DE102010054400A1

DE102010054400A1 - Verfahren zur elektrischen Reihenverschaltung von Solarzellen

Info

Publication number: DE102010054400A1
Application number: DE201010054400
Authority: DE
Inventors: Jürgen Seydewitz
Original assignee: Solon SE
Current assignee: Solon SE
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Die elektrische Verschaltung von Solarzellen erfolgt bislang durch Löten oder Leitkleber-Kleben. Nachteilig beim Löten sind die auftretenden thermischen Spannungen, nachteilig beim Kleben ist die lange Aushärtezeit des Leitklebers, die sich nachteilig auf die Taktzeit bei der Prozessierung auswirkt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden deshalb Zellverbinder (20) während der Prozessierung zunächst vorfixiert durch Setzen von zumindest zwei Lötmittelpunkten (10) pro Solarzelle (01, 02) und anschließend kontaktiert und endfixiert durch Aufbringen und Aushärten von Leitkleberflächen (15). Die Lötmittelpunkte (10) bestehen bevorzugt aus einem Niedertemperaturlot. Durch die schnelle und feste Vorfixierung durch die Lötmittelpunkte (10) kann der verwendete Leitkleber (16) eine Aushärtezeit größer als die Prozess-Taktzeit haben, die bevorzugt unterhalb von 5 s liegen kann. Außerdem werden durch den geringen Wärmeeintrag beim Punktlöten Wärmespannungen und damit mögliche Risse in den Solarzellen (01, 02) vermieden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere automatisiert beliebige Typen von Solarzellen (01 02) mit beliebiger Kontaktierung in beliebig konzipierten Solarzellenmatrizen (03) elektrisch miteinander verbunden werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Reihenverschaltung von Solarzellen durch elektrisch leitendes Verbinden von Leitelementen auf benachbarten Solarzellen mittels Zellverbindern, wobei jede Solarzelle zumindest ein den Pluspol kontaktierendes Leitelement und zumindest ein den Minuspol kontaktierendes Leitelement aufweist.
Mehrere Solarzellen werden elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden eine Solarzellenmatrix (eine Solarzellenreihe (String) oder ein Solarzellenfeld (Array)), das Kernstück eines Solarmoduls (gerahmt mit weiteren elektronischen Einrichtungen oder ungerahmt als flexibles Laminat (Solarpaneel) mit weiteren elektronischen Einrichtungen, die ebenfalls einlaminiert sind). Bei einer Solarzellenmatrix ist ein Leitelement, das mit dem Pluspol einer Solarzelle gekoppelt ist, über einen elektrisch leitfähigen Zellverbinder mit einem Leitelement verbunden, das mit dem Minuspol einer benachbarten Solarzelle gekoppelt ist. Die gegenpoligen Leitelemente benachbarter Solarzellen werden in Reihe geschaltet, sodass ein Strom fließen kann. Dabei können die Leitelemente punktförmig (Punktkontakte), linear (Streifenkontakte) oder flächig (Kontaktschicht) ausgebildet sein. Durch eine Wiederholung der Verbindung von Solarzellen werden mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet, die dann parallel geschaltet werden können, sodass die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom der Solarzellenmatrix erhöht werden kann. Die elektrische Verschaltung von Solarzellen in der Solarzellenmatrix ist ein wesentlicher Aspekt in der Modulfertigung, um die zuverlässige Kontaktierung der Solarzellen sicherzustellen. Dabei stellen insbesondere Dünnschicht-Solarzellen besondere Anforderungen an die Verbindungstechnik. Hier stoßen etablierte Verbindungstechniken, wie das Löten, an ihre Grenzen, sodass in letzter Zeit zunehmend Techniken mit Leitklebern, in der Regel leitfähige Partikel in Kunststoffbasis, entwickelt wurden. Während beim Löten Temperaturen von über 200°C und häufig ein zusätzlicher Flussmittelauftrag erforderlich sind, lassen sich gängige Leitkleber bereits bei Temperaturen von 110°C bis 150°C aushärten, benötigen dafür aber eine entsprechende Aushärtezeit. Beim Kleben der Zellverbinder auf die Solarzellen können sich die durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Solarzelle und Zellverbinder hervorgerufenen Spannungen ausgleichen, da der Kleber beim Aushärten nicht – wie Lötmittel – schlagartig erstarrt. Für die Zellen bedeutet dies verminderten thermomechanischen Stress, die Gefahr der Mikrorissbildung und damit Zellbruch werden so minimiert. Damit kann die elektrische Verbindung unabhängig von Randbedingungen (beim Löten werden in der Regel die Randbereiche nicht gelötet, um den Zellbruch zu begrenzen) gestaltet werden. Bei einer begrenzten Maximaltemperatur dauert es aber relativ lange, bis die Klebeverbindung mechanisch belastbar ist. Deshalb müssen Zellverbinder und Solarzelle beim Einsatz von Klebetechniken lange zueinander fixiert werden. Damit ergibt sich entweder eine lange Taktzeit oder ein entsprechend hoher Raum- und Investitionsaufwand, wenn mehrere Verbindungseinheiten parallel oder hintereinander angeordnet werden, um die Taktzeit zu verkürzen. Außerdem ist die Zusammensetzung der Leitkleber durch die Forderung nach möglichst kurzer Aushärtezeit eingeschränkt.
