DE102010013850A1 - Method for electrical connection of solar cells for solar module, involves separating contact material in local area between conductive material and terminals and in another local area between individual conductors via plasma spraying - Google Patents
Method for electrical connection of solar cells for solar module, involves separating contact material in local area between conductive material and terminals and in another local area between individual conductors via plasma spraying Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden von Solarzellen für ein Solarmodul.The invention relates to a method for electrically connecting solar cells for a solar module.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
In der Solartechnologie besteht die Notwendigkeit, einzelne Solarzellen zu größeren elektrischen Einheiten zusammenzuschließen, um verwertbare elektrische Strom- und Spannungswerte zu erhalten. Im Laufe der Technologieentwicklung hat sich die Verschaltungstechnologie als Schlüsselstelle für die Zuverlässigkeit des Solarmoduls herauskristallisiert. Hierbei hat sich die klassische Löttechnologie, das Verbinden der Solarzellenoberfläche mit einem meist Zn-Lots und dem Kontaktbändchen, als gängigste Methode durchgesetzt.In solar technology, there is a need to combine individual solar cells into larger electrical units to obtain usable electrical current and voltage values. In the course of technology development, interconnection technology has emerged as a key point for the reliability of the solar module. Here, the classical soldering technology, the joining of the solar cell surface with a mostly Zn solder and the contact strip, has prevailed as the most common method.
Die fortschreitende Entwicklung der Zelltechnologie hin zu dünneren Wafern steht dem Standardlötverfahren jedoch entgegen. Es bestehen mehrere technische Unzulänglichkeiten in diesem Zusammenhang. Aufgrund thermischer Stresssituation beim Löten werden irreparable Schäden in der Waferstruktur hervorgerufen, zum Beispiel in Form von Mikrorissen, die sich in der Lebensdauer des Solarmoduls negativ bemerkbar macht durch Leistungsverluste. Weiterhin wird durch klassische Lötverfahren wie Bügellöten, Infrarotlöten, Laserlöten oder ähnliche Lötvertechniken, eine mechanische Verformung der Solarzelle in verschiedenen Ebenen hervorgerufen. Es kommt zum „Schüsseln” der fertig verlöteten Solarstring. Zur Weiterverarbeitung sind solche Strings schwer zu handhaben, und sie bergen das Risiko des Bruches in sich.However, the progressive development of cell technology towards thinner wafers is contrary to the standard soldering process. There are several technical shortcomings in this regard. Due to the thermal stress situation during soldering, irreparable damage is caused in the wafer structure, for example in the form of microcracks, which have a negative effect on the life of the solar module due to power losses. Furthermore, by classical soldering methods such as ironing, infrared soldering, laser soldering or similar Lötvertechniken, caused a mechanical deformation of the solar cell in different levels. It comes to the "bowls" of the soldered solar string. For further processing such strings are difficult to handle and they carry the risk of breakage.
Im Stand der Technik wurde versucht, diese mechanischen Verwerfungen innerhalb des Strings und der Zelle mit verschiedensten Lösungsansätzen und Verfahren zu kompensieren. Im Dokument
Alle aufgezeigten Verfahren verfolgen jedoch den gemeinsamen Lösungsansatz, eine geeignete Form zu finden, die unterschiedliche Längsausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien kompensiert und Techniken zu finden, das Verbiegen beim thermischen Löten zu minimieren.However, all of the methods presented have the common approach of finding a suitable shape that compensates for different coefficients of linear expansion of different materials and finding techniques to minimize bending during thermal soldering.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum elektrischen Verbinden von Solarzellen für ein Solarmodul anzugeben, welches die Unzulänglichkeiten bestehender Verbindungstechnologien vermeidet.The object of the invention is to provide an improved method for the electrical connection of solar cells for a solar module, which avoids the shortcomings of existing connection technologies.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum elektrischen Verbinden von Solarzellen für ein Solarmodul nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by a method for electrically connecting solar cells for a solar module according to independent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent subclaims.
Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Verfahrens zum elektrischen Verbinden von Solarzellen für ein Solarmodul, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen mehrerer Solarzellen, die jeweils mit wenigstens einem elektrischen Kontaktanschluss auf einer Solarzellenoberfläche gebildet sind,
- – Anordnen eines elektrischen Leitungsmaterials, welches sich zwischen einem Kontaktanschluss an einer der mehreren Solarzellen und einem zugeordneten Kontaktanschluss an einer anderen der mehreren Solarzellen erstreckt, und
- – Ausbilden einer jeweiligen haftenden elektrischen Verbindung zwischen dem elektrischen Leitungsmaterial und dem Kontaktanschluss sowie dem elektrischen Leitungsmaterial und dem zugeordneten Kontaktanschluss, indem mittels Niedertemperatur-Plasmaspritzen ein Kontaktmaterial in lokalen Bereichen zwischen dem elektrischen Leitungsmaterial und dem jeweiligen Kontaktanschluss und wahlweise zusätzlich in weiteren lokalen Bereichen zwischen Einzelleitern des elektrischen Leitungsmaterials abgeschieden wird.
- Providing a plurality of solar cells each formed with at least one electrical contact terminal on a solar cell surface,
- Arranging an electrical conductor material which extends between a contact connection on one of the plurality of solar cells and an associated contact connection on another of the plurality of solar cells, and
- - Forming a respective adhesive electrical connection between the electrical wiring material and the contact terminal and the electrical wiring material and the associated contact terminal by means of low-temperature plasma spraying a contact material in local areas between the electrical wiring material and the respective contact terminal and optionally additionally in other local areas between individual conductors of the electrical conductor material is deposited.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Leitungsmaterial und den Kontaktanschlüssen der Solarzellen mittels eines Prozesses, nämlich mit Hilfe des Niedertemperatur-Plasmaspritzens, hergestellt wird, bei dem die Temperaturen, die auf die Solarzellen einwirken, deutlich geringer als bei bekannten Verfahren zur elektrischen Kontaktausbildung sind, insbesondere den üblicherweise genutzten Lötverfahren. Auf diese Weise werden Schäden an den Solarzellen vermieden. Darüber hinaus ist die vorgeschlagene Ausbildung der elektrischen Verbindung zwischen dem Leitungsmaterial und den Kontaktanschlüssen für eine Vielzahl verschiedener Materialien nutzbar, die den ansonsten bekannten Verbindungstechnologien für Solarzellen nicht zugänglich sind. Beispielsweise ist das Löten von Aluminium kaum oder gar nicht möglich.An essential advantage of the invention is that the electrical connection between the electrical conductor material and the contact terminals of the solar cells by means of a process, namely by means of low-temperature plasma spraying, is produced in which the temperatures that act on the solar cell, significantly lower than in known methods for electrical contact formation, in particular the commonly used soldering process. In this way, damage to the solar cell can be avoided. In addition, the proposed design of the electrical connection between the line material and the contact terminals for a variety of different materials can be used, which are not accessible to the otherwise known connection technologies for solar cells. For example, the soldering of aluminum is hardly or not possible.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Plasmaspritzen bei einer Betriebstemperatur zwischen etwa 70°C und etwa 150°C ausgeführt wird. A preferred embodiment of the invention provides that the plasma spraying is carried out at an operating temperature between about 70 ° C and about 150 ° C.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass vor dem Anordnen des elektrischen Leitungsmaterials um den Kontaktanschluss und um den zugeordneten Kontaktanschluss herum auf der Solarzellenoberfläche ein elektrisches Isoliermaterial angeordnet wird, welches hierdurch abgedeckte Bereiche der Solarzellenoberfläche gegen ein Abscheiden des Kontaktmaterials hierauf schützt. Das elektrische Isoliermaterial bildet in einer Ausführungsform eine Art Maske, die auf Bereiche der Solarzellenoberfläche aufgelegt wird, wobei wenigstens die Kontaktanschlüsse ganz oder teilweise in Öffnungen der Maske angeordnet werden, so dass hier die Ausbildung der elektrischen Verbindung zu dem elektrischen Leitungsmaterial erfolgen kann. In einer Ausführung ist das elektrische Isoliermaterial mit einer größeren Breite als das elektrische Verbindungselement ausgeführt ist.In an expedient embodiment of the invention, provision may be made for an electrical insulating material to be arranged on the solar cell surface prior to arranging the electrical conductor material around the contact connection and around the associated contact connection, which protects regions of the solar cell surface covered thereby against deposition of the contact material thereon. In one embodiment, the electrical insulating material forms a type of mask, which is placed on areas of the solar cell surface, wherein at least the contact terminals are arranged wholly or partially in openings of the mask, so that here the formation of the electrical connection to the electrical line material can take place. In one embodiment, the electrical insulation material is designed with a greater width than the electrical connection element.