DE102009018360A1

DE102009018360A1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektrolytischen Behandlung von Solarzellen

Info

Publication number: DE102009018360A1
Application number: DE102009018360A
Authority: DE
Inventors: Egon Hübel
Original assignee: Rena GmbH
Current assignee: Rena GmbH
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-11-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolytischen Metallisierung der nicht beleuchteten Sonnenseite 2 von Solarzellen 1 aus Silizium ohne und mit integrierten Bypass-Dioden in Durchlaufanlagen, Tauchbadanlagen oder Cup-Plater. Zur Vermeidung einer elektrischen Kontaktierung an der unempfindlichen Sonnenseite 2 werden die Solarzellen 1 zum Galvanisieren nur an der empfindlichen Rückseite 11 kontaktiert und der Galvanisierstrom wird durch die Solarzellen 1 geleitet. Dabei ist der Galvanisier-Gleichrichter 4 in Sperrrichtung der internen Photodiode 8 der Solarzelle 1 gepolt. Der Sperrstrom durch die Photodiode 8 einer unbeleuchteten Solarzelle 1 ohne integrierte Bypass-Diode ist der erfindungsgemäße Galvanisierstrom I. Mittels Versuchen wurde festgestellt, dass bei der Größe des erforderlichen Galvanisierstromes eine thermische Überlastung der p-n-Sperrschicht bei dieser üblicherweise gemiedenen elektrischen Schaltung und Anordnung nicht auftritt. Bei Solarzellen mit integrierten Bypass-Dioden oder Nebenschlussdioden ist die thermische Belastung beim erfindungsgemäßen Galvanisieren der Sonnenseite 2 noch geringer. Sie entspricht der Verlustleistung, die beim Galvanisieren von beleuchteten Solarzellen nach dem Stand der Technik auftritt, wenn aus Gründen der Qualitätssicherung eine elektrische Kontaktierung nur an der Rückseite der Solarzelle zulässig ist. Die Erfindung vermeidet die erheblichen Nachteile beim Galvanisieren, die bei einer Beleuchtung der Sonnenseite ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nassbehandlung von Solarzellen ohne und mit integrierten Bypass-Dioden, insbesondere solchen aus Silizium. Sie eignet sich für Durchlaufanlagen, Tauchbadanlagen oder Cup-Plater. Anwendung findet die Erfindung zum elektrochemischen Behandeln, bevorzugt zum Galvanisieren. Daher wird die Erfindung nachfolgend an Beispielen zum Galvanisieren von Solarzellen beschrieben.
Auf der Solarzelle befindet sich an der Sonnenseite, auch Frontseite genannt, die im Gebrauch dem Sonnenlicht zugewandt wird, ein Metallgitter zur Ableitung des vom Sonnenlicht generierten Stromes. Die Herstellung dieses Metallgitters erfolgt bisher meist durch Drucken des Leiterbildes mit entsprechend dicken, elektrisch leitfähigen Pasten und durch anschließendes Einbrennen derselben. Diese Dickfilmmetallisierung ist kostenaufwändig und die Abmessungen, insbesondere die Breite der Metallgitterlinien kann nicht wesentlich unter 100 μm hergestellt werden. Dies hat eine unnötig große Abschattung der Solarzelle zur Folge. Daher wird versucht, die erzielbaren Breiten der Metallgitterlinien zu reduzieren und zugleich die Höhe bzw. den Querschnitt zu vergrößern.
Hierzu wird in der Druckschrift EP 0 542 148 B1 ein elektrolytisches Verfahren zur Verstärkung des nur als elektrisch leitfähige Anfangsschicht aufgebrachten bzw. gedruckten Musters beschrieben. Die nicht zu metallisierenden Flächen der Sonnenseite sind durch Oxidation passiviert. Allgemein können sie mit einem Resist oder mit einer anderen elektrisch nichtleitenden Schicht, z. B. einer Siliziumnitridschicht isoliert sein. Diese isolierenden Schichten, insbesondere eine Nitridschicht, sind sehr empfindlich gegen mechanische Belastungen.
Diese können sich z. B. durch die elektrischen Kontaktmittel, die beim Galvanisieren zur Stromeinspeisung erforderlich sind, ergeben, weil zur sicheren Stromeinleitung auf das Metallgitter bzw. auf die Busbars eine bestimmte Kontaktkraft erforderlich ist.
In Tauchbadanlagen können die Kontakte präzise auf den Busbars der Solarzellen platziert werden. Nachteilig ist jedoch bei einer Tauchbadbehandlung, dass dann beide Seiten der getauchten Solarzellen dem meist aggressiven Elektrolyten ausgesetzt sind. In der Regel erfordert die Rückseite einen Schutz gegen den Elektrolyten, wenn die Metallgitterlinien an der Sonnenseite galvanisiert werden. Die zum Schutz erforderlichen Verfahrensschritte sind mit zusätzlichen Kosten verbunden. Besonders kritisch ist die Stromeinleitung, wenn die Solarzellen in einer Durchlaufanlage metallisiert werden sollen, weil hierbei die Kontaktmittel z. B. abrollend auf den schmalen Busbars kontaktieren müssen. Dies erfordert eine sehr genaue Einhaltung der Spur der Solarzellen beim Transport in der Durchlaufanlage.
