DE102008046330A1 - Verfahren zum Löten von Kontaktdrähten an Solarzellen - Google Patents

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DE102008046330A1
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Jens Kalmbach
Patrik MÜLLER
Gerhard Klingebiel
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Schmid Technology Systems GmbH
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Abstract

Bei einem Verfahren zum Löten von Kontaktdrähten an eine Seite einer Solarzelle zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung weisen die Solarzellen mindestens einen metallischen streifenförmigen Bereich auf. Auf diesen wird ein Kontaktdraht zum elektrischen Anschluss der Solarzelle aufgelötet, wobei die Lötdauer bzw. die Dauer des Energieeintrags von außen an den Lötbereich sehr kurz ist und weniger als 800 ms beträgt.

Description

  • Anwendungsgebiet und Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von Kontaktdrähten an eine Solarzelle, wie es insbesondere beim Zusammenbau samt elektrischer Verschaltung von mehreren Solarzellen zu einem Verbund bzw. einem Modul durchgeführt wird.
  • In der Photovoltaik geht die technologische Entwicklung ständig in Richtung Kostensenkung und Steigerung des Wirkungsgrades. Bei der elektrischen Verbindung von Solarzellen zu einem Solarmodul werden vorwiegend Ketten bzw. sogenannte Stringer eingesetzt. In diesen Stringern werden die Zellen mittels eines Lötprozesses mit Kontaktdrähten zu Stringern verlötet. Bei diesem Lötprozess wird vorwiegend Kontaktlöten eingesetzt. Die Solarzellen werden dabei vorgewärmt und das Lötzinn des Kontaktdrahts mittels Heizstempel durch die Solarzelle mit je einer Verbindung oben und unten hindurch gelötet.
  • Um mechanische Spannungen, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Materialien, zu re duzieren und somit Zellbruch zu vermeiden, sollten die Zellen vorgewärmt werden. Die benötigte Vorwärmung der Zelle, unter Umständen bis fast zur Liquidus-Temperatur des Lötzinns, und der folgende Lötvorgang können im ungünstigen Fall einen Bruch der Solarzelle bewirken, insbesondere wenn sie schon durch Mikrorisse geschwächt ist.
  • Aus der EP 1 748 495 A1 ist ein entsprechendes vorbeschriebenes Verfahren bekannt. Dieses verwendet Induktionslöten, wie es an sich bekannt ist. Des weiteren wird hier eben die Solarzelle vorgewärmt bzw. vorgeheizt, wobei zum Vorheizen Heizplatten, Infrarot- oder Warmluftheizungen vorgesehen sein können.
  • Aufgabe und Lösung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu schaffen, mit dem Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere mechanische Spannungen in der Solarzelle durch das Vorwärmen oder den Lötvorgang selbst möglichst reduziert oder sogar ganz beseitigt werden können.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
  • Es ist vorgesehen, dass die Solarzelle mindestens einen metallisierten Kontaktbereich aufweist, der vorteilhaft streifenförmig ist. Dieser Kontaktbereich kann auch metallisch anstelle metallisiert sein, also nicht als metallisierte Beschichtung der Solarzelle, sondern ein Metallteil. Auf diesen metallisierten oder metallischen Kontaktbereich wird ein Kontaktdraht aufgelötet, um die Solarzelle elektrisch anzuschließen. Erfindungs gemäß beträgt die Lötdauer bzw. die Dauer des Energieeintrags von außen an den Lötbereich, also insbesondere an den Kontaktdraht, weniger als 800 ms. Vorteilhaft beträgt die Lötdauer bzw. die Energieeintragsdauer sogar weniger als 500 ms, beispielsweise 300 ms bis 400 ms. Dies weist den Vorteil auf, dass innerhalb dieser kurzen Zeit zwar durch einen entsprechend hohen Energieeintrag das Lötzinn bzw. das Lötmaterial zum Schmelzen gebracht werden kann, um die Lötverbindung zwischen Kontaktdraht und metallisiertem bzw. metallischem Kontaktbereich herzustellen. Gleichzeitig erfolgt jedoch keine derart große Gesamt-Erwärmung, dass die Solarzelle im Lötbereich oder nahe am Lötbereich zu warm wird bzw. eine Temperatur von beispielsweise 100°C bis 120°C überschreitet.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung findet der Energieeintrag zum Löten mit einem vorgegebenen Temperaturprofil über der Zeit statt. Ein solches Temperaturprofil sieht besonders vorteilhaft derart aus, dass der Energieeintrag bzw. somit die Temperatur am Lötbereich bzw. des Lötzinns zu Beginn des Lötvorgangs sehr stark ansteigt auf eine maximale Temperatur. Nach Erreichen dieser maximalen Temperatur kann sie kurz gehalten werden und sollte dann relativ schnell wieder abfallen, so dass sozusagen das Lötzinn sehr schnell auf Schmelztemperatur erwärmt wird. Dann erfolgt noch ein weiterer, allerdings geringerer Energieeintrag, um das Fließen des Lötzinns sowie ein Verbinden mit dem Kontaktbereich herzustellen. Deswegen reicht nach Erreichen der maximalen Temperatur eine geringere Temperatur aus, um den Lötvorgang weiter zu führen bzw. die Lötverbindung sicher und dauerhaft herzustellen. Ein Abfall der Temperatur kann auf etwa 60% der maximalen Temperatur erfolgen. Danach stoppt der Energieeintrag wieder relativ abrupt und der Lötvorgang bzw. der Energieeintrag ist schnell beendet durch schnelles Abfallen der Temperatur ohne Energieeintrag, so dass das Lötzinn erstarren kann und die Lötverbindung abgeschlossen ist.