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als elektrisches Isoliermaterial ein haftendes Isoliermaterial verwendet wird, bei dem wenigstens eine Oberfläche mit einem Haftmittel versehen ist. Es können die der Solarzellenoberfläche zugewandte Oberfläche des Isoliermaterials und/oder die von der Solarzellenoberfläche abgewandte Oberfläche des Isoliermaterials mit einem Haftmittel versehen sein. Die haftende Oberfläche auf der der Solarzellenoberfläche zugewandten Seite ermöglicht ein haftendes Anbringen des Isoliermaterials auf der Solarzelle. Ist ein Haftmittel ergänzend oder alternativ auf der von der Solarzellenoberfläche abgewandten Seite des elektrischen Isoliermaterials gebildet, so kann diese haftende Oberfläche dazu genutzt werden, das elektrische Leitungsmaterial hierauf abzulegen, so dass es daran haftet. Unabhängig von der Ausgestaltung mit oder ohne haftende Oberfläche kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass ein gesamter Überlappungsbereich zwischen den Solarzellen und dem elektrischen Leitungsmaterial mit Hilfe des Isoliermaterials elektrisch isolierend abgedeckt wird. In einer Ausgestaltung wird ein PVC-Isoliermaterial (PVC-Polyvinylchlorid) eingesetzt.An advantageous embodiment of the invention provides that an adhesive insulating material is used as the electrical insulating material, wherein at least one surface is provided with an adhesive. The surface of the insulating material facing the solar cell surface and / or the surface of the insulating material facing away from the solar cell surface may be provided with an adhesive. The adhesive surface on the solar cell surface facing side allows adhesive attachment of the insulating material on the solar cell. If an adhesive is additionally or alternatively formed on the side of the electrical insulating material facing away from the solar cell surface, then this adhering surface can be used to deposit the electrical conductor material thereon so that it adheres to it. Regardless of the embodiment with or without an adhesive surface, it can be provided in one embodiment that an entire overlap region between the solar cells and the electrical conductor material is covered in an electrically insulating manner with the aid of the insulating material. In one embodiment, a PVC insulating material (PVC-polyvinyl chloride) is used.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass das elektrische Isoliermaterial mit dem Kontaktanschluss und/oder dem zugeordneten Kontaktanschluss in Randbereichen des jeweiligen Kontaktanschlusses wenigstens teilweise überlappend angeordnet wird. Die randseitige Überlappung zwischen elektrischem Isoliermaterial und zugeordnetem Kontaktanschluss kann teilweise, zum Beispiel unterbrochen, oder vollständig ausgebildet sein, wodurch eine sichere elektrische Isolation des Kontaktanschlusses gegenüber umgebenden Bereichen der Solarzelle gewährleistet ist.Preferably, a development of the invention provides that the electrical insulating material with the contact terminal and / or the associated contact terminal is arranged in the edge regions of the respective contact terminal at least partially overlapping. The marginal overlap between electrical insulating material and associated contact terminal may be partially, for example, interrupted, or completely formed, whereby a secure electrical insulation of the contact terminal is ensured with respect to surrounding areas of the solar cell.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das elektrische Leitungsmaterial zwischen dem Kontaktanschluss und dem zugeordneten Kontaktanschluss druck- und zugentlastend in wenigstens einer Beanspruchungsrichtung ausgeführt wird.In an advantageous embodiment of the invention can be provided that the electrical line material between the contact terminal and the associated contact terminal pressure and strain relief is performed in at least one direction of stress.