DE102009044060B4

DE102009044060B4 - Solarzellenkontaktierungsverfahren, Solarzellenanordnung, Solarzellenstring und Solarzellenmodul

Info

Publication number: DE102009044060B4
Application number: DE102009044060.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Träger; Jörg Müller; Claudio Meisser; Dr. Luechinger Christoph
Original assignee: Komax Holding AG; Hanwha Q Cells GmbH; Orthodyne Electronics Corp
Current assignee: Komax Holding AG; Hanwha Q Cells GmbH; Orthodyne Electronics Corp
Priority date: 2009-09-20
Filing date: 2009-09-20
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2029-09-21
Also published as: DE102009044060A8; DE102009044060A1

Abstract

Solarzellenkontaktierungsverfahren umfassend die folgenden Verfahrensschritte:- Anordnen einer Solarzelle (1) mit einer Auflagefläche (11) auf einem Solarzellenhalter (2) mit einer Halteroberfläche (21) derart, dass Erhöhungen (13) der Auflagefläche (11) der Solarzelle (1) in Vertiefungen (22) der Halteroberfläche (21) eingreifen derart, dass die Halteroberfläche (21) die Solarzelle (1) an Auflageflächenbereichen zwischen den Erhöhungen (13) oder im Bereich der Erhöhungen (13) der Auflagefläche (11) der Solarzelle (1) stützt;- danach Anordnen mindestens eines Verbinders (3) auf einer der Auflagefläche (11) gegenüberliegenden Bondfläche (12) der Solarzelle (1); und- danach Bonden des Verbinders (3) auf der Bondfläche (12) unter Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Solarzelle (1) derart, dass dort eine stoffschlüssige elektrische Verbindung zwischen dem Verbinder (3) und einer Metallisierung der Solarzelle (1) gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenkontaktierungsverfahren, eine Solarzellenanordnung, einen Solarzellenstring und ein Solarzellenmodul.
Zur Verschaltung von Solarzellen, insbesondere Wafer-Solarzellen, werden häufig Verbinder, auch Zellverbinder genannt, verwendet. Die Verbinder werden mit einem Abschnitt entweder auf Busbars oder auf ganzflächigen Metallisierungen auf einer Oberfläche einer der Solarzellen angeordnet. Die Verbinder sind in der Regel bandförmig und aus einem Kupfer-Kern und einem den Kern umschließenden Lotmantel gebildet. Nach dem Anordnen auf der Solarzelle wird der Verbinder erhitzt, beispielsweise mittels Induktion, wobei der Lotmantel schmilzt und eine stoffschlüssige elektrische Verbindung zwischen dem Verbinder und der Metallisierung der Solarzelle gebildet wird. Diese bekannte Verschaltungsart ist aufwendig und teuer, insbesondere aufgrund der aufwändigen Gestaltung des Verbinders und der hieraus folgenden hohen Kosten.
Eine preiswertere Alternative hierzu besteht darin, streifenförmige Verbinder aus Aluminium zur Verschaltung der Solarzellen zu verwenden. Die Verwendung eines nur aus Aluminium bestehenden Verbinders hat zudem den Vorteil, dass eine eventuelle Kupferdiffusion in das Solarzellenmaterial ausgeschlossen ist. Nachteilig wirkt sich hierbei jedoch die Tatsache aus, dass das Aluminium des Verbinders mit Luftsauerstoff eine Oxidschicht bildet, welche bei der Herstellung einer elektrischen Verbindung des Verbinders mit der Metallisierung der Solarzelle hinderlich ist. Eine bekannte Möglichkeit, trotzdem eine gute elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Verbinder aus Aluminium und der Metallisierung der Solarzelle zu erhalten besteht im Einsatz spezieller Bondverfahren.
Hierbei handelt es sich um eine Verbindungstechnik, bei dem an einem Verbindungspunkt, nachfolgend Bondpunkt genannt, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbinder und der Metallisierung gebildet wird. Man spricht auch häufig von einem Vorgang des Mikroverschweißens. Beispiele für geeignete Bondverfahren sind das Ultraschallbonden und das Thermosonicbonden. Beim Ultraschallbonden wird der Verbinder mittels eines Bondwerkzeugs an dem Bondpunkt auf die Solarzellenoberfläche gedrückt, während gleichzeitig dem Bondpunkt Ultraschallenergie zugeführt wird. Das Thermosonicbonden unterscheidet sich hiervon dadurch, dass zusätzlich zur Ultraschallenergie dem Bondpunkt Wärmeenergie zugeführt wird.
Das Bonden hat den Vorteil, dass hierbei eine auf dem Verbinder vorhandene Oxidschicht aufgebrochen wird, so dass eine sichere, dauerhafte und qualitativ hochwertige elektrische Verbindung zwischen dem Verbinder und der Metallisierung der Solarzelle entsteht. Der Nachteil dieses Verbindungsverfahrens besteht darin, dass beim Bonden mechanischer Druck auf die Solarzelle ausgeübt werden muss, so dass insbesondere bei sehr dünnen Wafer-Solarzellen mit Dicken deutlich unter einem Millimeter die unmittelbare Bruchgefahr bzw. die Gefahr der Entstehung von Mikrorissen, die mittelbar zu einem Bruch des Wafers führen, erheblich steigt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine Auflagefläche der Solarzelle, auf die die Solarzelle während des Bondens aufgelegt wird, bereits mit Verbindern oder Strukturen versehen ist, die Erhöhungen und Unebenheiten auf der Auflagefläche bilden, wodurch unterschiedliche Abschnitte des Wafers, den mechanischen Hebelgesetzen folgend, mit unterschiedlich starken Drehmomenten beaufschlagt werden.
US 4 336 648 A offenbart ein String aus mehreren Solarzellen, welche mittels metallischen Verbindern mittels Ultraschallbonden miteinander kontaktiert sind. Gemäß einer Ausführungsform verbindet ein Verbinder die vorderseitige Metallisierung einer Solarzelle mit der Rückseitenmetallisierung einer Nachbarzelle. Der Verbinder fungiert somit auf der einen Solarzelle als vorderseitiger Verbinder und auf der Nachbarsolarzelle als rückseitiger Verbinder.
US 2007 / 0 125 415 A1 beschäftigt sich mit der Verschaltung von Solarzellen zu Solarzellenstrings mittels Busverbindern. Die hierin beschriebenen Busverbinder weisen auf ihren Oberflächen Vertiefungen insbesondere im Querschnitt dreieckförmige Rillen entlang ihrer Längsrichtung auf, welche dazu dienen, einfallendes Licht in einem Winkel zu reflektieren und so innerhalb eines Solarzellenmoduls, in dem sich die Solarzellen befinden, einzufangen.
In US 6 388 187 B1 wird ein Verfahren für die Verschaltung von Solarzellen zu Strings mittels folienartigen Busverbindern offenbart. Die Kontaktierung der Busverbinder erfolgt mittels Laser-Schweißens, wobei die hierbei verwendeten Busverbinder ein Material aufweisen, welches zumindest 10% des beim LaserSchweißen eintreffenden Lichtes absorbiert.
Schließlich offenbart US 4 450 033 A eine Vorrichtung zum automatischen Verschalten von Solarzellen mittels Verbindern, welche drahtgeflechtförmige und bandförmige Leiter umfassen, welche jeweils von Drahtrollen abgewickelt und auf den Solarzellen angeordnet werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Solarzellenkontaktierungsverfahren, eine Solarzellenanordnung, einen Solarzellenstring und ein Solarzellenmodul vorzuschlagen, bei denen eine sichere und hochwertige Verbindung zwischen Solarzelle und Verbinder erzielt wird und gleichzeitig die Bruchgefahr für die empfindlich dünne Solarzelle vermindert ist.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Solarzellenkontaktierungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Solarzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 14, einen Solarzellenstring mit den Merkmalen des Anspruchs 20 und ein Solarzellenmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 23 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen aufgeführt.
