca. 220–240°C. Beim Erwärmen dehnen sich Solarzelle SZ und Zellverbinder ZV aus. Dabei ist die Ausdehnung des Zellverbinders ZV mit (LV-h – LV-k) deutlich größer als die Ausdehnung der Solarzelle mit (LS-h – LS-k).
2C zeigt die Länge des Zellverbinders ZV und der Solarzelle SZ nach dem Löten und nach Abkühlung auf Raumtemperatur. Nach dem Abkühlen haben Zellverbinder ZV und Solarzelle SZ wieder die ursprüngliche Länge.
Problematisch wird dieses Verhalten jedoch, wenn Solarzelle SZ und Zellverbinder ZV miteinander verlötet werden, insbesondere, wenn die Erstarrung des Lotes am Rand beginnt und nach innen wandert. Am Rand werden Zellverbinder und Solarzelle durch das erstarrte Lot verbunden. Diese Verbindung ist in 2D durch die beiden Verbindungspunkte VP dargestellt. Daneben sind in 2D die Spannungen bzw. Kräfte, die sich beim Abkühlen zu einem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Löten durch Pfeile dargestellt. Wenn sich nun der Zellverbinder ZV mehr zusammen zieht als die Solarzelle SZ, kommt es zu Spannungen im Zellverbinder ZV, in der Solarzelle SZ und in der Verbindung. Diese Spannungen können zum Aufwölben der Solarzelle SZ oder gar zum Zellbruch führen. Die Durchwölbung des Verbundes aus Solarzelle SZ und Zellverbinder ZV ist in 2E dargestellt. Daneben sind in 2E die Spannungen bzw. Kräfte, die sich beim Abkühlen zu einem im Vergleich zum in 2D dargestellten Zeitpunkt späteren Zeitpunkt nach dem Löten durch Pfeile dargestellt. Der Durchwölbungs-Effekt wird umso wichtiger, je dünner die Solarzellen werden, d. h. immer weniger Spannung aufnehmen können. Insbesondere bei den multikristallinen Zellen, können an den Kristallgrenzen sehr schnell Mikrorisse entstehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum spannungsarmen Verbinden einer Solarzelle mit einem Zellverbinder zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale des Schutzanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2–5 und vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung in den Unteransprüchen 7–13 beschrieben.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden einer Solarzelle mit einem Zellverbinder wird der Zellverbinder, der an mindestens einer Oberfläche mit einer Lotschicht versehen ist, parallel zu einer Hauptseite einer plattenförmigen Solarzelle positioniert. Dabei kann es sich bei der Lotschicht beispielsweise um eine Lotpaste, etwa um eine Lotpaste aus Zinnlot handeln, welche bereits mit einem entsprechenden Flussmittel angereicht wurde.
Anschließend erfolgt eine Kontaktierung der mit der Lotschicht versehenen Oberfläche des Zellverbinders mit der Hauptseite der Solarzelle. Der Bereich, in dem sich der Zellverbinder und die Solarzelle berühren und der nach der nach dem Verbindungsprozess für die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Solarzelle und dem Zellverbinder sorgt, wird im Folgenden als Verbindungsbereich bezeichnet.
Liegt ein Kontakt zwischen Solarzelle und Zellverbinder vor, wird die Temperatur eines oder mehrerer Abschnitte des Verbindungsbereichs auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes erhöht. Unter Schmelzpunkt des Lotes wird dabei die Temperatur verstanden, bei der sich ein flüssiges Lotbad ausbildet.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Temperatur in mindestens einem der auf über den Schmelzpunkt des Lotes erwärmten Abschnitte des Verbindungsbereichs auf eine Temperatur unterhalb des Erstarrungspunktes des Lotes erniedrigt. Unter dem Erstarrungspunkt des Lotes wird hierbei die Temperatur verstanden, bei der das flüssige Lotbad erstarrt.
Durch dieses gezielte Aufheizen und Abkühlen bestimmter Abschnitte des Verbindungsbereichs kann die Erstarrung des Lotes exakt beeinflusst werden. Dabei ist es insbesondere möglich, die Erstarrung derart zu beeinflussen, dass eine spannungsarme Verbindung zwischen der Solarzelle und dem Zellverbinder entsteht.
Erfindungsgemäß wird die Solarzelle (und der Zellverbinder) damit so erwärmt bzw. gelötet, dass die Erstarrung lokal gesteuert wird. Zum Beispiel beginnt sie auf der einen Endseite und wandert entlang dem Zellverbinder auf die andere Endseite des linienförmigen Verbindungsbereichs.
