DE102009053416B4

DE102009053416B4 - Verfahren zur Herstellung und Verschaltung von Solarzellenanordnungen und Solarzellenanordnung

Info

Publication number: DE102009053416B4
Application number: DE102009053416.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Scheit
Original assignee: Individual
Current assignee: HOERMANN, MARKUS, DE
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: DE102009053416A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung und Verschaltung einer Solarzellanordnung durch Verlegen eines Rückkontaktzugriffs (5) von der Vorderseite auf die Rückseite einer Solarzelle (1) unter Anbringen einer elektrisch leitfähigen Folie (12) auf dem Rückkontaktzugriff (5), wobei die Länge der elektrisch leitfähigen Folie (12) ausreichend ist, um einen metallischen Frontkontaktzugriff (4) einer weiteren Solarzelle (2) zu erreichen und elektrisch zu kontaktieren, wobei der Rückkontaktzugriff (5) der einen Solarzelle (1) mit dem Frontkontaktzugriff (4) der weiteren Solarzelle (2) durch einen zweifach geknickten metallischen Flachleiter (12) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachleiter (12) C-förmig so geknickt wird, dass er auf der obersten Schicht der einen Solarzelle (1) und der untersten Schicht der einen Solarzelle (1) aufliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellanordnungen, in denen Solarzellen parallel oder in Reihe verschaltet sind.
Diskrete, flächige Solarzellen, wie sie in dargestellt sind (Legende 1 und 2), die sowohl starr als auch flexibel sein können und deren negative (3 und 4) und positive (5 und 6) Kontakte auf der gleichen Seite der Zelle liegen - z. B. bei Solarzellen mit elektrisch isolierenden Substrat - werden nach dem heutigen Stand der Technik mit einem definierten Abstand angeordnet und mit speziellen Kontaktelementen oder Flachleitern (11) miteinander elektrisch verbunden.
Weiterhin ist die Methode der Verlegung eines Kontaktes von der Vorder- auf die Rückseite bzw. von der Rück- auf die Vorderseite prinzipiell bekannt und wird Metallization-Wrap-Around (MWA) genannt. Dazu erschienene Patente beschreiben MWA über Sputterbeschichtung ( US 4 135 290 A ) oder galvanische Abscheidung ( US 4 897 123 A ).
In US 5 620 904 A wird ein mit leitfähigen Strukturen versehener Klebefilm vorgeschlagen, welcher auf die erste Seite einer Solarzelle gelegt wird und ein Teil auf die gegenüberliegende Seite geklappt wird. Um den eigentlichen elektrischen Kontakt der leitfähigen Strukturen mit der Solarzelle zu erzielen, muss der organische Klebefilm entfernt werden. Hierfür wird das Verbrennen der organischen Schichten bei Temperaturen von bis zu 800 °C vorgeschlagen. Auf der Zelle bleiben dann die leitfähigen Strukturen, welche zuvor im Klebefilm eingebettet waren, zurück.
Eine Anordnung, welche eine leitfähige Folie verwendet ist bisher nicht bekannt.
DE 10 2007 052 971 A1 beschreibt die Rückkontaktverlagerung nach Laserablation des Substrates mit nachfolgender Schindelung von Solarzellen.
Die beschriebenen technischen Lösungen haben Nachteile. Liegen positiver und negativer Kontakt auf der Vorderseite der Zelle, wird bei der in dargestellten Verschaltungsmethode ein nicht unerheblicher Teil aktiver Solarzellfläche abgedeckt und trägt somit nicht zur Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie bei und mindert somit den Wirkungsgrad der gesamten Solarzellanordnung.
Mit dem Konzept des MWA können Teile der Kontaktierungen der Solarzelle auf eine andere Seite, bevorzugt auf die lichtabgewandte Seite, verlegt werden. Die oben beschriebenen Verfahren zur Abscheidung metallischer Schichten um die Kanten der Solarzellen sind allerdings technologisch aufwändig und somit, wie bereits in US 5 620 904 A bemerkt, langsam, teuer und schlecht in einer Massenfertigung umsetzbar.
