DE102009035703A1 - Verfahren zur Herstellung von Verbünden flexibler Dünnschichtsolarzellen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Systems flexibler Dünnschichtsolarzellen durch Verschaltung einzelner flexibler Dünnschichtsolarzellen. Als Verschaltung wird die elektrische Verbindung einzelner Solarzellen zu Solarzellverbünden angesehen. Die Erfindung betrifft weiterhin den Verbund der Dünnschichtsolarzellen, der nach der neuen Technologie hergestellt worden ist. Die Aufgabe wird gelöst, indem Dünnschichtsolarzellen durchstoßen werden, durch die Öffnungen ein isolierter metallischer Draht geführt wird und die Dünnschichtsolarzellen miteinander vernäht werden, wobei die Drähte an den Berührungsstellen mit den Kontaktflächen der Dünnschichtsolarzellen ablatiert und mit z.B. elektrisch leitfähigem Kleber befestigt werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Systems flexibler Dünnschichtsolarzellen durch Verschaltung einzelner flexibler Dünnschichtsolarzellen. Eine Verschaltung ist die elektrische Verbindung einzelner Solarzellen zu Solarzellverbünden.
- Die Erfindung betrifft weiterhin den Verbund der Dünnschichtsolarzellen, der nach der neuen Technologie hergestellt worden ist.
- Ausgangspunkt sind Dünnschichtsolarzellen auf flexiblen Substrat, bevorzugt Polymer-Substrat z. B. Polyimid, wobei das Verfahren auf andere Zelltechnologien ausgeweitet werden kann.
- Es ist bereits bekannt, Dünnschichtsolarzellen herzustellen und zu Verbünden zu vereinigen. Dünnschichtsolarzellen z. B. der Solarion AG haben den Aufbau, der in
- Auf einem Substrat (
1 ) wird eine metallische Schicht (2 ) in einem Vakuumprozess abgeschieden. Diese metallische Schicht dient als Rückkontakt, auch als Rückseitenelektrode bezeichnet, der Dünnschichtsolarzelle. Auf diese Schicht wird dann die photoaktive Schicht (3 ) abgeschieden, was meist in einem Vakuumprozess geschieht. Eine transparente, elektrisch leitfähige Schicht (5 ) wird als Frontkontakt oder Vorderseitenelektrode aufgebracht. Zwischen Frontkontakt und photoaktiver Schicht werden diverse Pufferschichten (4 ) eingebaut. Zur Unterstützung der Leitfähigkeit des Frontkontaktes können auf diesen zusätzlich noch metallische Kontaktfinger und Sammelkontakte (6 ) aufgebracht werden. - Häufig wird als Substrat eine Polyimidfolie verwendet. Somit ist das Kontaktieren der metallischen Rückkontaktschicht von der Rückseite her nicht ohne weiteres möglich. Eine Kontaktierung des Rückkontaktes lässt sich aber von der Vorderseite der Solarzellen durch ein Entfernen aller über dieser Schicht liegenden Schichten erreichen. Ein zusätzliches Aufbringen metallischer Sammelkontakte (
7 ) auf die freigelegte Rückkontaktschicht verbessert das Abführen der in der photoaktiven Schicht erzeugten Ladungsträger. Beide Kontakte – sowohl der Rückkontakt als auch der Frontkontakt liegen bei dieser Variante auf der Vorderseite der Solarzelle und müssen durch eine weitere Strukturierung des Materials (8 ) elektrisch voneinander getrennt werden. - Zur Herstellung von Solarmodulen müssen die beschriebenen Dünnschichtsolarzellen miteinander verschaltet werden. Für eine Reihenschaltung muss dabei der Frontkontakt einer Solarzelle mit dem Rückkontakt einer folgenden Zelle verbunden werden. Im Falle einer Parallelschaltung müssen jeweils die Frontontakte und die Rückkontakte zweier oder mehrerer Solarzellen miteinander verbunden werden.