Die Erfindung ist anhand der Ausführungsbeispiele in den Zeichnungsfiguren weiter erläutert. Es zeigen:
3A eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung;
3B eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung;
3C eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung;
3D eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung;
4A eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zum Verbinden einer Solarzelle mit einem Zellverbinder;
4B einen schematischen Temperaturverlauf beim Löten eines Zellverbinders mit einer Solarzelle mit der Vorrichtung aus 4A;
4C den Verlauf der Erstarrung des Lotes beim Löten eines Zellverbinders mit einer Solarzelle mit der Vorrichtung aus 4A;
3A zeigt eine Ausführungsform dieser Erfindung, bei der die Erwärmung punktuell mit einem Lötkolben LK erfolgt. Dieser wird auf der einen Seite auf den Zellverbinder ZV aufgesetzt und entlang des Zellverbinders ZV bewegt. Der Z-Hub ZH sorgt für eine Relativbewegung des Lötkolbens LK in einer Richtung senkrecht zum Zellverbinder ZV bzw. zur Solarzelle SZ.
Anstelle des Lötkolbens LK können auch andere Wärmequellen wie IR(Infrarot)-Punktstrahler, Bandstrahler, Infrarot-Strahler, Laser, Heißluftstrahl oder Induktion verwendet werden. Bei diesen berührungslosen Wärmequellen kann vorteilhafterweise ein Niederhalter verwenden werden, wie beispielsweise in 3B als Niederhalter NH1 gezeigt. 3B zeigt dabei das Lichtlöten durch eine Punktstrahler PS mit einem ortfesten Niederhalter NH1.
In 3C ist ein beweglicher Niederhalter NH2 dargestellt, der mit der Wärmequelle, d. h. mit dem Punktstrahler PS, bewegt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lötung in der Mitte des Zellverbinders ZV bzw. der Solarzelle SZ beginnt. Dadurch kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit verdoppelt werden. 3D zeigt eine Vorrichtung, bei der zwei Lötkolben LK jeweils in der Mitte der Solarzelle SZ mit der Lötung beginnen und dann zum rechten bzw. linken Rand bewegt werden.
Zusätzlich kann diese Lötung synchron auch unterhalb der Solarzelle SZ erfolgen und minimiert dadurch die Spannungen nochmals erheblich.
Neben der Bewegung der Wärmequelle kann der Erstarrungsprozess bei einer simultanen Erwärmung des gesamten Zellverbinders ZV auch durch die Energiedichte der Wärmequelle gesteuert werden. So zeigt 4A einen IR-Bandstrahler BS, der so gestaltet wurde, dass die Energiedichte in der Mitte geringer ist als am Rand. Dieses kann beispielsweise durch die Reflektorgeometrie, durch Blenden oder durch entsprechende Leuchtquellen erreicht werden. Bei der Erwärmung wird die Solarzelle SZ am Rand heißer als in der Mitte, wie der in 4B dargestellte Temperaturverlauf über den Verbindungsbereich illustriert. Beim Abkühlen erstarrt daher das Lot zuerst in der Mitte und die Erstarrungszone wandert von der Mitte bis zum Rand. Dieses Erstarrungsverhalten ist auch in 4C dargestellt. Dadurch werden die durch die unterschiedlichen Längenänderungen von Solarzelle SZ und Zellverbinder ZV hervorgerufenen Spannungen verringert oder ganz vermieden.
Dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn die Solarzelle SZ beidseitig erwärmt wird. So ist zum Beispiel in 4A die Solarzelle SZ auf einer Heizplatte HP angeordnet, die mehrere Zonen hat, um einen Temperaturverteilung mit Maximum am Rand zu erzielen. Die Temperaturen der einzelnen Zonen der Heizplatte HP sind in 4A mit Th1, Th2 und Th3 gekennzeichnet. Weitere Vorteile werden erzielt, wenn die IR-Lötquelle auch unterhalb der Solarzelle SZ angebracht wird.
Neben der gezielten Erwärmung kann die Erstarrung auch durch gezieltes Abkühlen (mit)gesteuert werden. Zum Beispiel kann mit einem Luftstrahl der mittlere Bereich des Verbindungsbereichs schneller abgekühlt werden, so dass die Erstarrung in der Mitte beginnt. Vorteilhaft ist es, mit mehreren Luftdüsen zu arbeiten und Luftstrom oder Temperatur so einzustellen, dass in der Mitte eine höhere Kühlwirkung entsteht. In 4A wird in die Luftdüse LD2, die sich im mittleren Bereich der Solarzelle SZ befindet, eine größere Luftmenge geblasen als in die beiden Luftdüsen LD1, die sich in Randbereichen der Solarzelle SZ befinden. Dadurch wird die Kühlleistung im mittleren Bereich verstärkt.
Vorteilhaft für den Lötprozess ist es darüber hinaus, wenn anstelle der Kühlluft ein Schutzgas, z. B. Stickstoff, eingesetzt wird.
Auch kann die gezielte Abkühlung durch Wärmeableitung über Niederhalter NH erfolgen. Diese Niederhalter NH werden so gestaltet oder gar gekühlt, dass die Wärmeableitung der Niederhalter NH, die sich im mittleren Abschnitt des Verbindungsbereichs befinden, höher ist und daher der Erstarrungsprozess in der Mitte beginnt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die einzelnen Effekte gemeinsam und gezielt aufeinander abgestimmt eingesetzt werden. So zeigt 4A ein Anordnung

– mit einem Bandstrahler BS, bei dem die Leistungsdichte im mittleren Bereich reduziert ist,
– eine unterhalb angeordnete Heizplatte HP mit mehreren Zonen (Temperatur TH1 = TH3 > TH2),
– optional eine weitere Lötquelle mit gleicher Leistungsdichte,
– zusätzlicher Kühlluft mit hoher Kühlleistung im mittleren Bereich
– Niederhalter NH mit höherer Wärmeableitung im mittleren Bereich.