Das in US 5 620 904 A vorgestellte Verfahren hat den Nachteil, dass bei der Prozessierung des mit leitfähigen Strukturen versehenen Klebefilms Temperaturen von bis zu 800 °C auftreten. Werden Solarzellen auf flexiblen Substraten wie beispielsweise Polyimid hergestellt, kann das vorgestellte Verfahren nicht angewendet werden. Temperaturen von bis zu 800°C führen zur Zerstörung des Polyimid-Substrates.
Im Falle von Dünnschichtsolarzellen können darüber hinaus bei 800 °C unerwünschte Diffusionsprozesse in den Dünnschichten ausgelöst werden, die bis zu einer Änderung der Materialzusammensetzung führen können.
Das in DE 10 2007 052 971 A1 vorgestellte Verfahren ist technologisch anspruchsvoll und ist bei einer Umsetzung in einer Massenfertigung mit hohen Investitionskosten verbunden.
Die Ursachen dieser Nachteile liegen in der üblicherweise verwendeten Anordnung der Kontakte begründet.
US 2005 / 0 274 408 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung und Verschaltung einer Solarzellenanordnung durch Verlegen des Rückkontaktzugriffs von der Vorderseite auf die Rückseite einer Solarzelle unter Anbringung einer elektrisch leitfähigen Folie auf dem Rückkontaktzugriff, wobei deren Länge ausreichen ist, um den metallischen Frontkontaktzugriff einer weiteren Solarzelle zu erreichen und elektrisch zu kontaktieren.
Aus US 6 248 948 B1 ist eine Solarzellenanordnung bekannt, bestehend aus starren oder flexiblen Solarzellen, bei denen der Rückkontaktzugriff einer Solarzelle mit dem Frontkontakt einer weiteren Solarzelle durch einen zweifach geknickten metallischen Flachleiter verbunden ist.
Die Erfindung hat das Ziel, eine Möglichkeit zu finden, das Prinzip der MWA-Kontaktierung anzuwenden, ohne über den Weg der aufwändigen Beschichtungsmethoden zu gehen. Darüber hinaus soll der Prozess bei niedrigen Temperaturen (unterhalb 200 °C) durchgeführt werden können.
Somit ist es Ziel der Erfindung, die Energieausbeute zu verbessern, indem der Anteil an Sonnenenergie, welche in elektrische Energie verwandelt wird, erhöht wird. Durch die Anwendung der MWA-Kontaktierung können einzelne Solarzellen geschindelt werden, was somit den Anteil der inaktiven Flächen der Solarzellen verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die für eine Energieumwandlung nutzbare Solarzellenfläche zu erhöhen und die Solarzellen hoher Effektivität zu Solarzellenanordnungen zu verschalten. Weiterhin besteht die Aufgabe darin, die Verschaltung technisch zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 und der erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung nach Anspruch 6.
Ein entscheidendes Erfindungsmerkmal ist die Verlegung des auf der Vorderseite liegenden Rückkontaktzugriffs auf die Rückseite der Solarzelle mithilfe einer elektrisch leitfähigen Folie, womit eine Schindelung der Solarzellen möglich wird und der Anteil inaktiver Zellfläche vermindert wird.
zeigt schematisch das Prinzip der Verschaltung. Die Verlegung des Rückkontaktzugriffs auf die Rückseite kann dabei über jede Art leitfähiger Folie realisiert werden. Diese wird dergestalt mit dem Rückkontaktzugriff elektrisch verbunden, zum Beispiel mit einem Leitkleber oder durch Laser-Schweißen oder dergleichen, dass dabei ein Teil über die Kante der Solarzelle hinausragt und anschließend auf die Rückseite dieser geknickt werden kann. Dieser auf der Rückseite liegende Rückkontaktzugriff kann dann - wie in gezeigt - mit dem Frontkontakt einer weiteren Solarzelle elektrisch verbunden werden, z. B. mit Hilfe eines Leitklebers.