- Die Dünnschichtsolarzellen, welche auf flexiblen Substraten (z. B. Polyimidfolie) hergestellt werden, zeichnen sich durch ein hohes Maß an Flexibilität im mechanischen Sinne aus. Diese Flexibilität soll natürlich auch für die Solarmodule erhalten bleiben. Es ist also die Aufgabe gestellt, eine Verschaltungstechnologie zu finden, welche die Flexibilität der Solarzellen nicht einschränkt.
-
DE 3 317 309 C2 beschreibt eine Verschaltung, wobei einzelne Solarzellen auf eine mit integrierten Metalldrähten versehene Trägerfolie gebracht werden. Mittels Laserstrahlung werden die Metalldrähte lokal freigelegt und mit den Kontaktierungen der Solarzellen verbunden. - Im Falle eines leitfähigen Substrates lässt sich die in
US 3,769,091 vorgeschlagene Schindelung einzelner Solarzellen anwenden, wobei die elektrisch leitfähige Rückseite überlappend auf die Vorderseite einer benachbarten Zellen gelegt und elektrisch verbunden wird. Bei einem flexiblen Substrat lässt sich dann eine flexible Verschaltung erreichen. Dieses Konzept lässt sich aber nicht auf Solarzellen mit einem elektrisch isolierenden Substrat übertragen. - In
US 3,903,427 und inUS 7,276,724 wird vorgeschlagen, Löcher durch das gesamte Schichtpaket zu erzeugen und die eigentliche Durchkontaktierung bei der Abscheidung des transparenten leitfähigen Oxids auf der sonnenzugewandten Seite zu bewirken oder aber eine elektrisch leitfähige Paste zu applizieren. Für beide Verfahren besteht aber die Gefahr beim Durchkontaktieren im Loch den Frontkontakt und den Rückkontakt der Solarzellen kurzzuschließen und somit die Solarzelle in ihrer Funktion zu stören. Zum Umgehen dieses Problems wird in beiden Patenten eine Isolierung der Innenwände des Loches vorgeschlagen. Dies kann z. B. durch Abscheiden einer elektrisch nicht leitfähigen Schicht in einem Vakuumprozess (meist Sputtern (zur verbesserten Bedeckung der Innwände des Loches) oder durch das Applizieren eines Dielektrikums in Form einer elektrisch nicht leitenden Paste erfolgen. - Eine interessante Möglichkeit zur Verschaltung flexibler Dünnschichtsolarzellen stellt das Vernähen dar. Die Idee an sich ist nicht neu und ist z. B. in [1] auf Seite 57 ausgeführt. Das Nähen erfolgt hier auf eigens freigelegten Breichen des metallischen Rückkontaktes der Solarzellen. Auf dem Frontkontakt der Zellen wird der Draht nur geklebt. Beim in [1] gezeigten Verfahren werden also nur das Substrat und der metallische Rückkontakt durchstoßen. Alle anderen Schichten werden vom Faden nicht durchstoßen. Diese Vorgehensweise ist insofern verständlich, da ein Durchstoßen des Front- und Rückkontaktes an ein und derselben Stelle mit einem leitfähigen Draht zu einem elektrischen Kurzschluss beider Kontakte (s. hierfür
- Die in den beiden
US-Patenten 3,903,427 und7,276,724 vorgestellten Verfahren haben zum Nachteil, dass ein zusätzlicher Prozessschritt zur Isolierung der Lochinnenwände nötig ist. Darüber hinaus ist ein vollständiges Bedecken der Lochinnenwände technologisch anspruchsvoll und aufwändig. Bleiben nach der Isolierung Teile der Innenwände frei, besteht nach wie vor die Gefahr eines Kurzschlusses. - Die Erfindung hat die Aufgabe, Dünnschichtsolarzellen mit einem leitfähigen Draht zu vernähen ohne sie dabei kurzzuschließen. Darüber hinaus sollen zum Vernähen keine weiteren inaktiven Flächen vorgesehen werden. Dies soll in technologisch einfacher Weise erfolgen, mit hoher Produktivität und Energieausbeute.