Eine gelötete Verbindung ist hingegen unmittelbar nach dem Löten belastbar, die verbundenen Solarzellen können sofort weiterverarbeitet werden. Die thermischen Spannungen, die sich auf Grund der Materialkombination zwischen Solarzelle (beispielsweise Silizium) und Zellverbinder (beispielsweise Kupfer – Verhältnis der Ausdehnungskoeffizienten 1:5) nicht vermeiden lassen, werden aber auf dem Niveau der Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur des eingesetzten Lötmittels eingefroren. Weiterhin sind Lötmittel (Lot) auf Grund der verfügbaren Legierungsbestandteile nur für bestimmte Schmelz- bzw. Erstarrungstemperaturen verfügbar. Außerdem schmilzt ein Lötmittel bei der gleichen Temperatur wieder auf, bei der es auch erstarrt ist (Niedertemperaturlot, Schmelz-/Erstarrungspunkt unterhalb von ca. 150°C). Dies steht im Gegensatz zu einem Leitkleber, der nach dem Aushärten ein weitgehend temperaturbeständiger duroplastischer Werkstoff ist. Hier wirken sich höhere Temperaturen im Gegenteil gut auf die Aushärtung und die Aushärtezeit aus. So kann beispielsweise ein Leitkleber beim Laminieren einer Solarmatrix noch gut aushärten. Sowohl das Löten als auch das Kleben von Zellverbindern an Solarzellen zeigen somit Vor- und Nachteile.
STAND DER TECHNIK
So ist es aus der DE 102 61 876 B4 für die elektrische Verschaltung von Solarzellen in einer Solarmatrix bekannt, die Solarzellen durch Leitkleber-Bonding nach dem Vorbild des Löt-Bondings mit Draht bei elektronischen Chips mit relativ kleinen Leitkleberbrücken zu kontaktieren, die relativ schnell aushärten können. Das Löten der Zellverbinder entfällt dann ganz. Aus der DE 10 2008 046 480 A1 ist es bekannt, auf die nicht lötbare Al-Kontaktschicht einer Solarzelle mit lasergefeuerten Kontakten mit Leitkleber eine Lötschicht aufzubringen, um dann daran den Zellverbinder anzulöten. Dieser wird dann wiederum nicht geklebt. Weiterhin ist es aus der GB 1395300 A bekannt, Solarzellen vor dem Anlöten der Zellverbinder mit Kleber auf einem Substrat zu fixieren. Hierbei handelt es sich aber nicht um Leitkleber. Die Zellverbinder werden wiederum ausschließlich durch Löten kontaktiert. Weiterhin ist aus der EP 2 103 373 A1 eine induktive Löteinrichtung zum elektrischen Verbinden von Solarzellen bekannt, bei der die Zellverbinder mechanisch auf die Leitelemente gedrückt und fixiert werden, während ein Lötkopf induktiv eine Vielzahl von Lötpunkten erzeugt. Schließlich ist es aus der EP 0 124 975 A1 bekannt, die Leitelemente in Form von Leiterbahnen auf einer Solarzelle zunächst durch drei Klebestreifen vorzufixieren und dann durch Löten zu kontaktieren und dabei endzufixieren. Eine Reihenverschaltung von Solarzellen mittels Zellverbindern wird aber nicht offenbart.
Der der Erfindung nächstliegende Stand der Technik wird in der DE 21 2009 000 025 U1 beschrieben. Es werden Solarzellen in Reihe verschaltet, indem die Leitelemente in Form von stromsammelnden streifenförmigen Leiterbahnen, so genannte „Busbars”, entsprechend ihrer Polung mit streifenförmigen Zellverbindern ausschließlich durch Zwischenlage von Leitkleberflächen aus einem elektrisch leitfähigen Leitkleber verbunden werden. Zur teilweisen Isolierung der Zellverbinder gegenüber den Leiterbahnen zur Vermeidung von Kurzschlüssen sind weiterhin dielektrische Bereiche zwischen dem Zellverbinder und den Leiterbahnen vorgesehen. Diese können als dielektrische Klebestreifen ausgebildet sein, die um den Zellverbinder herumgewickelt sind, wobei die Klebeflächen in Richtung auf den Zellverbinder gerichtet sind und der Befestigung des Klebestreifens am Zellverbinder dienen. Eine Fixierung des Zellverbinders auf der Solarzelle erfolgt aber über die dielektrischen Klebestreifen nicht, sondern ausschließlich über den Leitkleber, wenn dieser ausgehärtet ist, sodass sich die Taktzeit der Prozessierung nach der Aushärtzeit des Leitklebers richtet.
