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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Solarzellen durch Löten, insbesondere ein Verfahren zum Verbinden von Solarzellen mittels mindestens eines metallischen Bändchens durch Löten, wobei das metallische Bändchen durch Löten unter Verwendung eines Lots mit der Frontseite einer ersten Solarzelle, die bei der Erzeugung von Solarstrom der Sonnenstrahlung zugewandt ist, und der Rückseite einer zweiten Solarzelle verbunden wird.
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Zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie werden zu Solarmodulen zusammengeschaltete Solarzellen verwendet, wobei die Solarzellen im Allgemeinen in Serien- oder Parallelschaltung miteinander verbunden sind.
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Vorzugsweise werden zur Stromerzeugung mehrere Solarzellen in einer Serienschaltung zunächst zu Strings verbunden. Hierbei werden die einzelnen Solarzellen im Allgemeinen durch Löten miteinander verbunden, wobei metallische Bändchen unter Verwendung eines Lots so auf so genannte Busbars gelötet werden, dass ein Bändchen die Vorderseite einer Solarzelle mit der Rückseite einer benachbarten Solarzelle verbindet, usw. Die fertigen Stnngs werden dann im Allgemeinen mit der Vorderseite auf eine mit einer Folie, beispielsweise aus Ethylenvinylacetat (EVA) bedeckte Glasplatte aus Einscheiben-Schutzglas (ESG) abgelegt und miteinander verschaltet. Anschließend wird eine weitere Folie, beispielsweise eine weitere EVA-Folie und eine Folie aus einem Kunststoffverbundmaterial über das Solarmodul gedeckt. Unter Anwendung von Vakuum, Druck und Wärmezufuhr erfolgt dann die Laminierung, bei der die EVA-Folien schmelzen und dabei die Solarzelle einbetten. Abschließend wird das Solarmodul noch mit einem Rahmen und geeigneten Anschlüssen versehen.
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Beim Löten werden die zu verbindenden Teile, das metallische Bänden und das zwischen metallischen Bändchen und den zu verbindenden Solarzellen eingesetzte Lot auf hohe Temperaturen erhitzt. Da die zu verbindenden Solarzellen, metallische Bändchen und Lot verschiedene Materialien sind, die beispielsweise unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, erzeugt das Löten in den gelöteten Solarzellen mechanische Spannungen. Insbesondere nach dem Löten kontrahiert das aufgelötete metallische Bändchen (das auch als „Lötbandchen“ bezeichnet werden kann) während die Lötzone erstarrt. Wenn die Kontraktion nach dem Erstarren der Lötzone nicht abgeschlossen ist, wird eine Schubspannung in die Solarzelle eingeleitet. Diese thermisch induzierten, mechanischen Spannungen können in der im Allgemeinen besonders empfindlichen Frontseite von Solarzellen zu Beschädigungen wie Rissbildung führen, wobei es auch zu Kontaktverlusten kommen kann, wenn dabei Gridfinger unterbrochen werden.
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US 2006 / 0 219 290 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Solarmoduls, bei dem ein Verbiegen der Solarzelle aufgrund eines Unterschieds der linearen Ausdehnungskoeffizienten der Solarzelle und des Bändchens reduziert ist. Dabei werden zwei Solarzellen mittels des Bändchens verbunden, wobei das Bändchen auf eine Frontseite der einen Solarzellen und auf eine Rückseite der anderen Solarzelle aufgelötet wird und eine plastische Verformung von weniger als 2 % aufweist.
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Chen, C.-H. et al. beschreiben in „Residual Stress and Bow Analysis for Silicon Solar Cells Induced ba Soldering“ In: paper on webpage: 140.116.36.16/, Feb. 2009, 11-3 eine Software namens ABAQUS zum Simulieren von durch Löten induzierte Biege- und Eigenspannungen von Solarzellen.