- Eine zentrale Idee der vorliegenden Erfindung ist es, auf die Isolierung der Löcher zu verzichten. Das Problem des Kurzschlusses beim Durchstoßen aller Schichten der Dünnschichtsolarzelle mit einem elektrisch leitfähigen Draht wird damit gelöst, dass die Isolierung, d. h. die elektrisch isolierende Ummantelung gleich mit dem eigentlichen Verbindungsmaterial, dem metallischen Kernmaterial „mitgebracht” wird. Das Problem wird also von einer ganz anderen Seite her gelöst als aus dem Stand der Technik bekannt ist. Nach der Erzeugung eines Loches wird dieses belassen wie es ist ohne zusätzlich aufwändige Beschichtungen der Innenwände des Lochs vorzunehmen.
- Die Ummantelung kommerziell erhältlicher beschichteter Drähte ist lückenlos (eine lückenlose Isolierung der Innenwände eines Loches ist wie bereits angesprochen technologisch anspruchsvoll). Die Gefahr eines Kurzschlusses durch den Draht ist erfindungsgemäß vollständig unterbunden.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß also dadurch gelöst, dass eine Dünnschichtsolarzelle durchbohrt wird, wobei ein Loch entsteht, durch welches ein isolierter Leiter geführt wird. Die bisher auftretende Gefahr eines Kurzschließens an Front- und Rückkontakt beim Durchstoßen der Öffnung wird durch die Verwendung eines mit einer Isolierung ummantelten Drahtes behoben. Nachdem Dünnschichtsolarzellen mit diesem modifizierten Draht vernäht worden sind, erfolgt ein selektives Entfernen der Ummantelung des Drahtes (z. B. mittels Laserstrahlung) und damit eine Freilegung des metallischen Kernmaterials in ganz bestimmten Bereichen. Anschließend kann der freigelegte Draht mit den Kontakten der Solarzelle elektrisch verbunden werden, z. B. mittels elektrisch leitfähigen Klebers.
- Detaillierte Beschreibung des Prozessablaufes
- Die detaillierte Beschreibung des Prozessablaufes erfolgt anhand von
- Die zu verbindenden Dünnschichtsolarzellen (
10 und11 ) werden so nebeneinander positioniert, dass der Sammelkontakt (13 ) des Frontkontaktes der Dünnschichtsolarzelle (11 ) parallel neben dem Sammelkontakt des Rückkontaktes (14 ) der Dünnschichtsolarzelle (10 ) liegt. Die einzelnen Dünnschichtsolarzellen können dabei sowohl freiliegend positioniert als auch auf einem gemeinsamen Träger positioniert und fixiert werden. - Anschließend erfolgt das Vernähen der Dünnschichtsolarzellen mithilfe eines ummantelten und somit elektrisch isolierten Drahtes. Solch ummantelte Drähte sind z. B. in Form von Polyurethan-beschichteten Kupferdrähten kommerziell erhältlich. Die Dicke der isolierenden Ummantelung des Drahtes kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Das Nähen kann dabei im üblichen Sinne mithilfe einer Nadel erfolgen.
- Zum maschinellen Herstellen der Naht können Näh- und Stickmaschinen bzw. Abwandlungen davon verwendet werden. Es können prinzipiell übliche Industrienähmaschinen eingesetzt werden.
- Es ist aber auch möglich, zunächst Löcher in den Dünnschichtsolarzellen zu erzeugen und den Draht durch diese Löcher zu fädeln. Die Löcher können beispielsweise mit einem Laserstrahl oder einem mechanischen Stanzwerkzeug erzeugt werden. Die Form der Naht kann prinzipiell beliebig gewählt werden.
- Damit die Sammelkontakte der Solarzellen mit den elektrisch leitfähigen Drähten verbunden werden können, muss die elektrisch isolierende Ummantelung der Drähte selektiv entfernt werden. Im Falle der Polyurethan-beschichteten Kupferdrähte wird die Ummantelung chemisch oder mithilfe eines Lasers entfernt werden. Letzteres ist ein bekanntes Verfahren und lässt ein definiertes und sauberes Entfernen zu [2].