AUFGABENSTELLUNG
Die AUFGABE für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, das gattungsgemäße Verfahren zur elektrischen Verschaltung von Solarzellen so weiterzubilden, dass eine möglichst kurze Taktzeit erreicht wird. Die erfindungsgemäße LÖSUNG für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Verfahrensschritt zur Vorfixierung des Zellverbinders auf den gegenpoligen Leitelementen der benachbarten Solarzellen eingeführt. Erfindungsgemäß erfolgt das Vorfixieren auf dem jeweiligen, den Pluspol oder den Minuspol kontaktierenden Leitelement durch Setzen von zumindest zwei zueinander beabstandeten Lötpunkten aus einem Lötmittel zwischen den Zellverbinder und dem Leitelement pro Solarzelle. Derartige Lötpunkte benötigen einen nur so geringen Wärmeeintrag, dass sie insbesondere keine thermischen Spannungen und Mikrorisse in der Solarzelle hervorrufen können. Die punktuelle räumliche Begrenzung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Lötpaste punktweise aufgetragen und dann beispielsweise mit heißer Luft erhitzt wird. Es kann aber auch punktweises laser- oder magnetfeldinduziertes Löten durchgeführt werden. Trotz ihrer geringen Abmaße gewährleisten die Lötpunkte aber durch ihre nach dem schnellen Erstarren erreichte hohe Festigkeit eine gute mechanische Stabilität, sodass ein Verrutschen des Zellverbinders während der weiteren Prozessierung der Solarzelle, insbesondere während des Kontaktierungsschrittes, sicher vermieden ist. Darüber hinaus sind die Lötpunkte elektrisch leitfähig und tragen damit auch zur Kontaktierung der Solarzelle bei.
Das Kontaktieren und dauerhafte Fixieren des Zellverbinders erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren durch Einbringen und Verfestigen eines Leitklebers zwischen dem Zellverbinder und dem Leitelement auf der Solarzelle, beispielsweise einer Leiterbahn. Durch Verwendung eines aushärtbaren Leitklebers werden große Erhitzungen durch großflächiges Löten und damit auftretende große thermische Spannungen sicher vermieden. Bestehende Spannungen in der Solarzelle können während der bei der Erfindung zulässigen, relativ langsamen Aushärtung des Leitklebers zuverlässig ausgeglichen werden, sodass die Riss- und Bruchgefahr gering ist. Dabei wirkt sich die längere Aushärtzeit des Leitklebers nicht auf die Taktzeit aus, da der Zellverbinder durch das Setzen der Lötpunkte ausreichend vorfixiert ist und weiterprozessiert werden kann, während der Leitkleber noch aushärtet, beispielsweise während eines nachfolgenden Laminierprozesses. Eine kurze Aushärtezeit des Klebers ist für die Erzielung einer kurzen Taktzeit nicht mehr erforderlich, sodass die Zusammensetzung des Leitklebers nach anderen Gesichtspunkten als den der Aushärtezeit optimiert werden kann. Der Leitkleber sorgt nach der Aushärtung dann für eine dauerhaft nichtlösbare, elektrisch leitfähige Verbindung der Solarzellen über die Zellverbinder miteinander.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bei der Zellverbindung die Verfahren Löten und Kleben miteinander kombiniert und ein Vorfixierungsschritt mittels Löten eingeführt, weshalb das erfindungsgemäße Verfahren mit der Bezeichnung „Dualconnect” treffend charakterisiert werden kann. Dadurch können die Vorteile der beiden Verfahren optimal miteinander kombiniert und die Nachteile eliminiert bzw. stark vermindert werden, insbesondere kann durch die gelötete Vorfixierung eine besonders kurze Taktzeit bei der Prozessierung erreicht werden, die unabhängig von der Aushärtzeit des verwendeten Leitklebers im Kontaktierungsschritt ist. Alle Verfahrensparameter, insbesondere die Wahl des Lötmittels bezüglich Schmelztemperatur und des Leitklebers bezüglich Aushärttemperatur und Aushärtzeit, können prozessunabhängig eingestellt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige Typen von Solarzellen in beliebig konzipierten Solarmatrizen elektrisch miteinander verbunden werden, sodass es sich um ein hocheffizientes und kostengünstiges Verfahren handelt, das besonders gut automatisiert durchgeführt werden kann. Die mit dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten elektrischen Reihenverschaltungen von Solarzellen in Solarmatrizen zeichnen sich dadurch aus, dass die Zellverbinder mit zueinander beabstandeten Lötpunkten und Klebeflächen mit den Leitelementen auf den Solarzellen fixiert und kontaktiert sind.