Die Druckschrift DE 10 2005 038 450 A1 beschreibt ein Einrichtung zur elektrolytischen Behandlung von flachen Substraten. Der Transport der Substrate erfolgt horizontal durch eine Durchlaufanlage. In einem Falle befindet sich nur die Unterseite der Substrate im Elektrolyten. Die elektrische Kontaktierung erfolgt an der Rückseite, d. h. in diesem Falle an der trockenen oberen Seite der Substrate. Zum Galvanisieren von Solarzellen befinden sich in dieser Behandlungskammer der Durchlaufanlage Lichtquellen unterhalb der Solarzellen. Diese sind im Elektrolyten der Sonnenseite, d. h. der Frontseite der Solarzellen zugewandt. Die elektrische Kontaktierung erfolgt an der bevorzugt trockenen Oberseite. Eine Solarzelle ist physikalisch eine großflächige Silizium-Photodiode mit einem p-n Übergang.
Ihre interne Kathode befindet sich an der Sonnenseite im Elektrolyten. Die Polarität der zum Galvanisieren erforderlichen Stromquelle zeigt die 3 dieser Druckschrift. Demnach ist diese Photodiode von der äußeren Stromquelle in Sperrrichtung gepolt. Bei dieser Erfindung wird im Falle von Solarzellen die bekannte Tatsache genutzt, dass die Solarzelle durch eine ausreichend große Lichtleistung bzw. intensive Beleuchtung der Sonnenseite auch bei einer in Sperrrichtung der internen Photodiode angelegten äußeren Spannungsquelle bzw. Stromquelle niederohmig und damit elektrisch leitfähig wird. Durch die Lichtleistung wird in der Photodiode eine so genannte Photospannung generiert. Diese ist in Reihe mit der Spannung der äußeren Spannungsquelle geschaltet und so gepolt, dass sich ihre Spannungen addieren. Die Photospannung beträgt etwa 0,6 Volt. Die Niederohmigkeit des Innenwiderstandes dieses Photospannungsgenerators infolge der Beleuchtung ermöglicht es, dass durch die Solarzelle ein zum Galvanisieren genügend großer elektrolytischer Strom geführt werden kann. Gemäß Absatz [0031] der Druckschrift DE 10 2005 038 450 A1 können die Abscheideraten, d. h. der Galvanisierstrom, durch Veränderung der Intensität der Lichtröhren 42 beeinflusst werden. Insbesondere bei Durchlaufanlagen schwankt die Beleuchtung beim Transport der Solarzellen durch ständig wechselnde Abschattungen und durch fortlaufende Entfernungsänderungen zu den Lichtquellen. Deshalb ist die Steuerung des Galvanisierstromes durch Verändern der Beleuchtung der Solarzellen ungenau und somit nachteilig. Zu den infolge des Transports der Solarzellen in der Durchlaufanlage unvermeidlichen Schwankungen der Intensität des Lichtes an der Sonnenseite kommen dann noch die kontrollierten Änderungen der Intensität zur Steuerung des Galvanisierstromes hinzu. Nachteilig sind insbesondere der erforderliche technische Aufwand zur möglichst homogenen Beleuchtung der Solarzellen in einer elektrolytischen Anlage und die dafür aufzuwendende Energie. Zur Reduzierung der Energie, die zur Beleuchtung der Solarzel len beim Galvanisieren erforderlich ist, wird in der Druckschrift DE 10 2007 038 120 A1 vorgeschlagen, Leuchtdioden zu verwenden. Die Lichtwellenlänge wird dabei an die Farbe des Elektrolyten so angepasst, dass sich die geringsten Dämpfungsverluste an Energie im Elektrolyten ergeben. Bei milchig trüben Elektrolyten sind die Verluste besonders groß. Diese Druckschrift beschreibt allgemein auch die bei einer Nassbehandlung von Solarzellen zu deren Beleuchtung zu lösenden technischen Aufgaben.
Die Druckschrift DE 10 2005 039 100 A1 beschreibt eine Aufnahme bzw. Halterung für mehrere Substrate, insbesondere für Solarzellen. An der Halterung befinden sich Vorsprünge 22, 24 mit nach oben stehenden Kontakten, die bis nahezu punktförmig ausgeführt sein können. Auf diese Kontakte werden die Solarzellen aufgelegt und somit elektrisch kontaktiert. Die Kontaktkraft kann durch eine Abdeckeinrichtung oder durch Andruckrollen 36 erhöht werden. Weil sich die zum Galvanisieren kathodisch gepolten Kontakte im Elektrolyten befinden, werden sie in nachteiliger Weise ebenso metallisiert, wie die Solarzellen. Sie müssen entstrippt werden. Die zusätzliche Verwendung von Lichtquellen unterhalb der Solarzelle 26 und deren Bestrahlung wird im Absatz [0039] zur Unterstützung des Beschichtungsprozesses erwähnt. In einer Ausgestaltung der Erfindung bildet die Aufnahme-Einrichtung zusammen mit den belegten Substraten eine flüssigkeitsdichte Fläche, wodurch die in der Regel empfindliche Oberseite von der Flüssigkeit an der Unterseite getrennt wird und damit trocken bleiben kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, für Solarzellen, die ohne oder mit integrierten Bypass-Dioden ausgestattet sind, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Galvanisieren mindestens der Sonnenseite zu beschreiben, wobei dies in beiden Fällen ohne Beleuchtung der Solarzellen und nur durch eine elektrische Kontaktierung ihrer Rückseite erfolgen soll. Das Verfahren soll bei unterschiedlichen Elektrolyten und unterschiedlichen zu galvanisierenden Metallen in der Lage sein, den dafür erforderlichen Galvanisierstrom durch die unbeleuchteten Solarzellen zu führen.
Gelöst wird die Aufgabe durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch die Vorrichtung nach Patentanspruch 11. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungen der Erfindung.
Die Erfindung wird an Hand der schematischen Figuren und der vereinfachten Ersatzschaltbilder 1 bis 6 detailliert beschrieben.