- Zum Entfernen einer isolierenden Polyurethan-Beschichtung um einen Draht können z. B. gepulste Excimer-Laser oder gepulste CO2-Laser verwendet werden, wobei mit ersterem System etwas bessere (sauberere) Resultate beim Abtrag der Isolierung erzielt werden. Die Wellenlänge dieser Lasersysteme liegen dabei typischerweise im Infraroten (CO2) bzw. im Ultravioletten (Excimer). Die für den Abtrag der Isolierung verwendeten Laserfluenzen pro Puls können dabei im Bereich von 100 mJ/cm2 bis zu 100 J/cm2 liegen. Die Repetitionsraten des Lasers liegen im Bereich von einigen Hz bis zu mehreren kHz. Die Anzahl der Laserpulse, die für einen sauberen Abtrag notwendig sind, richten sich nach Art und Dicke der isolierenden Ummantelung.
- Wird einer der oben beschriebenen Laser auf die Oberfläche der isolierenden Beschichtung des Drahtes fokussiert, kann ein Entfernen dieser Schicht über eine Laser-Ablation des Materials erreicht werden. Der Abtrag wohldefinierter Bereiche kann über das Verwenden von Masken erzielt werden, welche zwischen Laser und beschichtetem Draht positioniert werden.
- Die laterale Ausdehnung der Freilegungen des metallischen Drahtes kann dabei in einem Bereich von einigen μm bis zu mehreren cm beliebig angepasst werden.
- Anschließend werden die freigelegten Metalldrähte mit den Kontakten der Dünnschichtsolarzellen verbunden. Dies kann z. B. mithilfe eines elektrisch leitfähigen Klebstoffes erfolgen, womit zugleich die mechanische Anbindung der Drähte an die Dünnschichtsolarzellen gewährleistet wird. Der Auftrag eines Leitklebers kann dabei mithilfe eines Dispensers erfolgen. Kommerziell erhältliche Dispenser arbeiten z. B. mit druckbeaufschlagten Kartuschen, Spindelventilen oder Jet-Ventilen, wobei letzteres höhere Durchsätze in einer Massenfertigung erwarten lässt.
- Nach dem Applizieren eines Leitklebers muss dieser entsprechend der Anweisung des Leitkleberherstellers in einem Trockenofen ausgehärtet werden.
- Abwandlungen zum oben beschriebenen Prozess
- Die Dünnschichtsolarzellen können auch dann nach der Methodik des oben beschriebenen Prozesses verschaltet werden, wenn keine zusätzlichen Sammelkontakte auf den Zellen vorhanden sind. Das Verbinden der freigelegten Drähte kann auch direkt auf dem transparenten Frontkontakt bzw. auf der freigelegten Rückkontaktschicht erfolgen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich prinzipiell auf jeden Typ der Dünnschichtsolarzellen auf flexiblem Substrat anwenden. Folgende Typen dienen als Beispiel
- • Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, Kupfer-Indium-Diselenid, Kupfer-Gallium-Dieselenid (bzw. Selen substituiert durch Schwefel)
- • Amorphes Silizium
- • Cadmium-Tellurid
- • Mikrokristallines Silizium
- • Gallium-Arsenid
- Als flexibles Substrat können Plastikfolien, z. B. Polyimidfolie, Metallfolien, z. B. Kupfer-, Stahl- oder Titanfolien oder Verbundwerkstoffe wie z. B. glasfaserverstärkte Gewebe eingesetzt werden.
- Abweichend von der obigen Beschreibung des Prozesses können die Dünnschichtsolarzellen zunächst mit Löchern versehen und anschließend entsprechend nebeneinander positioniert werden.
- Zum Vernähen der Zellen lässt sich prinzipiell jeder metallische Draht (Kupfer-, Silber-, Aluminiumdraht etc.) verwenden. Als isolierende Beschichtung der Drähte können z. B. Polyurethan, PVC, PET, PTFE etc. verwendet werden.