  • Um ein solches Temperaturprofil, welches über den Energieeintrag bzw. dessen Höhe und Dauer gesteuert wird, zu erreichen, ist der Lötvorgang bzw. der Energieeintrag vorteilhaft ein geregelter Prozess, also nicht nur das gesteuerte Abfahren eines vorgegebenen Verlaufs für den Energieeintrag odgl.. Dazu kann mit einer Temperaturmesseinrichtung, vorteilhaft einem Pyrometer, die Temperaturentwicklung an dem Lötbereich überwacht werden. Diese Temperatur wird als Stellgröße zurückgegeben an die Energieerzeugung zur genauen Regelung, so dass der Energieeintrag eben so geregelt wird, dass ein vorgegebener Verlauf erreicht wird, insbesondere zur Erreichung des vorgeschriebenen Temperaturprofils. Bei diesem Temperaturprofil ist zu beachten, dass natürlich nach Beginn sowie nach Stoppen des Energieeintrags die Temperatur nicht schlagartig steigt sowie abfällt, sondern allmählich bzw. mit Verzögerung.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Solarzelle vor dem Lötvorgang ähnlich wie im Stand der Technik vorgewärmt wird. Allerdings erfolgt eine Vorwärmung vorteilhaft auf eine Temperatur von weniger als 80°C. Besonders vorteilhaft wird die Solarzelle auf etwa die mittlere Arbeitstemperatur des späteren Betriebs vorgewärmt, da sie für diese Belastung ausreichend konzipiert ist und so bei dieser Temperatur keine mechanischen Spannungen durch die Verbindung erzeugt werden. Dies können beispielsweise etwas weniger als 65°C sein. So werden mechanische Spannungen bzw. Belastungen der Solarzelle durch das Vorwärmen selbst vermieden. Gleichzeitig kann natürlich durch die Wirkung des Vorwärmens der Lötvorgang verbessert und die Lötdauer gesenkt werden.
  • Ein Vorwärmen der Solarzelle vor dem Löten kann auf übliche Art und Weise erfolgen. Das Vorwärmen dient vor allem auch dazu, dass die Lötverbindung möglichst gut ist, da das Lot dann ausreichend gut auf dem metallisierten bzw. metallischen Bereich verfließt. Die Lotschmelz temperatur liegt bei etwa 200°C, abhängig vom verwendeten Lötzinn. Soll bleifreies Lötzinn verwendet werden, so liegt die Lotschmelztemperatur noch einmal 30°C bis 40°C höher.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es möglich sein, dass nach Beenden des Energieeintrags in den Lötbereich eine gewisse Kühlung vorgenommen wird. Dies kann beispielsweise durch Anblasen mit Kühlluft odgl. erreicht werden. Die Kühlwirkung ist hier zwar nur begrenzt, allerdings entfaltet sie immer noch eine gewisse Wirkung. So kann das Ausbreiten von Wärme in die Solarzelle hinein, was als schädlich angesehen wird, vermieden werden.
  • Einerseits ist es möglich, dass beim Lötvorgang der Energieeintrag durch Induktion erfolgt, also ein Induktionslöten ist wie beim vorgenannten Stand der Technik. Damit können die erfindungsgemäßen kurzen Zeiten sowie hohen Energieeinträge erreicht werden.