Das erfindungsgemäße Solarzellenkontaktierungsverfahren beruht auf den Gedanken, für das Bonden des Verbinders auf der Solarzelle einen Solarzellenhalter mit einer für diesen Zweck hergestellten Halteroberfläche zu verwenden. Die Halteroberfläche weist Vertiefungen auf derart, dass beim Anordnen der Solarzelle auf dem Solarzellenhalter Erhöhungen auf der Auflagefläche der Solarzelle in Vertiefungen der Halteroberfläche eingreifen und aufgrund dessen die Solarzelle an Auflageflächenbereichen durch die Halteroberfläche gestützt wird, die zwischen den Erhöhungen oder im Bereich der Erhöhungen der Auflagefläche liegen.
Gegenüber der Verwendung einer vollständig ebenen Halteroberfläche, d.h. mit einer Oberflächenrauhigkeit im Bereich von weniger als 5µm, zum Stützen der Auflagefläche der Solarzelle hat dies den Vorteil, dass beim Ausüben mechanischen Drucks auf die der Auflagefläche gegenüber liegende Oberfläche der Solarzelle durch die Erhöhungen auf der Auflagefläche im Idealfall überhaupt kein Drehmoment auf Bereiche der Solarzelle wirken kann, die benachbart zu den Erhöhungen liegen. Dieser Idealfall setzt voraus, dass die Oberflächentopologie der Auflagefläche - zumindest in den Bereichen, in denen ein in Richtung der Auflagefläche gerichteter mechanischer Druck ausgeübt wird auf ein im Mikrometerbereich genaues Negativbild der Vertiefungen des Solarzellenhalters trifft. Im Realfall werden die Vertiefungen jedoch nicht perfekt passen und somit eine Verbiegung des Wafers nicht vollständig verhindern können. Es reicht jedoch aus, wenn das Maß der durch den Druck und entstehenden Verbiegung auf wenige Mikrometer beschränkt wird. Dadurch wird im Ergebnis die Entstehung von Mikrorissen bzw. eines unmittelbaren Bruchs der Solarzelle verhindert. Eine derartige mechanische Entlastung ist insbesondere bei der Verwendung dünner Solarzellen, beispielsweise in Form von Wafersolarzellen, mit einer Dicke von weniger als 500µm, bevorzugt zwischen 20 µm und 250 µm, beispielsweise 140 µm oder 80 µm, von großer Bedeutung. Alle nachfolgend beschriebenen Varianten der Verfahren und Vorrichtungen beziehen sich bevorzugt auf Solarzellen, mit dem vorangehend genannten Parameterbereich.
Nachdem die Solarzelle derart auf dem Solarzellenhalter, der oftmals auch als Chuck bezeichnet wird, angeordnet ist, wird ein Verbinder oder werden mehrere Verbinder gleichzeitig auf die Solarzelle gelegt, und zwar auf die hier als Bondfläche bezeichnete Solarzellenoberfläche, welche der Auflagefläche entgegengesetzt ist. Schließlich wir der Verbinder oder werden die Verbinder auf der Bondfläche gebondet, um eine sichere elektrische Verbindung zwischen Verbinder und Solarzelle herzustellen. Bei dem Bonden handelt es sich vorzugsweise um Ultraschallbonden, wobei auch ein Thermosonicbonden oder andere geeignete Bondverfahren in Frage kommen können. Beim Durchführen des Bondens ist das Ausüben eines gewissen mechanischen Drucks unvermeidlich.
Wie nachfolgend erläutert wird, lässt sich mit Hilfe dieses Verfahrens eine Solarzellenanordnung mit beidseitig gebondeten metallischen Verbindern herstellen. Hierzu werden zunächst der oder die vorderseitigen Verbinder auf der Vorderseite der Solarzelle gebondet. Die metallisierte Rückseite der Solarzelle weist üblicherweise von vorhergehenden Ätzverfahren bei der Herstellung der Solarzelle (Sägeschadenätzen, Oberflächentexturierung) eine Rauhigkeit auf, die weniger als 5 µm beträgt und sich im Wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche erstreckt. Als Solarzellenunterlage ist daher beispielsweise ein Chuck geeignet, der ebenfalls im Bereich von weniger als fünf Mikrometer plan ausgebildet ist. Anschließend wird die Solarzelle auf einem weiteren Solarzellenhalter so angeordnet, dass die durch den vorderseitigen Verbinder gebildeten Erhöhungen in entsprechende Vertiefungen des Solarzellenhalters eingreifen. Nun wird bzw. werden die rückseitigen Verbinder auf der freiliegenden Oberfläche der Solarzelle angeordnet und gebondet.
Ebenso kann das Verfahren vorsehen, zunächst die rückseitigen Verbinder zu bonden. Was für ein Solarzellenhalter als Auflage für die Vorderseite der Solarzelle erforderlich ist, hängt von der Topologie der vorderseitigen Metallisierung der Solarzelle und von der Lage der Bondpunkte zum Kontaktieren der rückseitigen Verbinder ab. Eine Frontseitenmetallisierung sieht zum Beispiel eine Mehrzahl von Busbars und eine Vielzahl sich senkrecht zu den Busbars erstreckende dünne Elektrodenfinger auf. Diese Struktur wird beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren hergestellt. Wenn die durch die Busbars und die Elektrodenfinger erzeugten Erhöhungen auf der Vorderseite im Wesentlichen die gleiche Höhe aufweisen, kommt die Solarzelle gleichmäßig auf dieser Erhöhungsstruktur zu liegen. Wenn ein Niveauunterschied von mehr als fünf Mikrometern zwischen Busbars und Elektrodenfingern vorliegt, ist es vorteilhaft, dass der Solarzellenhalter diesen Niveau-Unterschied als entsprechende Vertiefung seiner Oberfläche abbildet. Wenn die Bondpunkte zum Kontaktieren des rückseitigen Verbinders in der Aufsicht der Solarzelle betrachtet auf den Busbars positioniert sind und die Bondpunkte eine mit dem Busbar geringere Breite aufweisen, kann es möglich sein mit einem Solarzellenhalter ohne Vertiefungen im Sinne der vorliegenden Erfindung zu arbeiten. Für den anschließenden Verfahrensschritt zum Bonden der frontseitigen Verbinder ist jedoch ein Solarzellenhalter erforderlich, der Vertiefungen zur Aufnahme der durch die rückseitigen Verbinder gebildeten Erhöhungen aufweist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Vertiefungen in der Halteroberfläche des Solarzellenhalters vor dem Auflegen der Solarzelle auf die Halteroberfläche bestehen und beispielsweise mittels eines spanenden, eines Ätz- oder eines anderen geeigneten Strukturierungsverfahrens erzeugt wurden. Die Vertiefungen werden also nicht erst durch ein Hineindrücken der Erhöhungen der Auflagefläche der Solarzelle in die Halteroberfläche erzeugt. Ebenso ist denkbar, die Oberflächenstruktur des Solarzellenhalters durch das strukturierte Aufbringen von Materialschichten auf eine plane Oberfläche zu erzeugen. Die Vertiefungen des Solarzellenhalters können prozentual betrachtet einen sehr großen Bereich von beispielsweise 1% bis über 90% der Fläche des Solarzellehalters ausmachen, die von der auf dem Solarzellenhalter abgelegten Solarzelle bedeckt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halteroberfläche die Solarzelle an Auflageflächenbereichen stützt, welche unter einem Bondpunkt angeordnet sind. Unter einem Bondpunkt, heißt, dass der Auflageflächenbereich mindestens die Ausdehnung des Bondpunkts aufweist. Es ist hierbei wichtig, die Solarzelle während des Bondens an dem Bondpunkt so zu stützen, dass eine Verbiegung der Solarzelle im Wesentlichen vermieden bzw. minimiert wird. Das Stützen der Solarzelle erfolgt vorzugsweise an Auflageflächenbereichen, welche den Bondpunkt mit einer Ausdehnung von