BS: Bandstrahler
HP: Heizplatte
LA: Linearachse
LD1, LD2: Luftdüse
LK: Lötkolben
LV-h: Länge Zellverbinder bei Löttemperatur
LV-k: Länge Zellverbinder bei Raumtemperatur
LZ-h: Länge Solarzelle bei Löttemperatur
LZ-k: Länge Solarzelle bei Raumtemperatur
NH, NH1, NH2: Niederhalter
PS: Punktstrahler
SZ: Solarzelle
Th: Temperatur
VP: Verbindungspunkt
ZH: Z-Hub
ZV: Zellverbinder

Claims

Verfahren zum Verbinden einer Solarzelle mit einem Zellverbinder mit folgenden Verfahrensschritten: a) Positionieren eines Zellverbinders, der an mindestens einer Oberfläche mit einer Lotschicht versehen ist, parallel zu einer Hauptseite einer plattenförmigen Solarzelle; b) Kontaktieren einer mit der Lotschicht versehenen Oberfläche des Zellverbinders mit der Hauptseite der Solarzelle in einem Verbindungsbereich; c) Erhöhung der Temperatur eines oder mehrerer Abschnitte des Verbindungsbereichs auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes; d) Erniedrigung der Temperatur in mindestens einem der im Schritt c) auf über den Schmelzpunkt des Lotes erwärmten Abschnitte des Verbindungsbereichs auf eine Temperatur unterhalb des Erstarrungspunktes des Lotes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt d) die Temperatur von verschiedenen erwärmten Abschnitten des Verbindungsbereichs in einer zeitlichen Reihenfolge erniedrigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zunächst die Temperatur mindestens eines im Mittelbereich der Solarzelle gelegenen Abschnitts des Verbindungsbereichs erniedrigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zunächst die Temperatur eines in einem Randbereich der Solarzelle gelegenen Abschnitts des Verbindungsbereichs erniedrigt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei anschließend die Temperatur eines im Mittelbereich der Solarzelle gelegenen Abschnitts des Verbindungsbereichs erniedrigt wird und daran anschließend die Temperatur eines in einem weiteren Randbereich der Solarzelle gelegenen Abschnitts des Verbindungsbereichs erniedrigt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Verbinden einer Solarzelle mit einem Zellverbinder, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit – einer Positioniereinrichtung zur Positionieren eines Zellverbinders parallel zu einer Hauptseite einer plattenförmigen Solarzelle; – einer Kontaktierungseinrichtung zum Kontaktieren einer Oberfläche des Zellverbinders mit der Hauptseite der Solarzelle in einem Verbindungsbereich; – einer Temperiervorrichtung zur Erhöhung der Temperatur eines oder mehrerer Abschnitte des Verbindungsbereichs auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes und/oder zur Erniedrigung der Temperatur in mindestens einem Abschnitt des Verbindungsbereichs auf eine Temperatur unterhalb des Erstarrungspunktes des Lotes.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Temperiervorrichtung mindestens einen Lötkopf aufweist, der parallel zum Verbindungsbereich verschiebbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Temperiervorrichtung einen Bandstrahler, insbesondere einen Infrarot(IR)-Bandstrahler aufweist, der sich auf einer Hauptseite der Solarzelle über den gesamten Verbindungsbereich erstreckt und der im Mittelbereich der Solarzelle eine geringere Leistungsdichte aufweist als in Randbereichen der Solarzelle.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Temperiervorrichtung eine Heizplatte aufweist, die sich auf einer Hauptseite der Solarzelle über den gesamten Verbindungsbereich erstreckt und die im Mittelbereich der Solarzelle eine geringere Heizleistung aufweist als in Randbereichen der Solarzelle.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Temperiervorrichtung eine Gaszufuhr zur Erniedrigung der Temperatur in mindestens einem Abschnitt des Verbindungsbereichs auf eine Temperatur unterhalb des Erstarrungspunktes des Lotes aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Gaszufuhr mehrere Düsen aufweist und die Temperatur und/oder die Menge eines durch die Düsen geleiteten Gasstrahls separat für jede Düse einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Kontaktierungseinrichtung mehrere Niederhalter aufweist, die den Zellverbinder entlang des Verbindungsbereichs auf die Solarzelle drücken und wobei die im Mittelbereich der Solarzelle angeordneten Niederhalter ein höheres Wärmeableitvermögen besitzen als in Randbereichen der Solarzelle angeordnete Niederhalter.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Temperiervorrichtung an beiden Hauptseiten der Solarzelle angebracht ist.