  • Alternativ zu einem Induktionslöten kann der Energieeintrag beim Lötvorgang mit einem Laser erfolgen, der ebenfalls einen sehr schnellen und ausreichend hohen Energieeintrag ermöglicht. Bevorzugt steht dabei ein Lichtfleck des Lasers seitlich über den Kontaktdraht über und bestrahlt entweder den etwas breiteren metallisierten bzw. metallischen Kontaktbereich oder die Solarzelle selber. Dadurch kann ein weiteres Vorwärmen bzw. Ausgleichen des Temperaturunterschiedes zwischen Mittelpunkt des Lötbereichs einerseits und umliegender Solarzelle andererseits erreicht werden. Der Lichtfleck kann beispielsweise in seinem Durchmesser etwa doppelt so groß sein wie die Breite des angestrahlten Kontaktdrahtes, so dass er jeweils etwa mit einem Viertel seines Durchmessers bzw. der entsprechenden Teilkreisfläche die Solarzelle erwärmt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es bei einem vorgenannten größeren Lichtfleck des Lasers möglich, dass der Laser in seinem Randbereich defokussiert ist, insbesondere in einem Randbereich von 10% bis 50% und vorteilhaft etwa 30% seines Durchmessers. Dies soll der Randbereich sein, der seitlich über den Kontaktdraht wie vorstehend beschrieben übersteht und die Solarzelle selber anstrahlt. Durch die Defokussierung des Lasers in diesem Randbereich kann der Energieeintrag darin geringer sein und somit unter der für die Lötschmelztemperatur notwendigen Menge des Energieeintrags liegen, so dass hier quasi eine geringere Erwärmung vorgenommen wird. Damit kann ein Ausgleich der Temperaturverteilung und somit das Auftreten von mechanischen Spannungen vermieden werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der metallische bzw. metallisierte streifenförmige Kontaktbereich der Solarzelle, an dem der Kontaktdraht angelötet wird, langgestreckt ist., insbesondere über die gesamte Länge der Solarzelle geht Der Kontaktdraht wird an mehreren Stellen daran festgelötet, beispielsweise zwei oder drei Punkten, insbesondere jeweils im Abstand von 1 cm bis 2 cm. Diese verteilten Lötpunkte reichen für eine ausreichend gute mechanische und elektrische Verbindung.
  • Als Kontaktdraht kann ein verzinnter Kupferdraht vorgesehen sein. Insbesondere kann er gleich mit Lötzinn versehen sein, so dass die separate Zuführung entfällt.
  • Vorteilhaft ist der Kontaktdraht ein Flachdraht. Er kann mehrfach breiter als dick sein. Beispielsweise kann die Breite zwischen 1 mm und 3 mm liegen, vorteilhaft zwischen 1,3 mm und 2,5 mm. Seine Dicke kann etwa ein Zwanzigstel bis ein Zehntel der Breite betragen.
  • Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 zwei miteinander über Kontaktdrähte elektrisch verbundene Solarzellen in Draufsicht,
  • 2 eine Seitenansicht der beiden Solarzellen aus 1 mit Vorwärmung sowie Laser zum Herstellen der Lötverbindung,
  • 3 eine vergrößerte Draufsicht auf den Laserfleck im Lötbereich und
  • 4 einen möglichen Verlauf des Energieeintrags über der Zeit.
  • Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In 1 sind in Draufsicht eine erste Solarzelle 11 und rechts daneben eine zweite Solarzelle 11' dargestellt. Diese beiden Solarzellen 11 und 11' sind, evtl. noch mit weiteren schon verbundenen oder noch zu verbindenden, nicht dargestellten Solarzellen als eine Kette 13 bzw. sog. Stringer ausgebildet. Aus eine Mehrzahl solcher Ketten 13 parallel zueinander wird ein komplett verschaltetes Solarmodul hergestellt, wie dies an sich bekannt ist. In Verbindung mit 2 ist zu ersehen, dass die Solarzellen 11 und 11' eine Oberseite 15 und eine Unterseite 16 aufweisen. Die Oberseite 15 trägt zwei schmale, streifenförmige Kontaktbe reich 18a, welche auf übliche Art und Weise durch eine Metallbeschichtung auf der Solarzelle hergestellt sind. Es können auch drei solcher Kontaktbereiche sein. An der Unterseite 16 sind entsprechende metallbeschichtete Kontaktbereiche 18b vorgesehen, die ebenfalls über die gesamte Länge der Solarzelle 11 und 11' verlaufen.