Durch das Vorsehen von Lötpunkten zur Vorfixierung des Zellverbinders auf dem Leitelement auf der Solarzelle werden die auftretenden thermischen Spannungen bereits erheblich reduziert, weil nicht der gesamte Zellverbinder auf Löttemperatur erwärmt werden muss, wie es beim flächigen Löten der Fall ist. Damit wirkt sich der Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Zellverbinder und Solarzelle entsprechend geringer aus. Wird vorteilhaft bei dem Verfahren nach der Erfindung jeweils zumindest ein Lötpunkt in gegenüberliegenden Randbereichen einer Solarzelle gesetzt, kann sich der Zellverbinder zwischen den beiden Lötpunkten an den gegenüberliegenden Rändern der Solarzelle während der Erwärmung frei ausdehnen und beispielsweise auswölben. Beim Abkühlen zieht sich der Zellverbinder dann wieder zusammen, sodass die Auswölbung reversibel und damit unkritisch ist. Nach dem Abkühlen wird keine zusätzliche Kraft auf die Lötstellen ausgeübt. Auch dies trägt zu einer Verringerung der auftretenden Spannungen in der Solarzelle bei. Der Zellverbinder kann also ebenfalls nach wesentlichen Gesichtspunkten weitgehend unabhängig von seiner Montage gestaltet werden. An dieser Stelle sei noch bemerkt, dass eine unerwünschte Bewegung des Zellverbinders, beispielsweise Verdrehen, während der weiteren Prozessierung vorteilhaft dadurch vermieden wird, dass auf jedem Zellverbinder mehr als ein Lötpunkt gesetzt wird. In Abhängigkeit von der Länge des Zellverbinders können beispielsweise mehrere zueinander beabstandete Lötpunkte in gleichmäßiger Verteilung entlang des gesamten Zellverbinders auf der Solarzelle gesetzt werden.
Grundsätzlich kann der Zellverbinder bei der Erfindung jede geeignete Form aufweisen. Es ist auch nicht zwingend erforderlich, dass er größer oder gleich groß als das jeweils kontaktierte Leitelement ausgeführt ist. Auch kann er das gesamte Leitelement oder auch nur Teile oder Abschnitte davon überdecken. Ausschlaggebend für die Formgebung ist das Erreichen einer guten Kontaktierung und damit einer optimalen Stromleitung. Vorteilhaft kann ein streifenförmig ausgebildeter Zellverbinder vorgesehen sein, der entlang der gesamten Länge der Leitelemente auf den benachbarten Solarzellen aufgebracht. Dadurch verstärkt der Zellverbinder noch die stromsammelnden Eigenschaften der Leitelemente. Diese wiederum können ebenfalls streifenförmig ausgebildet sein (Leiterbahn) und sich über die gesamte Solarzelle erstrecken. Dann bietet es sich vorteilhaft an, dass der Zellverbinder in etwa die gleiche Breite hat wie die streifenförmigen Leitelemente (oder etwas breiter ist) und diese durchgängig überdeckt. Durch diese vollständige Überdeckung wird eine optimale Stromleitung erreicht. Sind dazu zwei oder mehr streifenförmige Leitelemente in paralleler Anordnung auf der Solarzelle vorgesehen, kann auch die Sammlung der durch Sonneneinfall erzeugten überschüssigen Ladungsträger in den photoaktiven Schichten der Solarzelle optimal erfolgen. Zum optimalen Stromtransport können dann alle Leitelemente vorteilhaft von Zellverbindern insbesondere vollständig bedeckt sein.
Die Lötpunkte dienen der Vorfixierung der Zellverbinder während des Aushärtens des Leitklebers. Ist dieser vollständig ausgehärtet, übernimmt er – neben der Funktion der elektrischen Leitung – auch die Funktion der mechanischen Fixierung. Um aber ein Wiederaufschmelzen der Lötmittelpunkte beim thermischen Aushärten des Leitklebers zu vermeiden, wird bevorzugt ein Lötmittel gewählt, dessen Schmelztemperatur T_S die identisch mit der Erstarrungstemperatur ist, oberhalb der Aushärttemperatur T_A des Leitklebers liegt. Es kann beispielsweise ein Niedertemperaturlot, das bereits bei oder auch schon unterhalb von 150°C schmilzt bzw. wieder erstarrt, vorteilhaft eingesetzt werden. Vorteilhaft bei derartigen Niedertemperaturlötmitteln ist der besonders geringe erforderliche Wärmeeintrag in die Solarzelle, sodass auch aus diesem Grunde bereits thermische Spannungen und daraus resultierende Mikrorisse bei der Erfindung vermieden werden können. Bei dem Einsatz eines Niedertemperaturlots, dessen Schmelztemperatur T_S oberhalb der Aushärttemperatur T_A des Leitklebers liegt, bedeutet dies auch eine moderate Aushärtung bei einer relativ niedrigen Aushärttemperatur, was gleichbedeutend mit einer Verlängerung der Aushärtezeit ist. Dies kann bei der Erfindung aber aufgrund der sicheren Vorfixierung durch die gelöteten Zellverbinder in Kaufgenommen werden und bedeutet keine Unterbrechung oder Verlängerung des Prozesses mehr. Ein Leitkleber, der schnell bei einer hohen Aushärttemperatur aushärtet, muss bei der Erfindung nicht mehr zwingend eingesetzt werden.