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Die
DE 691 14 760 T2 (
EP 0 455 360 B1 ,
US 5 145 793 A ) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer GaAs-Solarzelle auf einem Si-Substrat. Aufgrund der zur Bildung von GaAs-Schichten erforderlichen hohen Temperaturen und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von GaAs und Si kommt es zu starken Verwerfungen und bei Überschreiten bestimmter GaAs-Schichtdicken zu Rissbildung. Zur Lösung dieses Problems wird in der
DE 691 14 760 T2 vorgeschlagen, auf der rückwärtigen Oberfläche des Substrates eine Schicht eines Materials mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Silizium abzuscheiden und die Temperatur des Substrates anzuheben, so dass die vordere Oberfläche hiervon konvex wird. Es werden dann Ga-As-Schichten abgeschieden und die Schichten anschließend abkühlen gelassen. Beim Abkühlen auf Raumtemperatur soll das Material wieder im Wesentlichen flach sein.
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Das Verwenden einer zusätzlichen Schicht zur Erzeugung einer konvexen Oberfläche bedeutet jedoch einen erheblichen Aufwand in Hinblick auf die Suche nach einem geeigneten Material mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Silizium, das ansonsten Herstellung und Funktionsweise der Solarzelle weder beeinträchtigt noch verteuert.
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Die
US 6 514 835 B1 betrifft die Kontrolle von Spannungen in dünnen Filmen, da verbleibende Spannungen in beispielsweise durch Dampfphasenabscheidung erzeugten Filmen die Eigenschaften des Filmes verschlechtern oder ihn sogar für den vorgesehenen Zweck unbrauchbar machen können. Es wird daher vorgeschlagen, Spannungen oder Belastungen in einem dünnen Film dadurch zu minimieren oder zu kontrollieren, dass der Film auf einem Substrat abgeschieden wird, das deformiert oder unter Spannung gesetzt ist. Die Methode soll insbesondere vorteilhaft sein für die Erzeugung von Filmen, die diffusionslose Phasenübergänge zeigen, z. B. Stahl, Memory-Legierungen, dielektrische Materialien, polymere Materialien und piezoelektrische Materialien. Eine Methode zur Erzeugung der Deformation besteht in der Verwendung eines zusätzlichen Films auf dem Substrat, wobei der zusätzliche Film und das Substrat unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben. Jedenfalls muss das bei der Herstellung des zu kontrollierenden Films eingesetzte Substrat so deformiert bzw. unter Spannung gesetzt werden, dass eine wachsende Oberfläche unter Spannung oder Komprimierung steht.
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Huster F. beschreibt in Aluminum Back Surface Field: Bow Investigation and Elimination. In: 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition; Barcelona 6-10 June 2005, dass eine Verbiegung bei Solarzellen mit siebgedrucktem AI BSF (aluminium back surface field) auftreten kann. Bei dem Solarzellenherstellungsverfahren wird eine AI-Paste auf eine Rückseite eines Siliziumwafers gedruckt und gefeuert, wodurch das AI BSF gebildet wird. Die Rückseite ist nun aus drei Schichten zusammengesetzt, nämlich dem BSF, einer AlSi-Schicht und einer Pastenmatrix aus in Oxid-Hüllen eingeschlossenen AISi-Partikeln. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des AISi ist höher als der von Si, was zu einer stärkeren Kontraktion des Rückseitenkontakts und zu einer konvexen Waferverbiegung führt. Diese Druckschrift lehrt, dass diese unerwünschte Verbiegung planarisiert werden kann, indem die Solarzelle nach dem Feuern auf -20°C bis -50°C gekühlt wird. Nach Erwärmen auf Raumtemperatur ist die Solarzelle planar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es vor diesem Hintergrund, ein verbessertes Verfahren der eingangs geschilderten Art aufzuzeigen, bei dem insbesondere das Verbinden von Solarzellen mittels eines metallischen Bändchens durch Löten, wobei das metallische Bändchen durch Löten unter Verwendung eines Lots mit der Vorderseite einer ersten Solarzelle und der Rückseite einer zweiten Solarzelle verbunden wird, zu geringeren Spannungen und damit einer geringeren Neigung zu Rissbildung in der resultierenden Solarzelle führt.