1a zeigt eine elektrolytische Zelle und den zugehörigen elektrischen Stromkreis nach dem Stand der Technik mit nur einer Kontaktierung an der Rückseite der Solarzelle, die im Elektrolyten an der Sonnenseite beleuchtet ist.
1b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der 1a.
2a zeigt eine elektrolytische Zelle und den zugehörigen elektrischen Stromkreis gemäß der Erfindung mit nur einer Kontaktierung an der Rückseite der unbeleuchteten Solarzelle ohne integrierter Bypass-Diode.
2b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der 2a.
3 zeigt die Spannungs-/Stromkennlinien einer unbeleuchteten Solarzelle aus Silizium ohne integrierter Bypass-Diode im ersten Quadranten, dem Durchlassbereich und im dritten Quadranten, dem Sperrbereich, sowie die jeweils auftretende elektrische Leistung an dieser Solarzelle.
4a zeigt eine elektrolytische Zelle und den zugehörigen elektrischen Stromkreis gemäß der Erfindung mit nur einer Kontaktierung an der Rückseite der unbeleuchteten Solarzelle mit integrierter Bypass-Diode.
4b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der 4a.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zum beidseitigen Galvanisieren einer Solarzelle ohne integrierter Bypass-Diode.
Die 1a zeigt nach dem Stand der Technik schematisch eine Anordnung einer elektrolytischen Zelle mit einer Solarzelle 1, die an der Sonnenseite 2 beleuchtet ist. An dieser Sonnenseite 2 befindet sich die zu metallisierende Fläche, z. B. als das beschriebene Metallgitter 10. Mindestens die Sonnenseite 2 befindet sich unterhalb des Niveaus 3 des Elektrolyten 12. Die elektrische Kontaktierung 7 des zum Galvanisieren erforderlichen Gleichrichters 4 bzw. einer Stromquelle mit der Ausgangsspannung U erfolgt an der Rückseite 11 der durch das Licht niederohmigen und damit elektrisch leitfähigen Solarzelle 1. Die Solarzelle 1 ist eine Photodiode 8 zur photovoltaischen Energieerzeugung. Diese Photodiode 8 wird von dem bevorzugt stromgeregelten Gleichrichter 4 mit der Ausgangsspannung U auf dem Strompfad über die Anode 6 und den Elektrolyten 12 in Sperrrichtung gepolt. Die Sonnenseite 2 wird von mindestens einer Lichtquelle 5 beleuchtet. Diese Lichtquelle 5 kann sich innerhalb oder außerhalb des Elektrolyten 12 befinden. Bei letzterer Anordnung sind in dem nicht dargestellten Arbeitsbehälter transparente Öffnungen für das Einleiten des Lichtes in den Elektrolyten 12 erforderlich. Vor oder neben den Lichtquellen 5 befindet sich eine lösliche oder unlösliche Anode 6. Diese ist über elektrische Leiter mit dem Pluspol des Gleichrichters 4 verbunden. Unlösliche Anoden 6 bestehen meist aus einem Metallgitter als Streckmetall, durch das das Licht hindurchscheinen kann. Der negative Pol des Gleichrichters 4 ist über elektrische Leiter und den Kontakt 7 mit der hier nicht elektrolytisch zu behandelnden Rückseite 11 der Solarzelle 1 elektrisch verbunden.
Diese Rückseite ist mit der Anode der internen Photodiode 8 elektrisch verbunden. Die Kathode der internen Photodiode 8 ist mit dem zu metallisierenden Metallgitter 10 an der Sonnenseite 2 der Solarzelle elektrisch verbunden. Infolge der Beleuchtung wird die durch den äußeren Gleichrichter 4 mit der Ausgangsspannung U in Sperrrichtung gepolte Photodiode 8 niederohmig, d. h. sie wird unter Generierung einer Photospannung U_Ph als kleine Durchlassspannung U_F von z. B. 0,6 Volt mit kleinem Innenwiderstand zwischen der internen Anode und der internen Kathode der Photodiode 8 elektrisch leitfähig. Dieser innere Widerstand bzw. die Leitfähigkeit ist bei entsprechend großer Beleuchtung ausreichend klein, um den in der Praxis erforderlichen Galvanisierstrom zu führen. Dies wird in der in 1a dargestellten Anordnung nach dem Stand der Technik genutzt. Das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild dieses Standes der Technik zeigt die 1b.
Die elektrolytische Zellspannung Uz ist die zwischen der Anode 6 und dem Metallgitter 10 als Kathode der elektrolytischen Zelle sich einstellende Spannung, wenn ein bestimmter Galvanisierstrom I fließt. Uz und I sind daher typisch für ein bestimmtes elektrolytisches Bad mit seinen chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften bzw. Parametern. Der Badwiderstand RB ergibt sich aus dem Quotienten von Uz/I. Er ist in Reihe mit der beleuchteten Photodiode 8 und dem Gleichrichter 4 geschaltet. In der Praxis der Silizium-Solarzellentechnik ist der Wert des Widerstandes RB klein, d. h. im Bereich von einem Ohm, wodurch auch der spannungsmäßige Aussteuerungsbereich der meist veränderlichen Ausgangsspannung des Gleichrichters 4 klein ist. Das heißt, kleine Spannungsänderungen ΔU des Gleichrichters 4 haben große Stromänderungen ΔI zur Folge. Dabei wird die Lichtleistung der Beleuchtung als konstant angenommen, was jedoch in der Praxis, insbesonde re bei Durchlaufanlagen, nicht der Fall ist, weil die Transportmittel Abschattungen verursachen. Diese Nachteile und der erhebliche technische Aufwand zur Beleuchtung von Solarzellen beim Galvanisieren nach dem Stand der Technik werden mit der vorliegenden Erfindung, so wie sie schematisch die 2a und 4a zeigen, vermieden. Die 2a und 2b betreffen einen ersten Fall, nämlich zu galvanisierende Solarzellen ohne Bypass-Dioden und die 4a und 4b betreffen einen zweiten Fall, nämlich Solarzellen mit integrierten Bypass-Dioden.