mindestens 2 bis 5 mm umgeben. Vorzugsweise wird die Solarzelle an Auflageflächenbereichen um mehrere Bondpunkte gleichzeitig gestützt, um ein erneutes Positionieren der Solarzelle für das Bonden an jedem weiteren Bondpunkt zu vermeiden. Beispielsweise kann die Vertiefungsstruktur in dem Solarzellenhalter derart ausgestaltet sein, dass Auflageflächenbereiche, welche einen gesamten Verbinder umgeben, durch die Halteroberfläche gestützt werden. Bondpunkte mit einer Flächenausdehnung von wenigen Quadratmillimetern beispielsweise gut einem Quadratmillimeter sind ausreichend um Ströme im Bereich vieler Dutzend Ampere dauerhaft und zuverlässig zu führen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Erhöhungen der Auflagefläche die Vertiefungen auf der Halteroberfläche im Wesentlichen ausfüllen. Die Vertiefungen in der Halteroberfläche sind in dieser Ausführungsform also genau auf die Erhöhungen der Auflagefläche zugeschnitten. Dies kann soweit gehen, dass die Erhöhungen der Auflagefläche in die Vertiefungen der Halteroberfläche formschlüssig eingreifen. Bevorzugterweise sind jedoch zwischen Außenwänden der Erhöhungen der Auflagefläche und Innenwänden der Vertiefungen der Halteroberfläche Zwischenräume im Mikrometerbereich vorgesehen, damit die Solarzelle im Rahmen der Positioniergenauigkeit der die Zellen bewegenden Automaten nach dem Bonden ohne Beschädigung der Auflagefläche oder der Erhöhungen vom Solarzellenhalter genommen werden kann.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Vertiefungen der Halteroberfläche ein Vertiefungsmuster bilden, welches im Wesentlichen einer Invertierung von über 15 µm hohen, bevorzugt von über 5 µm hohen Erhöhungen der Auflagefläche entspricht. Mit anderen Worten, das Vertiefungsmuster auf der Halteroberfläche ist ein inverses Abbild der Erhöhungen der Auflagefläche mit unterschiedlicher Tiefenauflösung.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Erhöhungen auf der Auflagefläche der Solarzelle eine auf der Auflagefläche aufgebrachte strukturierte Metallisierungsschicht umfassen. Die strukturierte Metallisierungsschicht umfasst - wie bereits beschrieben - beispielsweise Elektrodenfinger und gegebenenfalls mit den Elektrodenfingern verbundene Busbars. Bei einer einfacher gestalteten und somit preiswerteren Ausführungsform des Solarzellenhalters weist die Halteroberfläche ein Vertiefungsmuster auf, welches den Busbars auf der Auflagefläche entspricht, die in der Regel eine Schichtdicke von etwa 20 µm aufweisen. Dies ist dann der Fall, wenn die Elektrodenfinger eine deutlich geringere Schichtdicke als 20 µm aufweisen.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Erhöhungen auf der Auflagefläche gebondete auflageflächenseitige Verbinder umfassen. Dies hat den Vorteil, dass ein beidseitiges Bonden von Verbindern auf der Solarzelle möglich ist, ohne die Solarzelle einer Bruchgefahr auszusetzen. Vertiefungen in der Halteroberfläche zum Aufnehmen derartiger Verbinder sind vorzugsweise bis zu 150 µm, bevorzugt bis zu 250 µm, eher bevorzugt bis zu etwa 300 µm tief. Diese Werte entsprechen bevorzugten Verbinderdicken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Verbinder an Bondpunkten auf der Bondfläche gebondet wird, welche gegenüber Bondpunkten des auflageflächenseitigen Verbinders in einer Aufsicht auf die Bondfläche betrachtet versetzt sind. Auf der Solarzelle vorderseitig aufgebrachte Bondpunkte sind somit in der Aufsicht betrachtet gegenüber rückseitig aufgebrachten Bondpunkten versetzt. Dies kann auch dann erreicht werden, wenn sich an der Solarzelle gebondete vorderseitige und rückseitige Verbinder in Aufsicht auf die Solarzelle paarweise teilweise oder vollständig überlagern.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der oder die Verbinder vor dem Verfahrensschritt des Anordnens des oder der Verbinder aus einem Metallstreifen oder einer Metallfolie gestanzt wird. Streifenförmige Verbinder können sowohl aus lang gestreckten Metallstreifen als auch aus einer flächigen zweidimensionalen Metallfolie gestanzt werden. Bei der Verwendung von Metallstreifen weisen diese bevorzugt eine Streifenbreite auf, welche einer Breite des streifenförmigen Verbinders entspricht. Der Metallstreifen beziehungsweise die Metallfolie ist vorzugsweise auf einer Rolle aufgerollt und wird zum Stanzen stückweise zugeführt.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass beim Stanzen der Metallstreifen oder die Metallfolie mittels eines Niederhalters auf eine Stanzmatrize gedrückt wird und ein Stanzstempel den oder die Verbinder stanzt. Der Niederhalter verhindert hierbei ein Verrutschen des Metallstreifens oder der Metallfolie während des Stanzvorgangs. Ferner erleichtert der Niederhalter ein nachfolgendes Lösen des oder der am Niederhalter fixierten, gestanzten Verbinder vom Stanzstempel.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der oder die gestanzten Verbinder am Niederhalter gehalten von der Stanzmatrize genommen und anschließend mittels des Niederhalters auf die Solarzelle positioniert und gebondet wird. Das Halten des Verbinders am Niederhalter kann beispielsweise mittels einer leicht lösbaren Haftschicht zwischen dem Niederhalter und dem Verbinder erfolgen. Vorzugsweise weist jedoch der Niederhalter Ansaugöffnungen auf, um den Verbinder mittels Unterdruck anzusaugen.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass das Bonden des oder der gestanzten Verbinder auf der Solarzelle erfolgt, indem ein Bondwerkzeug durch Bondöffnungen des Niederhalters geführt wird, um auf den oder die Verbinder zu drücken. Derartige Bondöffnungen können in gleichen Abständen entlang des Niederhalters angeordnet sein. Sie stellen sicher, dass der Verbinder während des Bondvorgangs um die Bondpunkte herum in der Solarzelle optimal anliegt. Das Bondwerkzeug leitet die für das Bonden benötigte Energie, z.B. in Form von Ultraschall, an den Bondpunkt und übt gleichzeitig einen Druck auf den Verbinder am Bondpunkt aus, um eine gute elektrische Verbindung zwischen Verbinder und Solarzelle zu erzeugen.
Der Niederhalter und die Stanzmatrize lassen sich weiterhin dergestalt ausbilden, dass mehrere Verbinder parallel gestanzt und sich mittels des Niederhalters in einem Arbeitsschritt gemeinsam positionieren lassen. Ebenso ist denkbar, dass das Bondwerkzeug mehrere Bondköpfe aufweist, die gleichzeitig mehrere Bondpunkte erzeugen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass beim Stanzen des oder der Verbinder eine oder mehrere Aussparungen in den oder die Verbinder gestanzt werden. Die Aussparungen dienen dazu, beim Bonden und während des Betriebs der Solarzelle auftretende Spannungen aufgrund von Ausdehnungen des Verbinders und / oder der Solarzelle zu vermindern. Vorzugsweise handelt es sich um in Richtung einer Verbinderlängsachse gestreckte Aussparungen. Diese Aussparungen lassen sich mit geschwungenen Kanten ausbilden. Dies führt zu einer vorteilhafteren Verteilung mechanischer Spannungen, die zwischen Zelle und Verbinder auftreten können.