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Demgemäß wurde ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Solarzellen mittels eines metallischen Bändchens durch Löten gefunden, wobei die Solarzellen eine mit einem Fingergrid versehene Frontseite umfassen, wobei das metallische Bändchen durch Löten unter Verwendung eines Lots mit der Frontseite einer ersten Solarzelle und der Rückseite einer zweiten Solarzelle verbunden wird, und wobei die Frontseite der ersten Solarzelle beim Löten des metallischen Bändchens auf die erste Solarzelle eine konvexe Verbiegung B aufweist und die Rückseite der ersten Solarzelle eine konkave Verbiegung aufweist und wobei die konvexe Verbiegung B in einem Bereich von 0,1 bis 10 %, bezogen auf eine Länge L der ersten Solarzelle liegt und wobei
- (a) ein metallisches Bändchen, ein Lot und eine erste Solarzelle auf einer Heizplatte mit einer konvexen Oberfläche platziert werden, so dass das metallische Bändchen über das Lot mit der Rückseite der ersten Solarzelle in Kontakt ist;
- (b) ein metallisches Bändchen und Lot mit der Frontseite der ersten Solarzelle in Kontakt gebracht werden, so dass das metallische Bändchen über das Lot mit der Frontseite der ersten Solarzelle in Kontakt ist; und
- (c) anschließend das mit der Frontseite der ersten Solarzelle über das Lot in Kontakt stehende metallische Bändchen auf die Frontseite und/oder das mit der Rückseite der ersten Solarzelle über das Lot in Kontakt stehende metallische Bändchen auf die Rückseite der ersten Solarzelle gelötet wird.
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Die metallischen Bändchen werden im Allgemeinen auf Busbars der Solarzelle gelötet, die im Allgemeinen sowohl auf der Frontseite als auch auf der Rückseite der Solarzellen vorhanden sind. Im Allgemeinen weisen beim erfindungsgemäßen Verfahren die mindestens zwei Solarzellen jeweils eine mit einem Fingergrid versehene Frontseite auf. Eine solche Seite ist gegenüber auftretenden mechanischen Spannungen besonders empfindlich.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Solarzellen ein Halbleitermaterial mit einer n-dotierten Schicht, die einer Frontseite der Solarzellen zugewandt ist, und eine p-dotierte Schicht, die einer Rückseite der Solarzellen zugewandt ist, auf.
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Die konvexe Verbiegung B liegt in einem Bereich von 0,1 bis 10 %, mehr bevorzugt in einem Bereich von 0,5 bis 6 % und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 3 %, bezogen auf eine Länge L der ersten Solarzelle.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine ursprünglich flache erste Solarzelle vor dem Löten bis zu einer konvexen Verbiegung B verbogen.
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Die Solarzelle weist im Allgemeinen ein Halbleitermaterial mit einer n-dotierten Schicht und einer p-dotierten Schicht auf. Vorzugsweise bestehen die Solarzellen zu mindestens 90 Gewichts-% aus Silizium. Hierbei ist die n-dotierte Schicht vorzugsweise mit Phosphor dotiert und die p-dotierte Schicht vorzugsweise mit Bor dotiert. Allerdings kann die Solarzelle auch aus einem anderen Halbleitermaterial bestehen oder dieses enthalten. Desgleichen können andere Dotiermaterialien verwendet werden.
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Das metallische Bändchen kann aus einem beliebigen Metall bestehen, solange es die Funktion, Solarzellen miteinander zu verbinden, erfüllen kann. Beispielsweise kann das metallische Bändchen aus Silber oder einem Silber enthaltenden Material, aus Kupfer oder einem Kupfer enthaltenden Material bestehen. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass das metallische Bändchen zu mindestens 90 Gew.-% aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
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Der Begriff „metallisches Bändchen“ ist breit auszulegen und umfasst beliebige flächige Gebilde, deren Ausdehnung in zwei Dimensionen größer als in Richtung ihrer Dicke ist. Vorzugsweise sind jedoch solche flächigen Gebilde gemeint, bei denen eine Länge deutlich größer ist als eine Breite. Das metallische Bändchen weist insbesondere vorzugsweise eine Breite im Bereich von 0,5 bis 4 mm und eine Länge im Bereich von 100 bis 250 mm auf. Hierbei sind die Solarzellen vorzugsweise gegebenenfalls abgerundete Rechtecke, deren Seiten eine Länge im Bereich von 80 bis 250 mm haben. Zum Verbinden der Solarzellen wird mindestens ein Lötbändchen, vorzugsweise zwei bis drei Lötbändchen verwendet.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem die Rückseite der ersten Solarzelle durch Löten unter Verwendung des metallischen Bändchens und des Lots mit der Frontseite einer dritten Solarzelle verbunden wird.