Für den ersten Fall wurden durch Messungen die U/I Kennlinien von unbeleuchteten Solarzellen mit den Abmessungen 156 × 156 mm² im Durchlassbereich und im Sperrbereich ermittelt. Dabei zeigte sich im Sperrbereich eine überraschende Ähnlichkeit mit einer Zenerdiode. Die Zenerspannung betrug etwa 14 Volt.
Aus den Steigungen der Kennlinien im ersten und im dritten Quadranten kann der dynamische Innenwiderstand ermittelt werden. Er ist im dritten Quadranten etwa dreimal so groß wie im ersten Quadranten. Entsprechend sind die Stromänderungen ΔI bei z. B. gleich großen Spannungsänderungen ΔU unterschiedlich. Im Dritten Quadranten, dem von der vorliegenden Erfindung genutzten Sperrbereich, reagiert der Strom weniger auf Spannungsänderungen als im ersten Quadranten, was für die Erfindung von Vorteil ist.
Die Fläche des zu galvanisierenden Metallgitters 10, z. B. einer Solarzelle 1 mit den Abmessungen 156 × 156 mm² beträgt ca. 8 Prozent der Gesamtfläche. Je Solarzelle ist somit eine Fläche von A = 0,2 dm² zu galvanisieren. Für die üblicherweise verwendeten Metalle, z. B. Nickel, Kupfer, Silber oder Zinn stehen Elektrolyte 12 für Stromdichten von i = 0,5 A/dm² bis zu maximal i = 5 A/dm² zum Galvanisieren der metallischen Gitterstrukturen 10 zur Verfügung. Damit beträgt die maximale Größe des erforderlichen Galvanisierstromes I = i·A = 5 A/dm²·0,2 dm² = 1 Ampere.
Beim Galvanisieren des Metallgitters 10 an der Sonnenseite der Solarzellen handelt es sich um ein so genanntes Patternplating. Zur Vermeidung eines zu großen Knocheneffektes infolge der Spitzenwirkung können bei gegebenen Qualitätsanforderungen größere Stromdichten nicht angewendet werden.
Die in 3 dargestellte Kennlinie für den Sperrstrom der dunklen Solarzelle, der zugleich der erfindungsgemäße Galvanisierstrom I ist, zeigt bei I = –1 A eine Sperrspannung Us von –13,5 V. Damit beträgt die Leistung P in diesem Sperrbereichs-Arbeitspunkt an der Solarzelle P = Us·I = –13,5 V·–1 A = 13,5 Watt. Die Sperrspannung Us von Silizium-Solarzellen aus anderen Produktionschargen und/oder anderen Herstellungsverfahren können in der Praxis größer oder kleiner sein als die genannten 13,5 V.
Im praktischen Betrieb der Solarmodule, die zur Erhöhung der Ausgangsspannung aus einer Reihenschaltung von mehreren Solarzellen bestehen, wird dieser Sperrbereichs-Arbeitspunkt in einer oder wenigen Solarzellen der Reihenschaltung unerwünscht dann erreicht, wenn diese abgeschattet werden. In der Fachliteratur und in entsprechenden Druckschriften wird die dadurch mögliche lokale Überhitzung der Sperrschicht der Solarzelle, auch Hot Spot genannt, beschrieben. Darin wird mit Recht auf eine eventuelle irreversible Schädigung der Solarzellen infolge von lawinenartigen Durchbrüchen der Sperrschicht hingewiesen.
Bei Solarzellen mit den Abmessungen von 156 × 156 mm² wird bei der Spitzenleistung, d. h. bei maximaler Sonneneinstrahlung ein Laststrom von ca. 7 A erreicht. In diesem Falle sind alle Photospannungsquellen eines Solarmoduls mit Ausnahme der abgeschatteten Solarzellen, besonders niederohmig und die Summe der Photospannungen der beleuchteten Solarzellen ist maximal. Wenn diese Summe größer ist als die Sperrspannung der abgeschatteten Solarzelle, dann fließt der in den anderen Solarzellen der Reihenschaltung generierte maximale Strom als Sperrstrom durch die abgeschattete Solarzelle. Eine Sperrspannung von z. B. 14 V bei einem Sperrstrom von 7 A ergibt an der abgeschatteten Solarzelle eine Leistung von 98 Watt. Zugleich wird die Solarzelle bei maximaler Sonneneinstrahlung besonders stark aufgeheizt. Je nach konstruktiver Ausführung und Kühlung der Solarzellen im Solarmodul kann allein die Sonnenerwärmung bis zu 100°C betragen. Hinzu kommt dann noch die Erwärmung durch die große elektrische Leistung. Dieser Zustand kann sich über mehrere Stunden je Tag erstrecken. Zusammen kann dies dann zur irreversiblen thermischen Überlastung der abgeschatteten Solarzelle infolge des so genannten Lawineneffektes mit Überschreitung der maximalen Sperrschichttemperatur kommen. Mindestens ist mit einer schleichenden Abnahme der photovoltaischen Leistung von sporadisch abgeschatteten Solarzellen eines Solarmoduls zu rechnen. Aus diesem Grunde muss bei Solarmodulen von dieser Betriebsart abgeraten werden, obwohl bei Halbleitern der Lawineneffekt an und für sich ein reversibler Effekt ist, wenn er kontrolliert wird. Zum Schutz der Solarzellen in Solarmodulen wird daher die Verwendung von Bypass-Dioden bzw. Nebenschluss-Dioden vorgeschlagen.