- Die elektrische Verbindung des freigelegten Drahtes mit den Kontaktierungen der Solarzelle kann neben dem Applizieren eines elektrisch leitfähigen Klebers auch über einen Löt- oder Schweißprozess erreicht werden.
- Der Lötprozess kann z. B. im so genannten Reflow-Verfahren über das Aufbringen und Aufschmelzen einer Lotpaste geführt werden. Ein Aufschweißen des freigelegten Drahtes auf die Kontakte kann z. B. über Laserstrahlschweißen erfolgen. Wird für das Verbinden des Drahtes mit den Kontaktierungen des Solarzelle das Laserschweißen verwendet, kann das Entfernen der isolierenden Ummantelung des Drahtes und die Verbindung des Drahtes mit der Kontaktierung der Oberfläche in einem Prozessschritt durchgeführt werden und somit der Durchsatz in einer Massenfertigung erhöht werden.
- Als Vorrichtung zum Vernähen der Dünnschichtsolarzellen können Industrienähmaschinen verwendet werden.
- Mit der hier vorgestellten Methode lassen sich sowohl reine Reihenschaltungen und Parallelschaltungen als auch eine Kombination als Reihen-Parallel-Schaltung von Dünnschichtsolarzellen erzeugen (
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Substrat, Träger
- 2
- metallische Schicht, welche als Rückkontakt der Solarzelle dient
- 3
- photoaktive Schicht
- 4
- Pufferschichten
- 5
- transparentes, elektrisch leitfähiges Oxid, welches als Frontkontakt der Solarzelle dient
- 6
- Metallisierung zur Unterstützung der Leitfähigkeit des Frontkontaktes, Kontaktierung der Vorderseite
- 7
- Kontaktierung des freigelegten Rückkontaktes
- 8
- Isolationsgraben zur elektrischen Trennung des Frontkontaktes und des auf die Vorderseite verlegten Rückkontaktes
- 9
- Draht welcher alle Schichten der Solarzelle durchstößt
- 10
- Dünnschichtsolarzelle
- 11
- Dünnschichtsolarzelle
- 12
- Kontaktierung des Frontkontaktes
- 13
- Kontaktierung des Frontkontaktes
- 14
- Kontaktierung des Rückkontaktes
- 15
- Kontaktierung des Rückkontaktes
- 16
- Draht mit dem die Solarzellen vernäht sind
- 17
- freigelegter metallischer Draht durch selektives Entfernen der elektrisch isolierenden Ummantelung
- 18
- elektrische Verbindung des freigelegten Drahtes mit den Kontaktierungen der Solarzelle
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3317309 C2 [0009]
- - US 3769091 [0010]
- - US 3903427 [0011, 0013]
- - US 7276724 [0011, 0013]
Claims (9)
- Verfahren zum Herstellen von Verbünden flexibler Dünnschichtsolarzellen durch Verschalten einzelner Zellen oder Zellkomplexe dadurch gekennzeichnet, dass Dünnschichtsolarzellen auf einem flexiblen Träger von der Vorderseite bis durch den Träger in einem engen Bereich durchstoßen werden, durch die entstandene Öffnung ein isolierter elektrisch leitfähiger Draht geführt wird, dessen Isolation anschließend lokal abgetragen wird und eine Kontaktierung des freigelegten Drahtes mit dem Frontkontakt bzw. dem Rückkontaktzugriff der Dünnschichtsolarzelle erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung parallel oder in Reihe erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchstoßen mechanisch erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen einer Öffnung mit einem Laserstrahl erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abisolieren mit einem Laserstrahl erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung mit einer elektrisch leitfähigen Paste erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vernähen kontinuierlich erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass 50 bis 200 Zellen in Reihe geschaltet werden.
- Verbund von Dünnschichtsolarzellen, bestehend aus einzelnen, miteinander verbundenen Dünnschichtsolarzellen auf flexiblem Träger, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschichtsolarzellen durchstoßen und nach Vernähen mit isoliertem Draht zu einem Verbund vereinigt sind.
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-
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