Es ist von Vorteil, wenn beim Bonden des Verbinders sichergestellt wird, dass am Ort des hierbei erzeugten bondflächenseitigen Bondpunktes auf der gegenüberliegenden Auflagefläche kein Verbinder gegen die Solarzelle anliegt. Diese Vorgehensweise ist insbesondere beim Bonden von Verbindern auf sehr dünnen Solarzellenwafern von Bedeutung, da die beim Bonden zugeführte Energie sowohl auf den bondflächenseitigen Verbinder als auch - durch den dünnen Wafer hindurch - auf den auflageflächenseitigen Verbinder wirkt. Um dies zu verhindern ist es vorteilhaft, wenn sich in Aufsicht auf die Solarzelle betrachtet vorderseitige und rückseitige Bondpunktbereichen nicht überlappen sondern versetzt zueinander angeordnet sind.
Mit Hilfe von Verbindern mit Ausnehmungen, wie sie vorangehend erläutert wurden, ist es möglich, die genannte Voraussetzung auch dann zu erfüllen, wenn vorderseitiger und rückseitiger Verbinder in Aufsicht auf die Solarzelle betrachtet übereinander angeordnet sind. Wenn beispielsweise der rückseitige Verbinder Ausnehmungen aufweist, dann sollte in diesem Fall der vorderseitige Verbinder zuerst an die Solarzelle gebondet werden. Anschließend wird der rückseitige Verbinder so auf der Solarzellenrückseite angeordnet, dass seine Ausnehmungen über den Bondpunkten des vorderseitigen Verbinders zu liegen kommen. So wird sichergestellt, dass die Auflagefläche am Bondpunkt keinen metallischen Verbinder aufweist.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass der oder die Verbinder vor dem Bonden an Bondpunkten gequetscht wird, um dort eine geringere Verbinderdicke zu erzeugen. Hierdurch kann der Transport der für das Bonden notwendigen Energie, beispielsweise Ultraschallenergie, durch den Verbinder hindurch zur Grenzfläche zwischen Verbinder und Solarzelle erleichtert werden, so dass eine höherwertige Bondverbindung bei der industriellen in-line Herstellung gewährleistet ist.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch eine Solarzellenanordnung gelöst, wobei bei der Solarzellenanordnung der vorderseitige Verbinder auf der Solarzellenvorderseite und der rückseitige Verbinder auf der Solarzellenvorderseite derart gebondet sind, dass in der Aufsicht auf die Solarzellenvorderseite die Bondpunkte des vorderseitigen Verbinders und die Bondpunkte des rückseitigen Verbinders gegeneinander versetzt sind und der rückseitige Verbinder Aussparungen aufweist, wobei die Bondpunkte des vorderseitigen Verbinders in der Aufsicht auf die Solarzellenvorderseite betrachtet in den Aussparungen des rückseitigen Verbinders angeordnet sind. Mit anderen Worten, die Bondpunkte liegen in Aufsicht auf die Solarzelle nicht übereinander beziehungsweise überlappen sich nicht. Zum einen hat dies den Vorteil, dass der Bondvorgang zum Bonden des Verbinders an einem Bondpunkt nicht durch einen bereits vorhandenen Bondpunkt auf der gegenüberliegenden Solarzellenoberfläche negativ beeinflusst wird, weil die zugeführte Energie auf zwei metallische Verbinderbereiche einwirkt. Darüber hinaus wird hierdurch verhindert, dass ein Bereich auf der Solarzelle mehrfach den Druckbelastungen eines Bondvorgangs ausgesetzt wird.
Zur Herstellung einer solchen Solarzellenanordnung eignet sich das vorangehend beschriebene Herstellungsverfahren, das Solarzellenhalter mit Vertiefungen einsetzt. Derartige Solarzellenhalter sind jedoch bei der Herstellung dann nicht notwendig, wenn auf der Vorderseite der Solarzelle neben der Frontseitenmetallisierung (Busbars und Elektrodenfinger) Bondstützbereiche vorgesehen ist. Diese Bondstützbereiche weisen jeweils bevorzugt im Wesentlichen die Ausmaße eines rückseitigen Bondpunktes auf und sind in der Aufsicht auf die Solarzelle betrachtet im Wesentlichen deckungsgleich an den Stellen angeordnet, an denen die rückseitigen Bondpunkte positioniert sein werden. Die Dicke der Bondstützbereiche ist so gewählt, dass die Solarzelle beim Bonden der rückseitigen Verbinder auch auf diesen Bondstützbereichen auf einem planen Solarzellenhalter zu liegen kommt. Um die durch die Bondstützbereiche verursachte Abschattung zu minimieren ist es erforderlich, die Bondstützbereiche so klein wie möglich auszubilden. Es ist ebenso denkbar, die Bondstützbereich in die Strukturen der Frontseitenmetallisierung mit zu integrieren. Dies könnte beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Elektrodenfinger abschnittsweise breiter und höher ausgebildet sind, um auch als Bondstützbereiche wirken zu können.
Die elektrochemischen Potentiale von Aluminium und Kupfer sind unterschiedlich. Daher ist es von Vorteil, direkte Kontaktierungen zwischen diesen beiden Metallen zu vermeiden. Zumindest im Bereich der Solarzellen eines Solarzellenmoduls sollten daher vorteilhafterweise keine Kupferleitungen angeordnet sein. Da jedoch die aus den Solarzellen entnommenen Ströme letztlich an Verbrauchergeräten über Kupferleitungen weitergegeben werden müssen, sind Aluminium-Kupfer-Kontakte nicht vermeidbar. In diesem Fall ist es vorteilhaft, derartige Kontakte in die mit dem verkapselten Zellbereich des Solarzellenmodul verbundene Kontaktbox (junction box) zu verlagern. Sämtliche Verbinder zum Kontaktieren der Solarzellen untereinander, und auch zum Kontaktieren der Solarzellen mit Außenanschlüssen des Solarzellenmoduls, lassen sich in allen Ausführungsform vollständig frei von Kupfer und vorzugsweise aus Aluminium bilden.
Andererseits ist es wahrscheinlich, dass zukünftig Bondtechniken zur Verfügung stehen, mit denen sich auch Verbinder aus Kupfer bonden lassen. Gleichzeitig müssten dann Solarzellen eingesetzt werden, die eine Kupferbarriere gegenüber einer schädigenden Diffusion aufweisen oder bei denen eine Kupferdiffusion keine negativen Auswirkungen zeigt. Unter diesen Voraussetzungen wäre das Solarzellenkontaktierungsverfahren auch für Kupferverbinder einsetzbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Solarzellenanordnung ist vorgesehen, dass der vorderseitige Verbinder auf einer vorderseitig auf der Solarzelle aufgebrachten Vorderseitenmetallisierung und / oder der rückseitige Verbinder auf einer rückseitig auf der Solarzelle aufgebrachten Rückseitenmetallisierung gebondet sind / ist. Vorzugsweise umfasst die Vorderseitenmetallisierung Elektrodenfinger und gegebenenfalls Busbars, welche mit den Elektrodenfingern verbunden sind, während die Rückseitenmetallisierung vorzugsweise eine Ganzflächenmetallisierung über im Wesentlichen die gesamte Solarzellenrückseite umfasst.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Bondpunkte des vorderseitigen Verbinders und die Bondpunkte des rückseitigen Verbinders in der Aufsicht auf die Solarzellenvorderseite entlang einer Geraden angeordnet sind. Dafür werden üblicherweise geradlinig lang gestreckte Verbinder eingesetzt. Es kann jedoch erwünscht sein, geschwungene oder wellenförmige Verbinder einzusetzen. Derartige Geometrien können von Vorteil sein, um thermomechanische Spannungen Zwischen den Verbindern und der Solarzelle besser zu verteilen und somit die Bruchgefahr der Zelle zu reduzieren.