Dennoch wurde im Vorfeld der vorliegenden Erfindung überlegt, ob sich diese Sperrstrom-Betriebsart der Solarzellen nicht doch zum Galvanisieren eignen könnte. Der Sperrstrombetrieb würde das elektrische Kontaktieren an der Rückseite der Solarzellen erlauben, wenn das Metallgitter an der nicht beleuchteten Sonnenseite metallisiert werden soll.
Die Überlegungen zu den erforderlichen Stromdichten und Expositionszeiten sowie die Tatsache, dass zum Galvanisieren stromgeregelte Stromquellen bzw. Gleichrichter verwendet werden können, führten überraschend zur Lösung der Aufgabe der Erfindung. Eine stromgeregelte Stromquelle begrenzt den Durchbruchstrom, d. h. den Galvanisier-Sperrstrom auf einen niedrigen Wert im Vergleich zum Solarzellen-Spitzenstrom bei maximaler Sonneneinstrahlung. Die Ergebnisse der hierzu durchgeführten Dauerversuche, die weiter unten noch beschrieben werden, bestätigten die Machbarkeit.
Die Fachliteratur bzw. die Druckschriften offenbaren nicht die erfindungsgemäße Lösung des Galvanisierens von Solarzellen. Es wird nur die Situation beschrieben, die auftritt, wenn bei Solarmodulen eine der Solarzellen abgeschattet wird. In diesem Falle wird die Photodiode der Solarzelle durch die verbleibenden aktiven Solarzellen in Sperrrichtung gepolt. Die Literatur lehrt, dass dies verhindert werden muss, z. B. durch Bypass-Dioden parallel zu den Solarzellen. Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt dagegen mit nicht beleuchteten Solarzellen, mit Galvanisierstrom gerade in diesem Sperrbereich der Photodiode und mit einer elektrischen Kontaktierung an der Rückseite der Solarzellen.
In der Druckschrift DE 33 07 202 A1 wird die Notwendigkeit und die Funktion derartiger Bypass-Dioden bei Solarmodulen beschrieben. Die Druckschrift US 4 323 719 beschreibt ebenfalls die mögliche Gefahr eines Sperrbetriebs bzw. Sperrdurchbruchs von Solarzellen im Falle der Abschattung einer Solarzelle aus einer Reihenschaltung mehrerer Solarzellen. Hier wird vorgeschlagen, eine „shunting diode” parallel zur Solarzelle zu schalten. Dies kann mit einer diskreten Diode oder einer in der Solarzelle integrierten Diode erfolgen. Eine integrierte Bypass-Diode wird auch in der Druckschrift DE 38 26 721 A1 beschrieben.
Bei einer Solarzelle, die mit einer integrierten Bypass-Diode ausgestattet ist, kann die Sperrspannung der internen Photodiode auch bei Anlegen einer großen äußeren treibenden Spannung in Sperrrichtung dieser Photodiode nicht erreicht werden.
Die in Sperrrichtung der Photodiode gepolte Spannung an der Solarzelle kann nicht größer werden, als die Durchlassspannung bzw. Flussspannung der integrierten antiparallel geschalteten Bypass-Diode. Diese beträgt etwa 0,8 Volt. Entsprechend klein ist auch die Verlustleistung bei Stromfluss durch die Solarzelle. Derartige Solarzellen mit integrierten Bypass-Dioden bieten daher bezüglich des Energieverbrauches beim Galvanisieren ideale Voraussetzungen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der maximal zulässige Strom der in der Praxis verwendeten Bypass-Dioden ist in Flussrichtung wesentlich größer als der erforderliche Galvanisierstrom, z. B. um den Faktor 5 bis 25. In diesem Falle ist auch die Verlustleistung an den Solarzellen beim erfindungsgemäßen Galvanisieren genau so niedrig wie beim Galvanisieren von beleuchteten Solarzellen nach dem Stand der Technik. In der Praxis werden die diskreten Bypass-Dioden bevorzugt in die Anschlussdosen der Solarmodule eingebaut. Das Problem des Sperrbetriebes einer abgeschatteten Solarzelle und die übliche Unterbringung der Bypass-Dioden in den Anschlussdosen beschreibt auch die Druckschrift DE 103 31 780 B4 .
Zurzeit sind Solarzellen mit und ohne integrierten Bypass-Dioden verbreitet. Für beide Arten eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren. Das erfindungsgemäße Galvanisieren ohne integrierte Bypass-Dioden stellt eine größere technische Herausforderung dar. Deshalb wird die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung an Hand dieses Falles ausführlicher erläutert.
Weil das Galvanisieren der Sonnenseite einer Solarzelle mit Stromfluss im Sperrbereich keine Beleuchtung erfordert und von daher technisch und wirtschaftlich deutlich vorteilhafter im Vergleich zu einem beleuchteten Betrieb im Durchlassbereich ist, wurden trotz der ablehnenden Hinweise in den Druckschriften Dauerversuche mit Solarzellen ohne integrierten Bypass-Dioden unternommen. Hierzu wurden Versuchsparameter eingestellt, die wesentlich über den beim Galvanisieren der Solarzellen erforderlichen Werten lagen. Diese Dauerversuche erfolgten erschwerend in Luft und bei Raumtemperatur. Überraschend wurden die aus einer Produktionscharge stammenden Testexemplare bei einem Strom, der etwa fünfmal größer war als der zum Galvanisieren maximal erforderliche Strom, nicht beschädigt.