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Für das Löten sind sowohl Hart- als auch Weichlöten geeignet, wobei erfindungsgemäß Weichlöten bevorzugt ist. Insbesondere ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, dass das Löten durch Weichlöten bei einer Temperatur von maximal 450°C erfolgt.
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Das Lot wird beim erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise zunächst auf die metallischen Bändchen gebracht, bevor die mit Lot beschichteten metallischen Bändchen auf die Solarzelle gebracht werden. Das Aufbringen des Lotes kann beispielsweise durch heiße Tauchverzinnung oder durch Plattieren, d.h. Aufwalzen, geschehen. Im Allgemeinen wird für das Löten auch ein Flussmittel, z.B. Naturharze, verwendet.
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Die Methoden für die Erwärmung des Lots und insbesondere eine verwendete Wärmequelle sind nicht eingeschränkt. Es hat sich allerdings gezeigt, dass z.B. ein Induktor, ein Lötstempel, eine Infrarot-Lampe, ein Heißluftstrahl, eine Flamme etc. besonders vorteilhaft sind.
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Als Lot wird vorzugsweise ein Lot auf Zinnbasis verwendet. Dieses kann Zusätze wie Blei, Silber, Wismut, Indium, Zink, Kupfer usw. enthalten. Dies hat sich insbesondere als vorteilhaft bei der Verwendung von Solarzellen, die zu über 90 Gewichts-% aus Silizium bestehen, und von metallischen Bändchen, die zu mindestens 90 Gewichts-% aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen, erwiesen.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
- (a) mindestens ein metallisches Bändchen, Lot und die erste Solarzelle auf einer Heizplatte mit einer konvexen Oberfläche platziert, so dass mindestens ein metallisches Bändchen über das Lot mit der Rückseite der ersten Solarzelle in Kontakt ist;
- (b) mindestens ein metallisches Bändchen und Lot mit der Frontseite der ersten Solarzelle in Kontakt gebracht, so dass mindestens ein metallisches Bändchen über das Lot mit der Frontseite der ersten Solarzelle in Kontakt ist; und
- (c) anschließend mindestens ein metallisches Bändchen auf die Frontseite und/oder die Rückseite der ersten Solarzelle gelötet.
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Hierbei wird vorzugsweise auch ein Lötkopf mit einer entsprechenden konkaven Oberfläche verwendet, der die Solarzelle gegen die Heizplatte mit der konvexen Oberfläche drückt. Alternativ oder in Ergänzung hierzu können andere mechanische Vorrichtungen ein Verbiegen der Solarzelle bzw. die Einstellung einer konvexen Verbiegung B bewirken oder unterstützen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Anordnung aus einer Solarzelle und mindestens einem metallischen Bändchen in einer Vorwärmzone erwärmt wird, bevor sie der eigentlichen Lötstation zugeführt wird. Hierbei befindet sich vorzugsweise mindestens ein metallisches Bändchen zwischen der Solarzelle und einer Vorwärmplatte. Mindestens ein metallisches Bändchen ist hierbei somit auf der Rückseite der Solarzelle angebracht. In der Lötstation wird dann in der Regel zunächst ein zweites metallisches Bändchen auf der Frontseite der Solarzelle platziert.
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Wenn es erfindungsgemäß auch bevorzugt ist, dass die konvexe Verbiegung B unter Verwendung einer Heizplatte mit einer konvexen Oberfläche eingestellt wird, so sind erfindungsgemäß andere Möglichkeiten nicht ausgeschlossen.
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Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn auf der Rückseite der Solarzellen eine metallische Schicht aufgebracht ist. Vorzugsweise umfasst die metallische Schicht Aluminium oder besteht aus Aluminium.