Bei der geradlinigen Anordnung der Bondpunkte ist es zweckmäßig, dass die Bondpunkte des vorderseitigen Verbinders und die Bondpunkte des rückseitigen Verbinders in der Aufsicht auf die Solarzelle im Wesentlichen äquidistant zueinander angeordnet sind, wobei der vorderseitige Verbinder über eine erste Kante der Solarzelle und der rückseitige Verbinder über eine der ersten Kante gegenüber liegende zweite Kante der Solarzelle hinausragt und von der ersten Kante aus betrachtet der nächstliegende Bondpunkt auf dem vorderseitigen Verbinder und von der der zweiten Kante aus betrachtet der nächstliegende Bondpunkt auf dem rückseitigen Verbinder angeordnet ist. Die über die Kanten der Solarzelle hinaus ragenden Abschnitte der Verbinder lassen sich zum verschalten mehrerer derartiger Solarzellen zu einem Solarzellenstring einsetzen.
Es ist vorgesehen, dass der rückseitige Verbinder Aussparungen aufweist, wobei die Bondpunkte des vorderseitigen Verbinders in der Aufsicht auf die Solarzellenvorderseite betrachtet in den Aussparungen des rückseitigen Verbinders angeordnet sind. Die Aussparungen in den Verbinder können dazu dienen, während des Bondens oder später zwischen dem Verbinder und der Solarzelle entstehende Materialspannungen abzubauen. Vorzugsweise werden mittels der Halteroberfläche des Solarzellenhalters auch die Solarzellenoberflächenbereiche in den Aussparungen gestützt, wenn die Solarzelle mit seiner als Auflagefläche dienenden Rückseite, auf dem der rückseitige Verbinder schon gebondet ist, auf dem Solarzellenhalter angeordnet wird.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass zumindest eines der Verbinder gitterförmig gebildet ist. Der gitterförmige Verbinder überspannt vorzugsweise im Wesentlichen eine gesamte Solarzellenoberfläche, wobei Bereiche zwischen Gitterstreben als Ausnehmungen im Sinne der vorliegenden Beschreibung angesehen werden können. Vorzugsweise sind die Bondpunkte, mit denen der gitterförmige Verbinder an der Solarzelle gebondet ist, an Kreuzungen der Gitterstreben angeordnet.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Solarzelle als Wafersolarzelle mit einer Waferdicke von kleiner als etwa 500 µm, vorzugsweise von kleiner als etwa 250 µm, bevorzugt von etwa 150 µm oder 80 µm aufgebildet ist.
Die ganzflächige Metallisierungsschicht weist vorzugsweise Laser induzierte Kontakte (Laser Fired Contacts, LFCs) auf, die in regelmäßigen Abständen matrixartig auf der Metallisierungsschicht verteilt sein können. An diesen Laser induzierten Kontaktpunkten, die auf der Metallisierungsschicht in einer Anzahldichte von mehreren Kontaktpunkten pro Quadratmillimeter verteilt sind, besteht eine niederohmige Verbindung zwischen der Metallisierungsschicht und der Solarzelle. Zweckmäßigerweise sind an und um die Bondpunkte keine LFCs vorgesehen, so dass die Herstellung der Bondpunkte durch bereits vorhandene LFCs nicht beeinflusst werden kann.
Die Vorderseitenmetallisierung und / oder die Rückseitenmetallisierung sind vorzugsweise aus Aluminium oder Silber, beispielsweise in Form einer silberhaltigen Siebdruckpaste, gebildet. Die Verbinder sind bevorzugt aus Aluminium hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass die Verbinder preiswert herstellbar sind. Zudem ist Aluminium gegenüber Kupfer in der Photovoltaik zu bevorzugen, da dann eine Diffusion von Kupfer in die Solarzelle hinein von vornherein verhindert werden kann. Unter den vorangehend genannten Bedingungen ist es jedoch denkbar, dass in Zukunft der Einsatz von Verbindern, die im Wesentlichen aus Kupfer bestehen, technisch machbar ist.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der oder die vorderseitigen Verbinder zumindest teilweise als so genannter Lichtfallen-Verbinder ausgebildet sind, indem sie strukturierte Verbinderoberflächen aufweisen. Derartige Lichtfallen-Verbinder weisen auf ihrer der Solarzelle abgewandten Oberfläche eine Lichtfangstruktur auf, beispielsweise eine prismatische Oberflächenstruktur. Wenn die Solarzellen, auf denen derartige Lichtfallen-Verbinder angeordnet sind, in einem Modul lichteinfallseitig beispielsweise durch eine Glasplatte überdacht sind, wird durch die Glasplatte auf den Verbinder scheinendes Licht an der Lichtfangstruktur (light trapping structure) des Verbinders in einem flachen Winkel reflektiert. Das so reflektierte Licht wird dann an der Innenseite der Glasplatte zurück zur Solarzelle reflektiert und geht nicht verloren. Somit verringert sich die Abschattungswirkung des Verbinders.
Mehrere derart mit Verbindern kontaktierte Solarzellen können über die Verbinder zu einem Solarzellenstring und / oder zu einem Solarzellenmodul verschaltet werden. Für das Solarzellenmodul werden die Solarzellen, gegebenenfalls in Form mehrerer Solarzellenstrings, in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet und entweder in einer einzigen Reihenschaltung oder in einer Kombination aus einer Reihen- und einer Parallelverschaltung elektrisch miteinander verbunden. Sowohl in dem Solarzellenstring als auch in dem Solarzellenmodul weisen benachbarte, miteinander elektrisch kontaktierte Solarzellen vorzugsweise einen Abstand von etwa 4 mm auf.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform des Solarzellenstrings ist vorgesehen, dass die rückseitigen Verbinder einer der Solarzellen jeweils mit den vorderseitigen Verbindern der anderen Solarzelle gebondet sind. Hierzu kann ein Bondpunkt zwischen den beiden Solarzellen vorgesehen sein, welche entsprechende Verbinder miteinander elektrisch verbindet. Dies geschieht bevorzugt im selben Verfahrensschritt, wie das Bonden eines der oder aller Verbinder auf der Solarzelle. Vorzugsweise sind die Bondpunkte durchgehend über mehrere Solarzellen hinweg äquidistant angeordnet, was die Steuerung des Bondwerkzeugs erleichtert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bei zumindest einer der Solarzellen die vorderseitigen Verbinder in der Aufsicht auf die Solarzelle betrachtet senkrecht zu den rückseitigen Verbindern angeordnet sind. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn in einer matrixförmigen Anordnung der Solarzellen, beispielsweise in einem Solarzellenmodul, die Solarzellen entlang einer Verschaltungsrichtung miteinander zu einem Solarzellenstring verschaltet sind und an einem Rand der matrixförmigen Anordnung mit einem benachbarten Solarzellenstring in Serie verschaltet werden müssen. Mittels der senkrecht zueinander angeordneten Verbinder auf der Vorder- und Rückseite können hierbei Strom umlenkende Verbindungselemente und damit einhergehende zusätzliche ohmsche Verluste des höheren Serienwiderstands eingespart werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine perspektivische Detailansicht einer Anordnung umfassend einen Solarzellenhalter und eine Solarzelle;
2 eine perspektivische Detailansicht einer Anordnung aus einem Solarzellenhalter einer alternativen Ausgestaltung und einer Solarzelle;
3 eine perspektivische Detailansicht auf zwei Solarzellen, die zu einem Solarzellenstring verschaltet sind;
4a eine Draufsicht auf den gesamten Solarzellenstring aus der 3;
4b eine Querschnittansicht der Anordnung aus der 4a entlang B-B;
4c eine Querschnittansicht der Anordnung aus der 4a entlang C-C;
5 eine schematische Perspektivenansicht einer Stanzvorrichtung zum Stanzen streifenförmiger Verbinder;
6 eine schematische Ansicht auf die Solarzelle beim Vorgang des Bondens des Verbinders auf die Oberfläche einer Solarzelle;
7a, 7b perspektivische Ansichten auf Vorder- und Rückseite einer Solarzellenanordnung mit gebondeten Verbindern gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
8 eine Aufsicht auf die einen Solarzellenstring gebildet aus zwei Solarzellen der in 7a und 7b gezeigten weiteren Ausführungsform.