Nach dem Dauertest mit einem Sperrstrom von 5 A, der zeitlich ca. 100 mal länger andauerte als die Expositionszeit, die beim Galvanisieren nötig ist, konnte überraschend kein Unterschied im anschließenden Normalbetrieb der Testzellen zu den nicht belasteten Vergleichszellen festgestellt werden.
Eine deutliche Reduzierung dieser Testbelastung und damit der möglichen lokalen Überhitzung ergibt sich in der Praxis des Galvanisierens dadurch, dass nur ein Sperrstrom von maximal 1 A bei der maximalen Stromdichte von 5 A/dm² erforderlich ist. Außerdem befinden sich die Solarzellen beim Galvanisieren mindestens an der Sonnenseite großflächig im Elektrolyten, der als ideale Kühlflüssigkeit wirkt. Die Arbeitstemperatur des Elektrolyten liegt im Bereich von 30°C bis zu 50°C, wodurch die Oberfläche der Solarzelle als großflächige Kühlfläche eine sehr gute Kühlung bewirkt. Unter diesen Galvanisierbedingungen kann der Sperrstrom der Solarzelle gemäß der Versuchsergebnisse problemlos als Galvanisierstrom I verwendet werden. Sehr vorteilhaft ist dann die Möglichkeit zur Galvanisierung der Sonnenseite der Solarzelle mit nur einer rückseitigen Kontaktierung und ohne Verwendung einer Beleuchtung. Diese Rückseite kann vorteilhaft zur Kontaktierung trocken sein oder sich im Elektrolyten befinden. Die Kontakte können die Rückseite der Solarzellen z. B. abrollend, greifend, klemmend, drückend oder gleitend elektrisch kontaktieren. Die Kennlinie in 3 zeigt für die Leistung im dritten Quadranten, dass bei Sperrströmen, so wie sie bei den erfolgreichen Versuchen ohne Kühlflüssigkeit eingestellt wurden, große Leistungswerte P auftreten. Bei I = –4,5 A sind es bereits über 72 Watt, die nicht zur Zerstörung der Testobjekte führten.
Beim Galvanisierbetrieb beträgt der maximale Galvanisierstrom 1 A, was in der Regel einer bereits zu großen Stromdichte von 5 A/dm² entspricht. Damit wird eine Verlustleistung an der nicht beleuchteten Solarzelle, wie oben berechnet, von nur 13,5 Watt erreicht.
Die elektrischen Spannungen im gesamten Stromkreise der elektrolytischen Zelle bestehen aus der treibenden Gleichrichter-Ausgangsspannung, die im ersten Fall ohne Bypass-Diode im Wesentlichen der Summe der Zellspannung Uz des elektrolytischen Bades und die Sperrspannung der internen Photodiode entspricht. Diese Ausgangsspannung des ersten Falles ist größer als die des zweiten Falles. Im zweiten Falle tritt an Stelle der Sperrspannung der internen Photodiode die niedrige Durchlassspannung U_Fby der Bypass-Diode. Stromgeregelte Galvanogleichrichter können für den jeweils erforderlichen Spannungs-Aussteuerbereich dimensioniert werden.
Bekannt ist aus der Technik der Zenerdioden, dass die Sperrspannung oder Zenerspannung durch den Dotierungsgrad gezielt beeinflussbar ist. Sie kann z. B. auf 5 Volt und weniger reduziert werden. Bei den heute verfügbaren Solarzellen besteht keine Notwendigkeit zu einer Reduzierung der Sperrspannung, auch nicht für das erfindungsgemäße Verfahren. Eine Reduzierung der Sperrspannung durch geeignete Dotierung von Solarzellen ohne Bypass-Dioden würde jedoch die Verlustleistung beim erfindungsgemäßen Galvanisieren reduzieren, was aus Gründen des Energieverbrauches vorteilhaft wäre. Bei den im Test verwendeten Solarzellen zeigte sich kein anderer Grund, die Sperrspannung bei Anwendung der Erfindung zu reduzieren.
Im Vergleich zu einer Galvanisierung mit beleuchteten Solarzellen nach dem Stand der Technik ist auch aus Gründen des Energieverbrauches das erfindungsgemäße Verfahren bei Solarzellen ohne integrierte Bypass-Dioden nicht nachteilig, auch wenn die Sperrspannung unverändert hoch bleibt. Die Beleuchtung der Solarzellen erfordert mindestens die gleich große Energie, die zum Galvanisieren dieser unbeleuchteten Solarzellen erforderlich ist.
Weil der technische Aufwand zum Galvanisieren der unbeleuchteten Solarzellen mit rückseitiger elektrischer Kontaktierung technisch wesentlich einfacher ist als das Einbringen einer Beleuchtung in das elektrolytische Bad, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch wirtschaftlich von großem Vorteil. Eine Beleuchtungseinrichtung nach dem Stand der Technik in einer aggressiven Flüssigkeit ist stets eine technische Herausforderung. Nicht zuletzt ist eine derartige Einrichtung wartungsintensiv. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung vermeiden diese Nachteile.
In einer Galvanisieranlage werden meist mehrere Solarzellen parallel geschaltet und von einem gemeinsamen stromgeregelten Gleichrichter mit Galvanisierstrom I gespeist. Zum Ausgleich von Toleranzen der Größe der Sperrspannung einzelner Solarzellen kann eine Reihenschaltung von so genannten Stromverteilungswiderständen Rs in jeden Teilstromkreis der parallelen Solarzellen geschaltet werden. Dadurch werden die möglichen Unterschiede der Galvanisierströme I der Teilstromkreise verringert. Die Versuche mit Solarzellen aus einer Produktionscharge zeigten jedoch überraschend übereinstimmende Sperrkennlinien. Daher können für diese Stromverteilungswiderstände kleine Widerstandwerte gewählt werden oder sie können völlig entfallen, wenn die Produktionschargen nicht gemischt werden, was in der Praxis in der Regel der Fall ist.