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die lokalen Bereiche zwischen dem elektrischen Leitungsmaterial und dem jeweiligen Kontaktanschluss und/oder die weiteren lokalen Bereiche zwischen Einzelleitern des elektrischen Leitungsmaterials mit Abmessungen gebildet sind, die dem etwa 0.5-fachen bis etwa 1.5-fachen einer Materialdicke des elektrischen Verbindungsmaterials entsprechen und bevorzugt etwa gleich der Materialdicke des elektrischen Verbindungsmaterials sind. In einer Ausführungsform, welche als elektrisches Leitungsmaterial eine Kombination von Einzeldrähten vorsieht, beziehen sich die vorgenannten Abmessungsangaben auf die Einzeldrahtdicke.A development of the invention may provide that the local areas between the electrical conductor material and the respective contact terminal and / or the other local areas between individual conductors of the electrical conductor material are formed with dimensions of about 0.5 times to about 1.5 times a material thickness of correspond electrically connecting material and are preferably approximately equal to the material thickness of the electrical connection material. In one embodiment, which provides a combination of individual wires as electrical conductor material, the aforementioned dimensions are based on the individual wire thickness.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die mehreren Solarzellen einer oder mehrerer Bauarten entsprechend aus der folgenden Gruppe von Bauarten bereitgestellt werden: Solarzelle mit vorder- und rückseitigen Kontaktanschlüssen, Back-Kontakt-Solarzelle, Siliziumsolarzelle, organische Solarzellen und Dünnschichtsolarzelle. Je temperaturempfindlicher die Solarzelle nach einer bestimmten Bauart ist, desto vorteilhafter kann das hier vorgeschlagene Verfahren der elektrischen Kontaktierung eingesetzt werden.A preferred embodiment of the invention provides that the plurality of solar cells of one or more types are provided according to the following group of types: solar cell with front and rear contact terminals, back contact solar cell, silicon solar cell, organic solar cells and thin film solar cell. The more temperature-sensitive the solar cell is according to a specific design, the more advantageous the method of electrical contacting proposed here can be used.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als elektrisches Leitungsmaterial ein Material ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Materialien verwendet wird: Leiter mit mehreren Einzeldrahtleitern wie Litze, gewobenes Maschenmaterial, gelochte Folie und Streckmetall. Insbesondere ein elektrisches Leitungsmaterial mit Maschenstruktur unterstützt einen minimierten elektrischen Innenwiderstand des elektrischen Leitungsmaterials, so dass eine effiziente Stromableitung gefördert wird.In an expedient embodiment of the invention, it may be provided that a material selected from the following group of materials is used as electrical conductor material: conductor with a plurality of individual wire conductors such as stranded wire, woven mesh material, perforated foil and expanded metal. In particular, a meshed electrical wiring material assists in minimizing internal electrical resistance of the electrical wiring material, thereby promoting efficient power drainage.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Kontaktmaterial ein Material ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Materialien verwendet wird: Kupfer, Aluminium, Zinn und CIGS. CIGS (auch CIGSSe oder CIS) steht für Cu(In,Ga)(S,Se)2 und ist eine Dünnschichttechnologie für Solarzellen. Die Abkürzung steht für die verwendeten Elemente Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel und Selen. In der Anwendung werden verschiedene Kombinationen dieser Elemente verwendet: Die wichtigsten Beispiele sind Cu(In,Ga)Se2 (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) oder CuInS2 (Kupfer-Indium-Disulfid).An advantageous embodiment of the invention provides that a material selected from the following group of materials is used as contact material: copper, aluminum, tin and CIGS. CIGS (also CIGSSe or CIS) stands for Cu (In, Ga) (S, Se) 2 and is a thin-film technology for solar cells. The abbreviation stands for the elements used copper, indium, gallium, sulfur and selenium. In the application different combinations of these elements are used: The most important examples are Cu (In, Ga) Se2 (copper Indium gallium diselenide) or CuInS2 (copper indium disulfide).
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mittels des elektrischen Leitungsmaterials ein Stromableiter für die mehreren Solarzellen gebildet wird.In an advantageous embodiment of the invention can be provided that by means of the electrical conductor material, a current collector is formed for the plurality of solar cells.
Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDescription of preferred embodiments
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to preferred embodiments with reference to figures of a drawing. Hereby show:
Das elektrische Verbindungselement
Die in
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the claims and in the drawing may be of importance both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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