Bekannte Verbindungsanlagen stellen die Verbindungen an Reihen von Solarzellen taktgesteuert her. Dabei ist es für die Effizienz, d. h. für die Umsatzrate solcher Anlagen ausschlaggebend, eine möglichst geringe Taktzeit, d. h. Bearbeitungsdauer pro Arbeitsschritt und Werkstück, zu erreichen. Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist es daher sehr vorteilhaft, wenn zumindest das Vorfixieren des Zellverbinders mittels Löten mit einer Taktzeit kleiner oder gleich 5 Sekunden pro Solarzelle durchgeführt wird. Die Hauptfestigkeit der Verbindung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dann von dem ausgehärteten Leitkleber aufgebracht, ebenso die hauptsächliche Kontaktierung. Die Lötpunkte sorgen jedoch während der Prozessierung für eine ausreichende Vorfixierung, sodass die Hauptfestigkeit nicht bereits zu diesem Zeitpunkt erreicht sein muss. Somit kann bei dem Verfahren nach der Erfindung bevorzugt ein Leitkleber eingesetzt werden, dessen Aushärtezeit größer als die Taktzeit ist.
Da sowohl der Leitkleber als auch das Lötmittel in fließfähigem, pastösem Zustand vorliegen können, kann ihre Applikation bevorzugt mittels Dispenserdüsen erfolgen. Dabei können Leitkleber und Lötmittelpaste zeitversetzt oder gleichzeitig auf die Leitelemente auf der Solarzelle oder auf den Zellverbinder direkt aufgebracht werden. Bei beidseitig zu bearbeitenden Solarzellen (mit dem einen Pol auf der Vorderseite und dem Gegenpol auf der Rückseite, beidseitige Kontaktierung) können bei einer entsprechenden Lagerung der Solarzellen auch Vorder- und Rückseite gleichzeitig bearbeitet werden. Die Parallelisierung möglichst vieler Arbeitsschritte verringert die Taktzeit zusätzlich. Auch das Aufbringen des Leitklebers erfolgt bevorzugt vor dem Fixieren des Zellverbinders mittels der Lötpunkte. Ein nachträgliches Aufbringen ist zwar auch möglich, es muss dann aber eine Applikation unter den vorfixierten Zellverbinder und ggfs. seitlich davon erfolgen. Das Einbringen des Lötmittels erfolgt bevorzugt punktförmig. Das Einbringen des Leitklebers kann punkt- oder linienförmig oder auch flächig erfolgen. Bei einer punkt- oder linienförmigen Verteilung des Leitklebers wird dieser anschließend durch Andrücken des Zellverbinders an das Leitelement entsprechend flächig verteilt. Bevorzugt kann der Zellverbinder als streifenförmiges Zellverbinderband von der Rolle aufgebracht und konfektioniert, d. h. auf entsprechende Länge gebracht werden. Dabei kann der Zellverbinder völlig unbeschichtet sein, Leitkleber und Lötmittel werden auf die dann als Leiterbahnen ausgebildeten Leitelemente auf der Solarzelle appliziert. Alternativ kann der Zellverbinder auch schon mit Leitkleber und/oder Lötmittel in passender Anordnung und Beabstandung beschichtet sein und als vorgefertigtes Halbzeug von der Rolle in Form eines konfektionierbaren Zellverbinderbands der Produktion zur Verfügung gestellt werden. Je nach Typ der zu kontaktierenden Solarzellen können sich Lötmittel und Leitkleber nur auf einer oder auf beiden Seiten des Zellverbinderbands befinden. Eine Abdeckfolie schützt und trennt die Kleberflächen entsprechend. Diese Abdeckfolie wird vor dem Aufbringen des Zellverbinders entfernt. Eine Applikation von der Rolle mit einer passenden Abschnittsbildung wird im Übrigen auch beim Aufbringen des einfachen, weder Lötmittel noch Leitkleber tragenden Zellverbinders bevorzugt.