Die 4a zeigt schematisch den zweiten Fall der Erfindung, nämlich die Anordnung zum Galvanisieren der unbeleuchteten Sonnenseite 2 einer Solarzelle mit einer integrierten Bypass-Diode 14. Die innere Photodiode 8 ist mit der Bypass-Diode 14 gegenpolig parallel geschaltet. Die elektrische Polung der angeschlossenen äußeren Spannung U des Gleichrichters 4 betreibt die unbeleuchtete Photodiode 8 in Sperrrichtung und die Bypass-Diode 14 in Durchlassrichtung. Dadurch wird die eigentliche Sperrspannung Us der Photodiode 8 nicht erreicht. Sie wird von der Bypass-Diode 14 begrenzt auf ihre Durchlassspannung U_FBy, die etwa 0,8 V beträgt. Dies bedeutet, dass bei diesen unbeleuchteten Solarzellen die Verlustleistung, die der Galvanisierstrom I verursacht, nicht größer ist als beim Stand der Technik mit beleuchteten Solarzellen.
Die 4b zeigt das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild der antiparallel geschalteten internen Dioden 8, 14. Die theoretisch eingezeichnete innere Sperrspannung Us wird an dieser Solarzelle nicht erreicht, was aus Gründen des Energieverbrauchs beim Galvanisieren der unbeleuchteten Solarzelle vorteilhaft ist.
Die 5 zeigt schematisch eine Anordnung zur beidseitigen Galvanisierung von im Elektrolyten 12 getauchten Solarzellen, die z. B. ohne integrierte Bypass-Dioden ausgestattet sind und die nur an der hier mechanisch unempfindlicheren Rückseite 11 elektrisch kontaktiert sind. Die Kontakte sind z. B. rollende oder gleitende Kontakte 7 bei Durchlaufanlagen oder als Kontaktfinger, Federn oder Klammern bei Tauchbadanlagen. Das Galvanisieren der nach unten angeordneten Sonnenseite 2 der Solarzelle erfolgt ohne Beleuchtung derselben bzw. der Photodiode 8, die von der äußeren Spannung U im Sperrbereich betrieben wird. Hierzu ist der Gleichrichter 4 mit seinem Minuspol am Kontakt 7 an der Rückseite 11 der Solarzelle 1 und mit seinem Pluspol an der unteren Elektrode bzw. Anode 6 über elektrische Leiter angeschlossen. Die nicht zu galvanisierenden Oberflächenbereiche können z. B. mit einem Resist 9 elektrisch isoliert sein. Das Niveau 3 des Elektrolyten 12 befindet sich über der oberen löslichen oder unlöslichen Anode 6. Damit befindet sich die mit einer elektrisch leitfähigen Anfangsschicht versehene Rückseite 11 im Gegensatz zur 2a im Elektrolyten 12. Die Rückseite 11 bildet als Kathode mit der oberen Anode 6 bestimmungsgemäß mit der variablen Stromquelle 13 und ihrer Spannung Uo eine obere elektrolytische Zelle. Die untere elektrolytische Zelle wird von dem zu galvanisierenden Metallgitter 10 der Solarzelle 1 als Kathode und der unteren Anode 6 zusammen mit der variablen Stromquelle 4 mit der Ausgangsspannung U gebildet. Der Galvanisierstrom I an der Unterseite wird durch die unbeleuchtete Solarzelle als Sperrstrom eingeleitet. In Reihe dieser elektrischen Stromkreise können Stromverteilungswiderstände RS oder Strombegrenzungswiderstände RS geschaltet werden. An diesen Widerständen fällt die Spannung UR ab.
In einer Galvanisieranlage werden die zu behandelnden Solarzellen vom Licht des Produktionsraumes, in dem die Anlage steht, mehr oder weniger beleuchtet. Dies hat einen geringfügig größeren Sperrstrom im Vergleich zur völlig dunklen Solarzelle zur Folge. Dieser kleine Sperrstrom ist zum Galvanisieren völlig ungeeignet. Im Sinne dieser Erfindung soll das Raumlicht nicht als Beleuchtung der Solarzelle aufgefasst werden, denn dieses Licht ändert nahezu nichts am Verhalten der Solarzelle gemäß der Erfindung.
Die Erfindung eignet sich auch zur Verwendung von variablen bipolaren Puls-Stromquellen. Dies ist besonders vorteilhaft beim Galvanisieren von sehr feinen Strukturen an der Sonnenseite der Solarzellen. Diese Strukturen werden wegen der Spitzenwirkung mit Gleichstrom intensiver metallisiert als die breiteren Busbars. Der Pulsstrom wirkt der ungleichmäßigen Metallisierung entgegen.
Die Erfindung wurde am Beispiel der Solarzellen mit den Abmessungen 156 × 156 mm² beschrieben. Sie erstreckt sich jedoch uneingeschränkt auch auf alle weiteren in der Praxis vorkommenden Arten von Solarzellen aus Silizium oder anderen Halbleitern.
Grundsätzlich eignet sich die unbeleuchtete Solarzelle zu ihrer elektrolytischen Behandlung auch zum Betrieb im Durchlassbereich der Photodiode 8, d. h. im ersten Quadranten. Zum Beispiel kann beim elektrolytischen Ätzen die Kontaktierung des Pluspols des Gleichrichters 4 an der Rückseite 11 der Solarzelle 1 erfolgen. Die Sonnenseite 2 bzw. das Metallgitter 10 an dieser Seite wird dann ohne elektrische Kontaktierung anodisch gegen eine kathodische Elektrode entmetallisiert. Diese Elektrode ist mit dem Minuspol der Spannungsquelle elektrisch verbunden.