Die Dicke der elektrisch leitenden Folie kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Es gilt hier, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Verlusten durch mangelnde Leitfähigkeit und Materialverbrauch zu finden. Im Falle flexibler Dünnschichtsolarzellen kann bei einer nicht zu dicken Folie (z. B. 20 µm) die Flexibilität der einzelnen Dünnschichtsolarzellen auch im Solarzellverbund erhalten bleiben. Mit der erfindungsgemäßen Methode können also flexible Solarzellverbünde für die Herstellung flexibler Solarmodule erzeugt werden.
Über die erfindungsgemäße Verschaltung lassen sich sowohl reine Serien- und Parallel- als auch Serien-Parallel-Schaltungen realisieren wie in gezeigt. Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Beispiel eines Verfahrensablaufes
Zur Beschreibung eines Verfahrensablaufes wird die verwendet.
Eine Solarzelle (1), deren Frontkontaktzugriff (3) und Rückkontaktzugriff (5) auf ein und derselben Seite liegen, wird wie in gezeigt positioniert. Im Laborbetrieb kann dies per Hand erledigt werden, in einer Massenfertigung sind hierfür diverse Pickand-Place Automaten verfügbar. Auf dem Rückkontaktzugriff (5) wird dann z. B. mithilfe eines Dispensers ein elektrisch leitfähiger Klebstoff (13) in Punkt- oder auch Raupenform aufgetragen. Als Dispenser können hier druckbeaufschlagte Kartuschen, Dispenser mit Spindelventil oder auch Dispenser mit Jet-Ventil verwendet werden, wobei letzteres höhere Durchsätze in einer Massenfertigung gewährleistet. Auf den Rückkontaktzugriff mit den Klebepunkten wird dann eine elektrisch leitfähige Folie (12), z. B. Metallfolie aus Kupfer so aufgelegt, dass ein Teil über die Zelle hinausragt wie in gezeigt. Die Überdeckung des Rückkontaktzugriffs mit der Folie kann dabei komplett oder teilweise erfolgen. In ist das Umknicken der Folie von der einen Seite der Solarzelle auf die gegenüberliegende Seite dargestellt. Im Übrigen kann der Überstand der Folie prinzipiell beliebig gewählt werden, er sollte aber mindestens so groß sein, dass die Folie nach dem Umknicken bis auf die Rückseite der Solarzelle reicht. Auf die Frontseitenkontaktierung (4) einer zweiten Solarzelle (2) wird anschließend mit z. B. einem der bereits genannten Dispenser ebenfalls ein elektrisch leitfähiger Klebstoff (13) in Form von Punkten oder Raupen aufgetragen, wie in gezeigt. Auf diesen mit Klebepunkten versehen Frontkontaktzugriff der Solarzelle (2) wird dann die Solarzelle (1) so gelegt, dass der mit der Folie auf die Rückseite gelegte Rückkontaktzugriff (5) der Solarzelle (1) den Frontkontaktzugriff (4) der Solarzelle (2) überdeckt und somit eine elektrische Verbindung über den elektrisch leitfähigen Klebstoff erreicht wird. Zum Abschluss muss der elektrisch leitfähige Klebstoff ausgehärtet werden. Dies geschieht üblicherweise in einem Trockenofen nach den Empfehlungen des Herstellers des verwendeten elektrisch leitfähigen Klebstoffs.
Die Verfahrensweise ist nicht auf den Ablauf nach dem Beispiel beschränkt.
Als Solarzelle können sowohl Wafer-basierte als auch Dünnschichtsolarzellen auf starren Substraten wie z. B. Glas oder auf flexiblen Substraten wie Plastik- oder Metallfolien verwendet werden.
Zum Auftragen des elektrisch leitfähigen Klebstoffes kann auch der Sieb- oder Schablonendruck verwendet werden.