Zusammenfassend weist das Verfahren nach der Erfindung mit einer Vorfixierung durch Löten und einer Kontaktierung und Endfixierung durch Kleben folgende wesentliche Vorteile auf:

• Ein sofortiges Weiterverarbeiten der durch Setzen von Lötpunkten vorfixierten Solarzellen ist möglich, wodurch sich eine besonders kurze Taktzeit ergibt.
• Der Verbindungsprozess kann bei Temperaturen unter 150°C stattfinden, wodurch Mikrorisse vermieden werden.
• Die Restspannungen in den Solarzellen werden reduziert, wodurch ebenfalls Mikrorisse vermieden werden.
• Die elektrische Kontaktierung kann unabhängig von der Taktzeit optimal gestaltet werden (Wahl des Leitklebers).
• Solarzelle und Zellverbinder sind dauerhaft und gut leitend miteinander verbunden.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung zur elektrischen Reihenverschaltung von Solarzellen können beliebige Solarzellenmatrizen mit beliebigen Solarzellentypen erzeugt werden. Grundsätzlich kann jede Solarzelle – unabhängig von ihrem Typ – in der beschriebenen Weise verschaltet werden, da jede Solarzelle einen Pluspol und einen Minuspol aufweist, die entsprechend verbunden werden müssen. Es können also sowohl beidseitig (vorder- und rückseitig) als auch einseitig (in der Regel rückseitig, denkbar aber auch vorderseitig) kontaktierte Solarzellen verschaltet werden. Bei beidseitig kontaktierten Solarzellen wird der Zellverbinder von dem den einen Pol, beispielsweise Minuspol, kontaktierenden Leitelement auf der Vorderseite einer Solarzelle zu dem den anderen Pol, dann Pluspol, kontaktierenden Leitelement auf der Rückseite der benachbarten Solarzelle geführt. Es können sowohl punktförmig, linear oder flächig kontaktierte Solarzellen miteinander verschaltet werden. In der Regel sind auf der im Einsatzfall lichtbeschienenen Vorderseite der Solarzellen flächenminimierte Streifenkontakte und auf der vom Lichteinfall abgewandten Rückseite der Solarzelle eine Kontaktschicht angeordnet. Bei bifacialen, d. h. beidseitig aktiven Solarzellen mit einem Lichteinfall im Betriebsfall auf Vorder- und Rückseite können auf beiden Seiten Streifen- oder Punktkontakte vorgesehen sein. Weiterhin können sowohl mono-, poly- oder multikristalline als auch amorphe Solarzellen, sowohl in anorganischer als auch in organischer Ausführungsform, kontaktiert werden. Es können sowohl waferbasierte Solarzellen als auch Dünnschicht-Solarzellen verschaltet werden. Weiterhin können auch beliebige Matrizen, beispielsweise in Form von linearen Strings oder flächigen Arrays, erzeugt werden. Weitere Details zu dem Verfahren nach der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevorzugte Ausbildungsformen des Verfahrens nach der Erfindung zur elektrischen Verschaltung von Solarzellen werden nachfolgend anhand der nicht maßstabsgerechten, schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigt
1 ein Flussschema des Verfahrens, wie es beispielsweise in einem Verschaltungsautomaten mit Bandförderung durchgeführt werden kann und
2 eine perspektivische Ansicht von einem Ausschnitt einer Solarmatrix.
Im Verfahrensschritt A in 1 werden zwei benachbarte Solarzellen 01, 02 (im Ausschnitt dargestellt) entsprechend ihrer Anordnung in einer Solarzellenmatrix 03, beispielsweise in einem länglichen String, zueinander positioniert, beispielsweise in einer linearen Reihenschaltung. Angedeutet ist eine Bandfertigung von links nach rechts (Pfeil), wobei die entsprechenden Halterungen für die Solarzellen 01, 02 der Übersicht halber nicht dargestellt sind. Die beiden Solarzellen 01, 02 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel beidseitig kontaktiert mit einem den Minuspol (–) kontaktierenden Leitelement 04, hier einem Streifenkontakt 05, auf der Vorderseite 06 (im Einsatz dem Lichteinfall ausgesetzt) und einem den Pluspol (+) kontaktierenden Leitelement 07, hier eine Kontaktschicht 08, auf der Rückseite 09. Auf dem Streifenkontakt 05 und der Kontaktschicht 08 werden für die Vorfixierung Lötmittelpunkte 10 aus einem Lötmittel 11 (Schmelztemperatur T_S kleiner oder gleich 150°C, Niedertemperaturlot) in Randbereichen 13 der Solarzellen 01, 02 aufgebracht. Dies erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Dispenserdüsen 14 auf der Vorderseite 06 und der Rückseite 09 gleichzeitig, die das Lötmittel 11 in pastöser Form dispensen.