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Das Löten auf der Frontseite und auf der Rückseite einer Solarzelle kann gleichzeitig oder in getrennten Schritten erfolgen. Vorzugsweise werden gleichzeitig mindestens ein metallisches Bändchen auf der Frontseite und mindestens ein metallisches Bändchen auf der Rückseite aufgelötet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die nach ihm verlöteten Solarzellen vorteilhaft auf der empfindlichen Frontseite, die beim Einsatz der Solarzellen dem Sonnenlicht zugewandt ist, deutlich weniger mechanische Spannungen aufweisen und damit deutlich weniger zur Rissbildung neigen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer nicht einschränkend gemeinten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert, wobei Bezug genommen wird auf die 1 und 2
- 1 zeigt in einer nicht maßstabsgerechten Seitenansicht eine Anordnung von drei an sich bekannten Solarzellen, von denen jeweils zwei über mindestens ein metallisches Bändchen miteinander verbunden sind.
- 2 zeigt eine Solarzelle während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Frontseite der Solarzelle eine konvexe Verbiegung aufweist.
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In 1 ist eine bekannte Anordnung von drei Solarzellen 1,2,3 gezeigt, wobei die Solarzellen 1 und 3 sowie die Solarzellen 1 und 2 jeweils über mindestens ein metallisches Bändchen 4 miteinander verbunden sind. Jede der Solarzellen 1,2,3 umfasst bei der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform ein Halbleitermaterial mit einer n-dotierten Schicht 8 und einer p-dotierten Schicht 9. Bei der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist eine n-dotierte Schicht 8 jeweils einer Frontseite 5 der Solarzellen 1,2,3 zugewandt und die p-dotierte Schicht 9 ist jeweils einer Rückseite 6 der Solarzellen 1,2,3 zugewandt.
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Bei den in 1 gezeigten Solarzellen mit der Länge L befindet sich auf der Rückseite 6 eine metallische Schicht 12, die hier aus Aluminium besteht. Auf den Frontseiten 5 der Solarzellen 1,2,3 befinden sich jeweils Fingergrids 13, ein Busbar 14, der hier aus Silber besteht, sowie auf dem Busbar 14 ein metallisches Bändchen 4, welches bei der hier gezeigten Ausführungsform mit einem Lot auf Zinnbasis beschichtet ist. Das metallische Bändchen 4 verbindet hierbei die Solarzelle 3 von deren Frontseite 5 her über eine metallische Schicht 12, die hier aus Aluminium besteht, mit der Rückseite der Solarzelle 1. Ebenso verbindet ein metallisches Bändchen 4 die Frontseite 5 von Solarzelle 1 über eine metallische Schicht 12 mit der Rückseite von Solarzelle 2. Die hier gezeigten drei Solarzellen stellen dabei nur einen Ausschnitt aus einem String von Solarzellen dar.
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2 zeigt eine Solarzelle 1 während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Frontseite 5 eine konvexe Verbiegung B aufweist. Das Halbleitermaterial mit der bei dieser Ausführungsform ebenso verwendeten p-dotierten und der n-dotierten Schicht sowie die metallische Schicht, also die Schichten mit den Bezugszeichen 8,9,12, sind hier nicht im Detail angegeben. Auf der Frontseite 5 wie auch auf der metallischen Schicht auf der Rückseite der Solarzelle 1 befindet sich ein Lot 7 und darauf jeweils ein Teil mindestens eines metallischen Bändchens 4 Die restlichen Teile der metallischen Bändchen 4 vermitteln die Verbindung mit hier nicht gezeigten benachbarten Solarzellen. 13 bedeutet ein Fingergrid und 14 einen Busbar.
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Die im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene konvexe Verbiegung B der Frontseite der Solarzelle 1 wird dadurch erzielt, dass die Solarzelle 1 auf eine Heizplatte 10 mit einer konvexen Oberfläche platziert wird. Ein Lötkopf 11 mit einer entsprechenden konkaven Form drückt die Solarzelle gegen die Heizplatte mit der konvexen Oberfläche. Eine Wärmequelle 15 (z.B. ein Induktor, ein Lötstempel, eine Infrarot-Lampe, ein Heißluftstrahl, eine Flamme etc.) bewirkt hier die Aufheizung der zu lötenden Teile sowie des Lots.