Die 1 veranschaulicht schematisch das Abheben einer Solarzelle 1 von einem Solarzellenhalter 2 nach dem Bonden eines rückseitigen Verbinders 3,34. Der Verbinder 3, in diesem Fall ein rückseitiger Verbinder 34, ist bereits auf der Solarzelle 1 mittels Bondens fixiert worden. Um die Details besser sichtbar zu machen, ist die Solarzelle 1 in einem vertikalen Abstand zu dem Solarzellenhalter 2 abgebildet. Somit zeigt die 1, ebenso wie die nachfolgend erläuterte 2, eine Situation nach dem Bonden eines Verbinders 3 auf der Solarzelle 1, wobei die Solarzelle 1 bereits von dem Solarzellenhalter 2 gelöst wurde.
Die Solarzelle 1 weist auf einer Solarzellenvorderseite 14 zueinander parallel verlaufende Elektrodenfinger 131 mit sehr viel breiteren quer dazu verlaufenden Busbars 133 auf. Elektrodenfinger 131 und Busbar 133 bilden gemeinsam auf der Solarzellenvorderseite 14 Erhöhungen 13.
Beim Solarzellenkontaktierungsverfahren wird die Solarzelle 1 mit einer Auflagefläche 11, im vorliegend dargestellten Fall die Solarzellenvorderseite 14, auf einer Halteroberfläche 21 des Solarzellenhalters 2 platziert. Hierbei bilden die Elektrodenfinger 131 und ein Busbar 133 Erhöhungen 13 der Auflagefläche 11 der Solarzelle 1, welche in Vertiefungen 22 eingreifen, die in der Halteroberfläche 21 des Solarzellenhalters 2 gebildet sind. Die Vertiefungen 22 in der Halteroberfläche 21 bilden somit eine Art Abdruck der Erhöhungen 13 der Auflagefläche 11 der Solarzelle 1. Üblicherweise werden die Vertiefungen 22 im Rahmen der durch den automatisierten Transport vorgegebenen Toleranzen im Mikrometerbereich größer ausgebildet sein als das exakte Negativbild der Erhöhungen. Auf diese Weise kommt es beim Herstellen der Bondpunkte 31 für den rückseitigen Verbinder 34, die mit einer mechanischen Belastung einher geht, zu keiner oder nur zu einer deutlich reduzierten Verformung der Solarzelle 1.
Wenn die Elektrodenfinger 131 eine im Vergleich zu den Busbars 133 geringere Erhöhung auf der Solarzellenvorderseite bilden ist es ebenso denkbar, dass der Solarzellenhalter 2 lediglich Vertiefungen 22 aufweist, in die die Busbars 133 eingreifen. Der Solarzellenhalter 2 wiese dann eine einfachere Oberflächenstruktur auf.
Nach dem Anordnen der Solarzelle 1 auf dem Solarzellenhalter 2 wird ein Verbinder 3, in diesem Fall der rückseitige Verbinder 34, auf einer der Auflagefläche 11 entgegengesetzten Bondfläche 12 der Solarzelle 1 angeordnet und an Bondpunkten 31 gebondet. Vorzugsweise weist die Bondfläche 12 der Solarzelle 1, in diesem Fall die Solarzellenrückseite 15, eine ganzflächige und gleichmäßige Metallisierung auf, z.B. aus Aluminium. Diese rückseitige Metallisierung ist in den vorliegenden vereinfachten Figuren jedoch nicht dargestellt.
In der 2 ist ebenfalls eine Anordnung mit einer Solarzelle 1 und einem Solarzellenhalter 2 dargestellt. Die Halteroberfläche 21 des Solarzellenhalters 2 weist auch hier Vertiefungen 22 auf, welche einer inversen Oberflächentopologie der Auflagefläche 11 der Solarzelle 1 entsprechen. Die vorangehend gemachten Ausführungen im Hinblick auf die endliche Positionierungsgenauigkeit gelten hier entsprechend. Im vorliegenden Fall bilden die Vertiefungen 22 auf der Halteroberfläche 21 ein Vertiefungsmuster, das dem auf der Solarzellenrückseite 15 gebondeten auflageflächenseitigen Verbinder 132 entspricht.
Die zum Bonden des frontseitigen Verbinders 33 erzeugten Bondpunkte 31 (als ausgefüllte Rechtecke dargestellt) sind in der Aufsicht auf die Solarzelle 1 gegenüber den Bondpunkten 31 (als leere Rechtecke dargestellt), mit denen der auflageflächenseitige Verbinder 132 gebondet ist, versetzt angeordnet. Aussparungen 32, die der rückseitige Verbinder 34 aufweist, sind so angeordnet, dass in Aufsicht auf die Solarzelle 1 die Bondpunkte 31, mit denen der vorderseitige Verbinder 33 gebondet ist, innerhalb der Aussparungen 32 angeordnet sind.
Ähnlich wie in der 1 veranschaulicht, wird auch in dem in der 2 dargestellten Fall nach dem Anordnen der Solarzelle 1 auf dem Solarzellenhalter 2 der Verbinder 3, vorliegend ein vorderseitiger Verbinder 33, auf der Bondfläche 12 der Solarzelle 1 angeordnet und an Bondpunkten 31 gebondet. Bei dem in der 1 und der 2 veranschaulichten Solarzellenkontaktierungsverfahren kann es sich um Kontaktierungsverfahren handeln, die nacheinander an ein und derselben Solarzelle 1 vorgenommen werden, um diese beidseitig zu kontaktieren.
Bei sämtlichen der hier erläuterten Ausführungsformen weisen die Solarzellen 1 auf ihren Solarzellenrückseiten 15 ganzflächige Metallisierungsschichten auf. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Aluminiumschicht, die ein Rückseitenfeld (Back Surface Field, BSF) bildet und dünner ausgestaltet sein kann, als bei herkömmlich verschalteten Solarzellen. Die Metallisierungsschicht auf der Solarzellenrückseite 15 wird vorzugsweise mittels eines Abscheideverfahrens aufgebracht. Anschließend können mittels Laserstrahlung in den Figuren nicht dargestellte Laser induzierte Kontakte, sogenannte Laser-Fired-Contacts (LFCs), auf der Metallisierungsschicht erzeugt werden. Diese LFCs bilden sehr niederohmige elektrische Verbindungen zwischen der Metallisierungsschicht und der Solarzelle 1. Die LFCs werden in der Regel mit einer Flächenanzahldichte von mehreren Kontakten pro Quadratmillimeter erzeugt, wobei jedoch vorzugsweise die Bondpunkte 31 sowie Bereiche um die Bondpunkte 31 herum keine LFCs aufweisen.
Nachdem die Verbinder 3 beidseitig auf die Solarzelle 1 gebondet wurden, können mehrere derartig verschaltete Solarzellen 1 zu einem Solarzellenstring kombiniert werden. Die 3 zeigt eine perspektivische Detailansicht einer Zusammenschaltung zweier Solarzellen 1, 1'. Hierbei werden die Solarzellen 1, 1' in einem bestimmten Abstand 4 zueinander angeordnet und anschließend die Verbinder 3 in geeigneter Weise miteinander verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform wird der auf der Solarzellenvorderseite 14 der Solarzelle 1 gebondete vorderseitige Verbinder 33 mit dem rückseitigen Verbinder 34 gebondet, welcher auf der Solarzellenrückseite 15 der weiteren Solarzelle 1' angeordnet ist. Die elektrische Verbindung zwischen dem vorderseitigen Verbinder 33 und dem rückseitigen Verbinder 34 erfolgt mittels eines Bondpunktes 31, welcher in dem Abstand 4 zwischen den Solarzellen 1, 1' positioniert ist.