Im Verfahrensschritt B, der bevorzugt auch zeitgleich mit dem Verfahrensschritt A erfolgen kann, werden für die Kontaktierung und die Endfixierung Leitkleberflächen 15 aus einem Leitkleber 16 beispielsweise mittels Dispenserdüsen 18 auf den Streifenkontakten 05 und der Kontaktschicht 08 aufgebracht. Dabei zeigen die Leitkleberflächen 15 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen streifenförmigen Verlauf wie die Zellverbinder 20 (bei der Beschreibung eines Verfahrensschritts nicht gezeigte oder benannte Bezugszeichen sind den vorangehenden bzw. nachfolgenden Verfahrensschritten zu entnehmen).
Im Verfahrensschritt C werden dann elektrisch leitfähige streifenförmige Zellverbinder 20 auf die Streifenkontakte 05 und die Kontaktschicht 08 aufgebracht. Dabei hat im gewählten Ausführungsbeispiel der streifenförmige Zellverbinder 20 die gleiche Breite wie die Streifenkontakte 05. Gleichzeitig oder anschließend werden zur Vorfixierung die Lötmittelpunkte 10 über Heißluftdüsen 21 erwärmt, sodass das Lötmittel 11 aufschmilzt und die Zellverbinder 20 mit den Streifenkontakten 05 und der Kontaktschicht 08 verbindet. Nach dem Entfernen der Heißluftdüsen 21 (durch Zurückziehen der Heißluftdüsen 21 oder einfach durch den Weitertransport der Solarzellen 01, 02 auf dem Montageband oder durch explizites Kühlen) kühlen die Lötmittelpunkte 10 sofort ab, erstarren und vorfixieren den Zellverbinder 20 sicher auf den Streifenkontakten 05 und der Kontaktschicht 08. Durch die Wärmezufuhr über die Heißluftdüsen 21 beginnt auch der Leitkleber 16 auszuhärten. Da die Aushärtezeit t_a bei der Erfindung größer sein kann als die Taktzeit t_t des Prozesses, können für den Aushärtevorgang moderate Aushärtetemperaturen T_A gewählt werden, die unterhalb der Schmelztemperatur T_S des Lötmittels 11 liegen, sodass es nicht zu einem Aufschmelzen der Lötmittelpunkte 10 in der weiteren Prozessierung kommt und eine sichere Fixierung der Zellverbinder 20 während des länger dauernden Aushärtevorgangs dauerhaft gewährleistet ist.
Durch das Verfahren nach der Erfindung können vorteilhaft besonders kurze Taktzeiten von unter 5 s erreicht werden, dabei wird auf Vorder- und Rückseite 06, 09 der Solarzelle 01, 02 gleichzeitig prozessiert. Dabei liegen sich bevorzugt vorteilhaft immer zwei Lötmittelpunkte 10 auf Vorder- und Rückseite 06, 09 der Solarzelle 01, 02 gegenüber. Das Aufbringen von Lötmittel 11 und Leitkleber 16 erfolgt gleichzeitig (Verfahrensschritte A und B), direkt daran anschließend wird der Zellverbinder 20 aufgebracht, direkt daran anschließend wird Wärme zugeführt, die das Lötmittel 11 aufschmilzt und das Aushärten des Leitklebers 16 anregt (Verfahrensschritt C). Während das Aushärten andauert, erstarrt das Lötmittel 11 wieder und sorgt für die Fixierung im weiteren Prozess. Dabei kann der Verfahrensschritt C auch zeitgleich mit den Verfahrensschritten A, B im bereits prozessierten Bereich jeder Solarzelle 01, 02 erfolgen.
In der 2 ist eine perspektivische Ansicht von einem Ausschnitt aus einem String als Solarmatrix 03 dargestellt. Zu erkennen sind Solarzellen 01, 02 mit Streifenkontakten 05 auf der Vorderseite 06 und Kontaktschichten 07 auf der Rückseite 09. Die elektrische Verschaltung der Solarzellen 01, 02 erfolgt über die streifenförmigen Zellverbinder 20, von denen bevorzugt zwei parallel entlang der Solarzellen 01, 02 aufgebracht werden. Die Zellverbinder 20 sind zum einen durch jeweils zwei erstarrte Lötmittelpunkte 10 vorfixiert, zum anderen durch den ausgehärteten Leitkleber 16 kontaktiert und endfixiert. Zur besseren Veranschaulichung ist der Zellverbinder 20 schmaler als die Leitkleberfläche 15 und diese schmaler als der Streifenkontakt 05 dargestellt. Auch sind die Lötmittelpunkte 10 breiter als Zellverbinder 20 dargestellt. In der Regel sind alle diese Elemente in etwa gleichbreit bzw. der Zellverbinder 20 ist etwas breiter als der Streifenkontakt 05. Das Aufbringen des Zellverbinders 20 als Abschnitte eines Zellverbinderbands von der Rolle erfolgt beispielsweise an der hinteren Kante 26 der Solarzelle 02 auf deren Rückseite 09, wird an der vorderen Kante 27 der Solarzelle 02 auf die Vorderseite 06 gebracht, dann an der hinteren Kante 28 der Solarzelle 01 wieder angelegt und an der vorderen Kante 29 von Solarzelle 01 abgeschnitten. Dieser Vorgang beginnt an jeder unteren hinteren Kante der Solarzellen und endet an jeder oberen vorderen Kante oder auch umgekehrt, je nach Laufrichtung des Montagebands.