1: Solarzelle, Gut
2: Sonnenseite
3: Niveau
4: stromgeregelter Gleichrichter
5: Lichtquelle
6: Anode, Elektrode
7: Kontakt
8: Photodiode, innere Photodiode
9: Resist, Isolierschicht
10: Metallgitter, Kathode der elektrolytischen Zelle
11: Rückseite
12: Elektrolyt
13: oberer stromgeregelter Gleichrichter
14: Bypass-Diode
RB: Badwiderstand
RS: Stromverteilungswiderstand, Begrenzungswiderstand
U: Spannung des Gleichrichters, Ausgangsspannung
Uo: Spannung des oberen Gleichrichters, Ausgangsspannung
Uz: elektrolytische Zellspannung, Spannung am Badwiderstand RB
UF: Durchlassspannung, Vorwärtsspannung der Photodiode
UFBy: Durchlassspannung, Vorwärtsspannung der Bypass-Diode
ID: Durchlassstrom, Vorwärtsstrom
Us: innere Sperrspannung der Photodiode
Uph: Photospannungsquelle
UR: Spannung am Begrenzungswiderstand
I: Galvanisierstrom

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Zitierte Patentliteratur

- EP 0542148 B1 [0003]
- DE 102005038450 A1 [0006, 0007]
- DE 102007038120 A1 [0007]
- DE 102005039100 A1 [0008]
- DE 3307202 A1 [0033]
- US 4323719 [0033]
- DE 3826721 A1 [0033]
- DE 10331780 B4 [0036]

Claims

Verfahren zur elektrolytischen Behandlung, insbesondere zum Galvanisieren mindestens der Sonnenseite (2) von unbeleuchteten Solarzellen (1) aus Silizium oder anderen Halbleitern in elektrolytischen Zellen von Durchlaufanlagen, Tauchbadanlagen oder Cup-Platern mittels mindestens eines Gleichrichters (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (1) an ihrer elektrisch leitfähigen Rückseite (11) über elektrische Leiter und Kontakte (7) durch die Ausgangsspannung des Gleichrichters (4) negativ und die Anode (6) in der elektrolytischen Zelle gegenüber der Sonnenseite (2) positiv gepolt wird, wodurch ein Galvanisierstrom I im Sperrbereich der Solarzelle (1) fließt, wenn keine Bypass-Diode (14) integriert ist und ein Galvanisierstrom I im Durchlassbereich der Bypass-Diode (14) fließt, wenn diese in der Solarzelle (1) integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung (7) und die Einleitung des Galvanisierstromes I in die an der Sonnenseite (2) zu galvanisierende Solarzelle (1) an der Rückseite (11), die sich außerhalb des Elektrolyten (12) befindet, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung (7) und die Einleitung des Galvanisierstromes I in die an der Sonnenseite (2) zu galvanisierende Solarzelle (1) an der Rückseite (11), die sich innerhalb des Elektrolyten (12) befindet, erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Galvanisieren der beiden Seiten (2, 11) der Solarzelle (1) die elektrische Kontaktierung (7) und die Einleitung des Galvanisierstromes I in die Solarzelle (1) nur an deren Rückseite (11) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Galvanisierstrom (I) mittels rotierender, klammernder oder gleitender Kontakte (7) in die zu galvanisierende Solarzelle (1) eingespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer beidseitigen Galvanisierung der Solarzelle (1) zwei variable Gleichrichter (4) und (13) den Galvanisierstrom (I) in die Solarzelle (1) einspeisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (1) unter Verwendung von löslichen oder unlöslichen Anoden galvanisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (1) mittels variabler Pulsgleichrichter galvanisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallele Solarzellen (1) von einem Gleichrichter (4, 13) über je einen Stromverteilungswiderstand (Rs) mit Galvanisierstrom gespeist werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrolytischen Ätzen der Sonnenseite (2) der unbeleuchteten Solarzelle (1) diese nur an der Rückseite (11) elektrisch kontaktiert und dort mit dem Pluspol des Gleichrichters verbunden wird und dass der Minuspol mit einer Elektrode so verbunden wird, dass die Solarzelle bzw. die innere Photodiode (8) im Durchlassbereich des ersten Quadranten betrieben wird.
Vorrichtung zur elektrolytischen Behandlung, insbesondere zum Galvanisieren mindestens der Sonnenseite (2) von unbeleuchteten Solarzellen (1) aus Silizium oder anderen Halb leitern in elektrolytischen Zellen von Durchlaufanlagen, Tauchbadanlagen oder Cup-Platern mittels mindestens eines Gleichrichters (4) zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch eine abrollende, greifende, klemmende, drückende oder gleitende kathodische Kontaktierung der Solarzelle (1) an ihrer elektrisch leitfähigen Rückseite (11), wobei die kontaktlos gegenüberliegende unbeleuchtete Sonnenseite (2) im Elektrolyten (12) gegenüber einer anodischen Elektrode (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine elektrisch leitfähige Rückseite (11) der Solarzelle (1), die sich beim Galvanisieren ihrer Sonnenseite (2) außerhalb des Elektrolyten (12) befindet.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12, gekennzeichnet durch eine großflächige Kühlfläche, die von der Oberfläche der Solarzelle (1) gebildet wird.
Vorrichtung nach den Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch zwei Gleichrichter (4, 13) zur gleichzeitigen Galvanisierung der beiden Seiten der Solarzellen (1), nämlich der Rückseite (11) und der Sonnenseite (2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch Stromverteilungswiderstände in den elektrolytischen Stromkreisen.