Die in der 3 dargestellte Detailansicht ist als Draufsicht auf die gesamte Anordnung in der 4a dargestellt. Die Solarzellen 1, 1' weisen jeweils drei vorderseitige Verbinder 33 und drei rückseitige Verbinder 34 auf, wobei jeweils ein vorderseitiger Verbinder 33 und ein rückseitiger Verbinder 34 in dieser Aufsicht überlappend angeordnet sind. Die in Aufsichtdarstellung der 4 normalerweise nicht sichtbaren vorderseitigen Verbinder 33 sind gestrichelt dargestellt, und die Bondpunkte 31 mit denen die vorderseitigen Verbinder 33 gebondet sind, sind als offene Rechtecke gezeichnet. Demgegenüber deuten die gefüllten Rechtecke die Bondpunkte 31 auf der Solarzellenrückseite 15 an.
Querschnittansichten der Anordnung aus der 4a entlang den Schnittebenen B-B und C-C sind in den 4b beziehungsweise 4c dargestellt. Die 4b zeigt eine Querschnittansicht mit einer Querschnittebene senkrecht zu einer Längsachse der beiden Verbinder 33, 34 der weiteren Solarzelle 1' im Bereich einer Aussparung 32 des rückseitigen Verbinders 34. Demgegenüber zeigt die 4c eine Querschnittansicht mit einer Querschnittebene, die entlang einer Längsachse der Verbinder 33, 34 verläuft, im Bereich des Abstands 4 zwischen den Solarzellen 1, 1'. In der 4c ist der Bondpunkt 31 deutlich erkennbar, der den vorderseitigen Verbinder 33 der Solarzelle 1 mit dem rückseitigen Verbinder 34 der weiteren Solarzelle 1' verbindet.
Wie in den 4b und 4c veranschaulicht ist, weisen die Verbinder 33, 34 Dicken auf, die im Größenbereich der Solarzellendicke liegen oder diese sogar übersteigen. In der vorliegend erläuterten Ausführungsform ist der rückseitige Verbinder 34 etwa 140 µm dick, und somit in etwa genauso dick wie die Solarzellen 1, 1'. Demgegenüber weist der vorderseitige Verbinder 33 mit ungefähr 250 bis 300 µm Dicke in etwa die zweifache Stärke wie die Solarzellen 1, 1' auf. Ein Grund für die dickere Ausgestaltung des vorderseitigen Verbinders 33 ist, dass er eine Lichtfangstruktur 331 aufweist. Die in der Regel rillenförmige Lichtfangstruktur 331 reflektiert einfallendes Licht derart, dass es von einem oberhalb der Solarzelle 1 angeordneten lichtdurchlässigen Verkapselungselement, beispielsweise einer Glasscheibe, ganz oder teilweise zurück auf Licht absorbierende Bereiche der Solarzelle 1 reflektiert wird.
In der 5 ist in einer schematischen Perspektivenansicht eine Stanzvorrichtung 5 zum Stanzen streifenförmiger Verbinder 3 gezeigt. Die Stanzvorrichtung 5 umfasst eine Matrize 51, auf der ein von einer Streifenrolle 54 abgewickelter Metallstreifen platziert wird. Der Metallstreifen wird mittels eines Niederhalters 53 auf die Matrize 51 gedrückt. Anschließend bewegt sich ein Stanzstempel 52 in Richtung der Matrize 51 und trennt den auf der Matrize 51 angeordneten Teil des Metallstreifens, um so den Verbinder 3 zu erzeugen. Die Matrize 51 weist zudem Ausnehmungen 55 auf, in denen Bereiche des Stanzstempels 52 beim Stanzen des Verbinders 3 eindringen und so die vorangehend beschriebenen Aussparungen 32 in dem Verbinder 3 erzeugen.
Der Niederhalter 53 weist ferner Ansaugöffnungen auf, durch die der gestanzte Verbinder 3 mittels Unterdruck an den Niederhalter 53 angesaugt und so gehalten werden kann. Die während des Stanzvorgangs eingestellte Relativposition zwischen Niederhalter 53 und Verbinder 3 bleibt somit erhalten. Auf diese Weise kann der Verbinder 3 mittels des Niederhalters 53 auf der Bondfläche 12 der Solarzelle 1 positioniert werden. Wenn der Niederhalter 53 mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich positionierbar ist, so gilt diese Positionsgenauigkeit aufgrund der definierten Relativposition, auch für den Verbinder 3. Dies ist in der 6 veranschaulicht. Wie dort gezeigt, wird der Verbinder 3 mittels des Niederhalters 53 auf die Bondfläche 12 der Solarzelle 1 gedrückt, während die Solarzelle 1 auf der Halteroberfläche 21 des Solarzellenhalters 2 angeordnet ist.
Bei der Bondfläche 12 handelt es sich vorliegend um die Solarzellenrückseite 15, welche mit einer Ganzflächenmetallisierung versehen ist. In dieser Position wird der Verbinder 3 an Bondpunkten 31 auf der Bondfläche 12 der Solarzelle 1 gebondet. Hierzu wird ein Bondwerkzeug 6 verwendet, das auf den Bondpunkten 31 gegen den Verbinder 3 drückt und gleichzeitig dem Bondpunkt 31 Energie zuführt, beispielsweise Ultraschallenergie. Der hier dargestellte Niederhalter 53 weist in gleichen Abständen angeordnete Bondöffnungen 531 auf, durch die das Bondwerkzeug 6 auf den Verbinder 3 aufsetzen kann.
Die 7a und 7b zeigen jeweils perspektivische Ansichten auf Vorder- und Rückseite einer Solarzellenanordnung mit gebondeten Verbindern 3 in einer Ausführungsform, die sich von den vorangehend dargestellten Ausführungsformen unterscheidet. Die 7a zeigt hierbei eine Solarzellenvorderseite 14 mit drei hierauf gebondeten, streifenförmigen vorderseitigen Verbindern 33, während die 7b eine Solarzellenrückseite 15 mit einem hierauf gebondeten, rückseitigen Verbinder 34 zeigt.
Anders als bei der in 4a dargestellten Ausführungsform, ist der dargestellte rückseitige Verbinder 34 in der 7b nicht streifenförmig, sondern gitterförmig und mit großen rechteckigen Aussparungen 32 versehen. Er kann beispielsweise aus einer flächigen Metallfolie gestanzt sein. Der rückseitige Verbinder 34 ist an Bondpunkten 31 gebondet, welche an Gitterkreuzungen angeordnet sind. Damit sich die Bondpunkte 31 des vorderseitigen Verbinders 33 auch in dieser Ausgestaltung in der Aufsicht auf die Solarzelle 1 innerhalb der Aussparungen des rückseitigen Verbinders 34 befinden, sind sie wie in der 7a dargestellt paarweise zusammengerückt entlang des vorderseitigen Verbinders 33 aufgereiht.
Eine Aufsicht auf einen Solarzellenstring, gebildet aus zwei Solarzellen gemäß der in 7a und 7b gezeigten Solarzellenanordnung, ist in der 8 dargestellt, wobei die verborgenen vorderseitigen Verbinder 33 gestrichelt gezeichnet sind. Anders als in den 7a und 7b sind auch die Elektrodenfinger 131 schematisch dargestellt. Die Elektrodenfinger 131 sind in Wirklichkeit jedoch mit einer höheren Liniendichte auf der Solarzellenvorderseite 14 angeordnet, als dies in der 8 gezeigt ist. Ferner veranschaulicht die 8 die Verschaltung zweier Solarzellen 1, 1' zu einem Solarzellenstring, indem ähnlich wie in der Ausführungsform der 4a die vorderseitigen Verbinder 33 einer Solarzelle 1 mit dem rückseitigen Verbinder 34 der benachbarten weiteren Solarzelle 1' verbunden werden, beispielsweise mittels in den Abständen 4 zwischen den Solarzellen 1, 1' angeordneten Bondpunkten 31.