  • Die Solarzellen 11 und 11' weisen einen Abstand von wenigen Millimetern zueinander auf. Kontaktdrähte 20 verlaufen über den größten Teil der Länge der oberen Kontaktbereiche 18a der Solarzelle 11 und sind dann in dem Zwischenraum nach unten abgebogen, um wieder mit parallelem Verlauf einen Überstand 21 aufzuweisen. Dieser Überstand 21 ist etwa ein Drittel so lang wie der auf der Oberseite 15 aufliegende Kontaktdraht 20.
  • Der Überstand 21 liegt an den linken Enden der unteren Kontaktbereiche 18b der Solarzelle 11' an. Hier wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, die Lötverbindung vorgenommen.
  • In 2 ist eine Vorwärmung 23 dargestellt, die auf an sich bekannte Art und Weise die Unterseite 16 der Solarzelle 11', an der die Verlötung stattfindet, auf eine eingangs genannte Temperatur vorwärmt. Die Vorwärmung 23 kann wie üblich ausgebildet sein, beispielsweise ein IR-Heizstrahler odgl..
  • Nach dem Vorwärmen durch die Vorwärmung 23 wird mit einem Laser 25 und dessen Laserstrahl 26 bzw. dem Laserfleck 27 der Lötvorgang durchgeführt. Dazu liegt der Laserfleck 27 im Lötbereich 32, wie aus der Vergrößerung in 3 zu entnehmen ist. Der Lötvorgang wird hinsichtlich der entstehenden Temperatur mittels eines Pyrometers 29 überwacht. Dazu sind Vorwärmung 23, Laser 25 und Pyrometer 29 mit einer Steuerung 30 verbunden, die die einzelnen Komponenten sowie den gesamten Lötvorgang steuert und gleichzeitig überwacht bzw. regelt.
  • Wie eingangs beschrieben worden ist, ist in 3 zu erkennen, dass es einen äußeren Laserfleck-Bereich 27b gibt, der strichpunktiert dargestellt ist. Er überlappt nicht nur den Kontaktdraht 20 bzw. dessen Überstand 21 ein gutes Stück, sondern sogar den unteren Kontaktbereich 18b. Des weiteren ist ein innerer Laserfleck 27a vorgesehen, der gestrichelt dargestellt ist und dessen Durchmesser zwar ebenfalls größer ist als die Breite des Überstandes 21 des Kontaktdrahtes 20, aber etwa im Bereich der Breite des unteren Kontaktbereichs 18b liegt. Die Laserachse 28 ist dabei genau auf die Mitte des Überstandes 21 ausgerichtet.
  • Im Bereich des inneren Laserfleckbereichs 27a erfolgt ein derartig hoher Energieeintrag durch den Laser 25, dass hier eine Verlötung im Lötbereich 32 stattfindet, also beispielsweise dass die Oberfläche des den Überstand 21 bildenden Lötzinns schmilzt und eine Lötverbindung mit dem unteren Kontaktbereich 18b eingeht. Zu dessen Erwärmung erstreckt sich der innere Laserfleckbereich 27 eben auch über die Breite des Überstandes 21 für eine entsprechende Erwärmung.
  • Durch den äußeren Laserfleckbereich 27b erfolgt eine Erwärmung vor allem auch der Unterseite 16 der Solarzelle 11' bzw. auch der Tiefe des Materials, um einen allzu abrupten Temperaturübergang zwischen sonstiger Solarzelle 11' und dem Lötbereich 32 zu vermeiden. Dies ist also eine Wirkung, die derjenigen der Vorwärmung in etwa entspricht und diese noch unterstützt.