Die Befestigung der Folie auf dem Rückkontaktzugriff der Solarzelle kann auch über einen Lötprozess erfolgen. Ein mögliches Verfahren wäre hier das Reflow-Löten, wobei eine Lötpaste mittels Dispenser oder im Schablonendruck aufgetragen wird und diese nach dem Auflegen der Folie z. B. in einer beheizten Kammer aufgeschmolzen wird und somit eine Verbindung zwischen Rückkontaktzugriff und elektrisch leitfähiger Folie herstellt.
Neben dem Löten kann die Befestigung der elektrisch leitfähigen Folie auch über einen Schweißprozess erfolgen. Besteht der Rückkontaktzugriff der Solarzelle z. B. aus Silber, kann auf diesen die elektrisch leitfähige Folie in Form einer Silberfolie z. B. mittels Laser-Schweißen befestigt werden. Hierfür wird der Laserstrahl auf die Oberfläche der Silberfolie fokussiert. Bei hinreichend hoher Energie des Laserspots kann dann die Silberfolie lokal aufgeschmolzen werden. Nach Abschalten des Lasers erstarrt die Silberschmelze und verbindet sich dabei mit den Kontaktierungen der Solarzelle.
Als elektrisch leitfähige Folie kann dabei jede metallische Folie verwendet werden. Darüber hinaus können auch Folien mit unterschiedlichen metallischen Beschichtungen verwendet werden. Weiterhin können auch elektrisch leitfähige Gewebe (z. B. aus elektrisch leitfähigen Garnen) oder Gewebe mit einer metallischen Beschichtung verwendet werden. Werden metallisch beschichtete Plastikfolien (z. B. Kupferkaschierte Polyimidfolie) verwendet, muss die metallische Beschichtung derart gestaltet sein, dass eine elektrische Verbindung von der Vorderseite der Folie auf die Rückseite der Folie besteht.
Die Verbindung des auf die Rückseite der Solarzelle verlegten Rückkontaktzugriffs mit dem Frontkontaktzugriffs einer weiteren Solarzelle kann neben der Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs ebenfalls über die bereits beschriebenen Löt- oder Schweiß-Prozesse realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Methode lässt sich auch dann anwenden, wenn die Solarzellen keine Frontkontaktzugriffe (3, 4) und/oder Rückkontaktzugriffe (5, 6) besitzen. Die elektrische Verbindung kann auch direkt mit dem Frontkontakt (7) und/oder dem freigelegten Rückkontakt (9) erfolgen.
Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik betrifft die technologische Umsetzung im Rahmen einer Massenproduktion. Die bisher für die Verschaltung genutzten Kontaktelemente (Metallbändchen) müssen nach dem Applizieren des Leitklebers auf die frontseitigen Kontakte der Solarzellen gelegt werden und bis zur Trocknung in einem Trockenofen fixiert und angedrückt werden. Eine Laminierung (Einbettung) der Verschaltung wird dadurch ohne vorheriges Aushärten (bzw. Anhärten) des Leitklebers nahezu unmöglich.
Sind die Solarzellen wie in US 5 620 904 A vorgeschlagen auf der Rückseite mit einer Klebeschicht versehen, können die auf die Rückseite der Solarzelle geknickten elektrisch leitfähigen Folien zusätzlich fixiert werden. Somit ist die elektrisch leitfähige Folie bereits vor dem Aushärten des elektrisch leitfähigen Klebstoffs fest mit der Zelle verbunden und vor einem Verrutschen gesichert. Dies hat gegenüber dem Stand der Technik den großen Vorteil, dass die elektrisch leitfähige Folie nicht mehr bis zum vollständigen Aushärten von außen gehalten werden muss. Somit wird es möglich, den Prozess der Aushärtung des elektrisch leitfähigen Klebstoffes und den Prozess der Laminierung in einem Schritt durchzuführen. Als Laminierung wird die Einbettung der Solarzellenverbünde, das heißt der verschalteten Solarzellen, zwischen Folien und/oder Glasscheiben bezeichnet. Für die Einbettung werden in der Regel Heißkleber wie z. B. EVA verwendet, welche bei Temperaturen von um die 150 °C und Prozesszeiten von 10-20 min verarbeitet werden. Dies sind genau die Bedingungen unter denen handelsübliche elektrisch leitfähige Klebstoffe aushärten.