Bezugszeichenliste

1: Solarzelle
1': weitere Solarzelle
11: Auflagefläche
12: Bondfläche
13: Erhöhungen
131: Elektrodenfinger
132: auflageflächenseitiger Verbinder
133: Busbar
14: Solarzellenvorderseite
15: Solarzellenrückseite
2: Solarzellenhalter
21: Halteroberfläche
22: Vertiefungen
3: Verbinder
31: Bondpunkt
32: Aussparung
33: vorderseitiger Verbinder
331: Lichtfangstruktur
34: rückseitiger Verbinder
4: Abstand zwischen Solarzellen
5: Stanzvorrichtung
51: Matrize
52: Stanzstempel
53: Niederhalter
531: Bondöffnungen
54: Streifenrolle
55: Ausnehmungen
6: Bondwerkzeug

Claims

Solarzellenkontaktierungsverfahren umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Anordnen einer Solarzelle (1) mit einer Auflagefläche (11) auf einem Solarzellenhalter (2) mit einer Halteroberfläche (21) derart, dass Erhöhungen (13) der Auflagefläche (11) der Solarzelle (1) in Vertiefungen (22) der Halteroberfläche (21) eingreifen derart, dass die Halteroberfläche (21) die Solarzelle (1) an Auflageflächenbereichen zwischen den Erhöhungen (13) oder im Bereich der Erhöhungen (13) der Auflagefläche (11) der Solarzelle (1) stützt; - danach Anordnen mindestens eines Verbinders (3) auf einer der Auflagefläche (11) gegenüberliegenden Bondfläche (12) der Solarzelle (1); und - danach Bonden des Verbinders (3) auf der Bondfläche (12) unter Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Solarzelle (1) derart, dass dort eine stoffschlüssige elektrische Verbindung zwischen dem Verbinder (3) und einer Metallisierung der Solarzelle (1) gebildet wird.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteroberfläche (21) die Solarzelle (1) an Auflageflächenbereichen stützt, welche unter einem Bondpunkt (31) angeordnet sind.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhungen (13) der Auflagefläche (11) die Vertiefungen (22) auf der Halteroberfläche (21) ausfüllen.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (22) der Halteroberfläche (21) ein Vertiefungsmuster bilden, welches einer Invertierung von über 15 µm hohen oder von über 5 µm hohen Erhöhungen (13) der Auflagefläche (11) entspricht.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhungen (13) auf der Auflagefläche (11) eine auf der Auflagefläche (11) aufgebrachte strukturierte Metallisierungsschicht umfassen.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhungen (13) auf der Auflagefläche (11) gebondete auflageflächenseitige Verbinder (132) umfassen.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinder (3) an Bondpunkten (31) auf der Bondfläche (12) gebondet wird, welche gegenüber Bondpunkten (31) des auflageflächenseitigen Verbinders (132) in einer Aufsicht auf die Bondfläche (12) betrachtet versetzt sind.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Verbinder (3) vor dem Verfahrensschritt des Anordnens des oder der Verbinder (3) aus einem Metallstreifen oder einer Metallfolie gestanzt wird.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Stanzen der Metallstreifen oder die Metallfolie mittels eines Niederhalters (53) auf eine Stanzmatrize (51) gedrückt wird und ein Stanzstempel (52) den oder die Verbinder (3) stanzt.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die gestanzte/n Verbinder (3) vom Niederhalter gehalten von der Stanzmatrize (51) genommen und anschließend mittels des Niederhalters (53) auf die Solarzelle (1) positioniert und gebondet wird.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bonden des oder der gestanzten Verbinder (3) auf der Solarzelle (1) erfolgt, indem ein Bondwerkzeug durch Bondöffnungen (531) des Niederhalters (53) geführt wird, um auf den oder die Verbinder (3) zu drücken.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Stanzen des oder der Verbinder (3) eine oder mehrere Aussparungen in den oder die Verbinder (3) gestanzt werden.
Solarzellenkontaktierungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Verbinder (3) vor dem Bonden an Bondpunkten gequetscht wird, um dort eine geringere Verbinderdicke zu erzeugen.
Solarzellenanordnung umfassend eine Solarzelle (1) mit einem auf einer Vorderseite (14) der Solarzelle (1) an Bondpunkten (31) gebondeten, metallischen vorderseitigen Verbinder (33) und einem auf einer Rückseite (15) der Solarzelle (1) an Bondpunkten (31) gebondeten, metallischen rückseitigen Verbinder (34), wobei die Bondpunkte (31) des vorderseitigen Verbinders (33) in der Aufsicht auf die Solarzellenvorderseite (14) betrachtet gegenüber den Bondpunkten (31) des rückseitigen Verbinders (34) versetzt sind und der rückseitige Verbinder (34) Aussparungen (32) aufweist, wobei die Bondpunkte (31) des vorderseitigen Verbinders (33) in der Aufsicht auf die Solarzellenvorderseite (14) betrachtet in den Aussparungen (32) des rückseitigen Verbinders (34) angeordnet sind.
Solarzellenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bondpunkte (31) des vorderseitigen Verbinders (33) und die Bondpunkte (31) des rückseitigen Verbinders (34) in der Aufsicht auf die Solarzelle (1) entlang einer Geraden angeordnet sind.
Solarzellenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bondpunkte (31) des vorderseitigen Verbinders (33) und die Bondpunkte (31) des rückseitigen Verbinders (34) in der Aufsicht auf die Solarzelle (1) im Wesentlichen äquidistant zueinander angeordnet sind, wobei der vorderseitige Verbinder (33) über eine erste Kante der Solarzelle und der rückseitige Verbinder (34) über eine der ersten Kante gegenüber liegende zweite Kante der Solarzelle (1) hinausragt und von der ersten Kante aus betrachtet der nächstliegende Bondpunkt (31) auf dem vorderseitigen Verbinder (33) und von der der zweiten Kante aus betrachtet der nächstliegende Bondpunkt (31) auf dem rückseitigen Verbinder (34) angeordnet ist.
Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Verbinder (33, 34) gitterförmig gebildet ist.
Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (1) als Wafersolarzelle mit einer Waferdicke von kleiner als etwa 500 µm, von kleiner als etwa 250 µm oder von etwa 150 µm oder 80 µm ausgebildet ist.
Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die vorderseitigen Verbinder (3, 33) zumindest teilweise als Lichtfallen-Verbinder ausgebildet sind, indem diese strukturierte Verbinderoberflächen aufweisen.
Solarzellenstring mit zumindest zwei miteinander über Verbinder (3) verschalteten Solarzellen (1, 1'), wobei die Solarzellen (1, 1') mit den Verbindern (3, 33, 34) jeweils zu einer Solarzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19 gebondet sind.
Solarzellenstring nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitigen Verbinder (34) einer der Solarzellen (1) jeweils mit den vorderseitigen Verbindern (33) der anderen Solarzelle (1) gebondet sind.
Solarzellenstring nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der Solarzellen (1) die vorderseitigen Verbinder (33) in der Aufsicht auf die Solarzelle (1) betrachtet senkrecht zu den rückseitigen Verbindern (34) angeordnet sind.
Solarzellenmodul mit einer zweidimensionalen Matrix aus miteinander verschalteten Solarzellen (1, 1'), welche miteinander zu Solarzellenstrings gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22 verschalteten oder welche mit den Verbindern (3, 33, 34) jeweils zu einer Solarzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20 gebondet sind.