Bezugszeichenliste

01: Solarzelle
02: Solarzelle (benachbart zu 01)
03: Solarzellenmatrix
04: Leitelement (auf 06)
05: Streifenkontakt
06: Vorderseite (von 01, 02)
07: Leitelement (auf 09)
08: Kontaktschicht
09: Rückseite (von 01, 02)
10: Lötmittelpunkt
11: Lötmittel
13: Randbereich (von 01, 02)
14: Dispenserdüse (für 11)
15: Leitkleberfläche
16: Leitkleber
18: Dispenserdüse (für 16)
20: Zellverbinder
21: Heißluftdüse
26: hintere Kante (von 02)
27: vordere Kante (von 02)
28: hintere Kante (von 01)
29: vordere Kante (von 01)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10261876 B4 [0004]
DE 102008046480 A1 [0004]
GB 1395300 A [0004]
EP 2103373 A1 [0004]
EP 0124975 A1 [0004]
DE 212009000025 U1 [0005]

Claims

Verfahren zur elektrischen Reihenverschaltung von Solarzellen (01, 02) durch elektrisch leitendes Verbinden von Leitelementen (04, 07) auf benachbarten Solarzellen (01, 02) mittels Zellverbindern (20), wobei jede Solarzelle (01, 02) zumindest ein den Pluspol kontaktierendes Leitelement (07) und zumindest ein den Minuspol kontaktierendes Leitelement (04) aufweist, mit den Verfahrensschritten: • Vorfixieren des Zellverbinders (20) auf dem den Pluspol oder den Minuspol kontaktierenden Leitelement (04, 07) durch Setzen von zumindest zwei zueinander beabstandeten Lötpunkten (10) aus einem bei einer Schmelztemperatur schmelzenden Lötmittel (11) zwischen dem Zellverbinder (20) und dem den Pluspol oder den Minuspol kontaktierenden Leitelement (04, 07) und • Kontaktieren und Endfixieren des Zellverbinders (20) mit dem den Pluspol oder den Minuspol kontaktierenden Leitelement (04, 07) durch Einbringen und Aushärten eines bei einer Aushärtungstemperatur aushärtenden Leitklebers (16).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Setzen jeweils zumindest eines Lötmittelpunkts (10) zwischen dem Zellverbinder (20) und dem den Pluspol oder den Minuspol kontaktierenden Leitelement (04, 07) in gegenüberliegenden Randbereichen (13) der Solarzelle (01, 02).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Aufbringen eines streifenförmig ausgebildeten Zellverbinders (20) entlang der gesamten Erstreckung des den Pluspol oder den Minuspol kontaktierenden Leitelements (04, 07).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Aufbringen eines streifenförmigen Zellverbinders (20) von der Breite eines als Streifenkontakt (05) ausgebildeten, den Pluspol oder den Minuspol kontaktierenden Leitelements (04, 07).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Aufbringen von mehreren Zellverbindern (20) auf mehreren parallel angeordneten, den Pluspol oder den Minuspol kontaktierenden Leitelementen (04, 07).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Einsetzen eines Lötmittels (11), dessen Schmelztemperatur oberhalb der Aushärtetemperatur des Leitklebers (16) liegt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Einsetzen eines Lötmittels (11), dessen Schmelztemperatur kleiner oder gleich 150°C ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Durchführen zumindest des Fixierens des Zellverbinders (20) mit einer Taktzeit kleiner oder gleich 5 s pro Solarzelle (01, 02).
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Einsetzen eines Leitklebers (16), dessen Aushärtezeit größer als die Taktzeit ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Aufbringen des Leitklebers (16) und/oder das Lötmittel (11) vor dem Fixieren des Zellverbinders (20) auf die den Pluspol oder den Minuspol kontaktierenden Leitelemente (04, 07).
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Aufbringen des Leitkleber (16) und/oder des Lötmittels (11) mittels Dispenserdüsen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Aufbringen des Leitklebers (16) und/oder des Lötmittels (11) vor dem Fixieren des Zellverbinders (20) auf eine der Solarzelle (01, 02) beim Fixieren zugewandte Oberseite des Zellverbinders (20).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch Aufbringen des Zellverbinders (20) als Abschnitte eines Zellverbinderbands von einer Rolle.