  • In 4 ist dargestellt, wie der Energieeintrag E über der Zeit t aussehen kann. Zum Zeitpunkt t1 beginnt der Lötvorgang, wobei die Energiemenge in sehr kurzer Zeit sehr stark ansteigt bis zum Wert Emax. Dies kann in wenigen ms erfolgen, evtl. kann sogar der Laser 25 sofort mit voller Leistung, also Emax, starten. Der maximale Energieeintrag Emax ist zum Zeitpunkt t2 erreicht, kurz nach t1, beispielsweise nach 10 ms. Ab dann fällt der Energieeintrag E wieder ab und zwar bis auf einen Wert Emin zum Zeitpunkt t3. Das Abfallen kann entweder in etwa linear sein oder aber über- bzw. unterproportional. Zum Zeitpunkt t3 stoppt der Energieeintrag E möglichst schnell und der Lötvorgang bzw. zumindest der Energieeintrag ist beendet. Mit weiter abklingender Temperatur kann der Lötvorgang durch Erstarren des Lötzinns sein Ende finden. Die Dauer des Lötvorgangs zwischen t1 und t3 kann beispielsweise bei den eingangs genannten 500 ms oder sogar noch darunter liegen. Eine sich durch den Lötvorgang ergebende Temperatur im Lötbereich 32 ist zwar nicht dargestellt, ähnelt im Verlauf aber eher jeweils mit Verzögerung dem Verlauf des Energieeintrags E. Er steigt also deutlich langsamer an als der Energieeintrag E, fällt dann aber auch etwas langsamer ab bzw. fällt nach dem Zeitpunkt t3 zwar etwas stärker ab als vorher, aber nach Art einer ausklingenden Kurve.
  • Ein solches vorgegebenes Temperaturprofil kann im Lötbereich 32 sozusagen die Regelgröße für die Steuerung 30 darstellen. Die Steuerung 30 überwacht das Abfahren dieses Temperaturverlaufs über das Pyrometer 29 mit möglichem Korrektureingriff über den Energieeintrag E.
  • Wie aus der vorgehenden Beschreibung deutlich wird, ist dieses Lötverfahren besonders geeignet für punktförmige Lötbereiche 32, also kein kontinuierliches Löten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1748495 A1 [0004]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Löten von Kontaktdrähten an eine Solarzelle auf einer Seite der Solarzelle, wobei die Solarzellen mindestens einen metallisierten streifenförmigen Kontaktbereich aufweisen, auf den ein Kontaktdraht zum elektrischen Anschluss der Solarzelle aufgelötet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötdauer bzw. die Dauer des Energieeintrags von außen an den Lötbereich weniger als 800 ms beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötdauer bzw. die Dauer des Energieeintrags weniger als 500 ms beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag zum Löten mit einem vorgegebenen Temperaturprofil über der Zeit stattfindet, wobei vorzugsweise der Energieeintrag bzw. die Temperatur am Lötbereich zu Beginn des Lötvorgangs sehr stark ansteigt auf eine maximale Temperatur und dann langsam abfällt, insbesondere auf etwa 60% der maximalen Temperatur abfällt, wobei dann das Ende des Lötvorgangs bzw. des Energieeintrags erreicht ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötvorgang bzw. der Energieeintrag ein geregelter Prozess ist, wobei mit einem Pyrometer die Temperaturentwicklung an dem Lötbereich überwacht wird und diese als Stellgröße zurückgegeben wird zur genauen Regelung der Energieerzeugung bzw. des Energieeintrags in den Lötbereich nach einem vorgegebenen Verlauf.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle vor dem Lötvorgang vorgewärmt wird, insbesondere auf eine Temperatur von weniger als 80°C, vorzugsweise etwas weniger als 65°C.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag bzw. der Lötvorgang durch Induktionslöten erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag bzw. der Lötvorgang mit einem Laser erfolgt, wobei vorzugsweise ein Lichtfleck des Lasers seitlich über den Kontaktdraht übersteht und insbesondere sein Durchmesser etwa doppelt so groß ist wie die angestrahlte Breite des Kontaktdrahtes.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtfleck des Lasers in seinem Randbereich, insbesondere in einem Randbereich von etwa etwa 10% bis 20% seines Durchmessers, defokussiert ist und der Energieeintrag in diesem defokussierten Randbereich unter der für die Lötschmelztemperatur notwendigen Menge des Energieeintrags bleibt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der streifenförmige Kontaktbereich der Solarzelle, an den ein Kontaktdraht angelötet wird, langgestreckt ist und der Kontaktdraht an mehreren Stellen daran fest gelötet wird, insbesondere jeweils im Abstand von 1 cm bis 2 cm.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktdraht ein verzinnter Kupferdraht ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktdraht als Flachdraht ausgeführt ist mit einer Breite, die ein Mehrfaches seiner Dicke beträgt, wobei vorzugsweise die Breite zwischen 1 mm und 3 mm liegt, insbesondere zwischen 1,3 mm und 2,5 mm.
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