Wesentliche Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind:

1. Reduzierung der inaktiven Fläche im Modul durch Schindelung der Einzelzellen. verdeutlicht die Minimierung der inaktiven Flächen (Verschaltungs- und Kontaktierungselemente) vom Stand der Technik zur erfindungsgemäßen Methode.
2. Umsetzungsmöglichkeit sowohl von reinen Serien- als auch Serien-Parallel-Schaltungen.
3. Trocknung des für die Verschaltung verwendeten Leitklebers in einem Schritt mit der Laminierung.

Bezugszeichenliste

1: Solarzelle
2: Solarzelle
3: Frontkontaktzugriff der Solarzelle
4: Frontkontaktzugriff der Solarzelle
5: Rückseitenkontaktzugriff der Solarzelle
6: Rückseitenkontaktzugriff der Solarzelle
7: Frontkontakt der Solarzelle
8: Photoaktive Schicht
9: Rückkontakt der Solarzelle
10: Substrat
11: Element zur elektrischen Verbindung zweier Solarzellen (z. B. metallischer Flachleiter)
12: Elektrisch leitfähige Folie
13: elektrisch leitfähiger Klebstoff

Claims

Verfahren zur Herstellung und Verschaltung einer Solarzellanordnung durch Verlegen eines Rückkontaktzugriffs (5) von der Vorderseite auf die Rückseite einer Solarzelle (1) unter Anbringen einer elektrisch leitfähigen Folie (12) auf dem Rückkontaktzugriff (5), wobei die Länge der elektrisch leitfähigen Folie (12) ausreichend ist, um einen metallischen Frontkontaktzugriff (4) einer weiteren Solarzelle (2) zu erreichen und elektrisch zu kontaktieren, wobei der Rückkontaktzugriff (5) der einen Solarzelle (1) mit dem Frontkontaktzugriff (4) der weiteren Solarzelle (2) durch einen zweifach geknickten metallischen Flachleiter (12) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachleiter (12) C-förmig so geknickt wird, dass er auf der obersten Schicht der einen Solarzelle (1) und der untersten Schicht der einen Solarzelle (1) aufliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitfähige Folie (12) eine solche aus Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel, Edelstahl, Chrom, Molybdän, Titan oder auch eine Kupferfolie mit unterschiedlichen Beschichtungen, nämlich vernickelte, versilberte, verzinnte Kupferbänder oder Gewebe mit metallischer Beschichtung oder eine Polymerfolie mit metallischer Beschichtung verwendet wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (12) mit dem Rückkontaktzugriff (5) ebenso wie mit dem Frontkontaktzugriff (4) durch Leitkleber (13), durch Löten oder durch Laserschweißen elektrisch leitend verbunden wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellenanordnungen geschindelt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle flexibler Dünnschichtsolarzellen die Foliendicke bis 20 µm beträgt.
Solarzellenanordnung, bestehend aus starren oder flexiblen Solarzellen (1, 2), bei denen der Rückkontaktzugriff (5) einer Solarzelle (1) mit dem Frontkontaktzugriff (4) einer weiteren Solarzelle (2) durch einen zweifach geknickten metallischen Flachleiter (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachleiter (12) C-förmig so geknickt ist, dass er auf der obersten Schicht der einen Solarzelle (1) und der untersten Schicht der einen Solarzelle (1) aufliegt.
Solarzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachleiter (12) eine Folie aus Metall oder ein metallbeschichtetes Gewebe ist.
Solarzellenanordnung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie Reihen- und/oder Parallelschaltung aufweist.
Solarzellenanordnung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Dünnschichtsolarzellen (1, 2) handelt.