DE102011055754A1

DE102011055754A1 - Solarzellenmodul und Verfahren zum Verschalten von Solarzellen

Info

Publication number: DE102011055754A1
Application number: DE102011055754A
Authority: DE
Inventors: Dr. Campe Hilmar von; Bernd Meidel; Georg Gries; Kerstin Schünemann; Hubert Volz
Original assignee: Schott Solar AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN103650154A; WO2012163908A3; EP2715795A2; WO2012163908A2; DE102011055754B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Solarzellenmodul (10) umfassend auf einem Träger (14) angeordnete Solarzellen (12, 13, 15), die mittels Verbinder (24, 26) verschaltet sind. Damit das Solarzellenmodul kostengünstig herstellbar ist und die elektrischen Verluste durch Verbinder minimiert werden, wird vorgeschlagen, dass der Träger (14) Aussparungen (22) aufweist, innerhalb der die Verbinder (24, 26) zumindest abschnittsweise verlaufen, und dass die Solarzellen außerhalb der Aussparungen flächig oder im Wesentlichen flächig auf dem Träger oder einer auf dem Träger verlaufenden Schicht angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Solarzellenmodul umfassend auf einem Träger angeordnete Solarzellen, die mittels Verbinder verschaltet sind. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf ein Verfahren zum Verschalten von erste und zweite Kontakte aufweisenden Solarzellen zu einem Modul, wobei die Solarzellen mit den Rückseiten auf einem Träger angeordnet werden, der erste und zweite elektrische Verbinder aufweist, über die die Solarzellen mit ihren ersten und zweiten Kontakten in Verschaltungspunkten verschaltet werden.
Um geeignete Spannungen bzw. Leistungen mit Solarzellen bereitzustellen, ist es bekannt, diese zu größeren Einheiten zu verschalten. Zur Herstellung entsprechender Module werden die Zellen parallel oder in Serie miteinander verschaltet und in einem geeigneten transparenten Verkapselungsmaterial wie Ethylenvinylacetet (EVA) eingebettet. Frontseitig werden entsprechende Module üblicherweise von einer Glasscheibe und rückseitig von einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie wie Polyvinylfluorid (TEDLAR) und Polyester abgedeckt. Das Modul selbst ist von einem Rahmen z. B. aus Aluminium umgeben.
Typische Solarzellenmodule auf Silicium-Waferbasis weisen Kontakte auf der Vorder- und Rückseite auf. Zur Verschaltung der Solarzellen wird der Frontkontakt einer Solarzelle mit dem Rückkontakt der folgenden verbunden. Somit ist eine Verschaltung zu Strings möglich. Dabei müssen die Verbinder zwischen den Zellen eine hinreichende Länge aufweisen, um wärmebedingte Relativbewegungen zuzulassen. Dies wiederum führt dazu, dass die Solarzellen in gewissen Abständen zueinander angeordnet werden, so dass nicht aktive Modulflächen entstehen. Hierdurch bedingt und durch die Abschattung der frontseitig verlaufenden Kontakte wie Kontaktfinger und Busbars, die mit den Verbindern elektrisch leitend verbunden werden, treten Leistungseinbußen auf.
Bei Frontseitenkontaktsolarzellen wird üblicherweise ein auf der dem Licht zugewandten Seite aufgebrachtes elektrisch leitendes Grid bestehend aus Stromsammlern (Grid-Fingern) und Stromableitern (Busbars) mit dem zumeist durch eine zusammenhängende Metallschicht wie Aluminium oder eine rückseitig passivierende Silicium-Nitridschicht mit Aussparungen für die Aluminium-Kontaktierung als Rückseitenkontakt verbunden. Auch werden sogenannte Bifacial-Zellen mit lichtdurchlässigen Rückseitenkontakten zu Frontkontaktsolarzellen gezählt.
Die Serienverschaltung der entsprechenden Solarzellen erfolgt üblicherweise dadurch, dass die Solarzellen einzeln mit als Zellverbinder zu bezeichnenden Kontaktbändern aus z. B. verzinntem Kupfer verlötet werden, anschließend zu einem sogenannten String zusammengefasst und in Reihe geschaltet werden. Die Strings werden palettenweise angeordnet und über weitere verzinnte Kupferbänder in Reihe verschaltet.
Um höhere Wirkungsgrade und damit Leistungen zu erzielen, können Rückseitenkontaktsolarzellen verwendet werden, deren beiden Kontakte auf der Zellenrückseite, d. h. der strahlabgewandten Seite angeordnet sind. Hierdurch wird eine unerwünschte Abschattung wegen des Wegfalls der Busbars und je nach Solarzellentyp eventuell auch der Kontaktfinger auf der Frontseite vermieden. Ferner kann die Packungsdichte der Solarzellen vom Modul erhöht werden, da co-planare Verbinder verwendet werden können.
Bei entsprechenden Rückseitenkontaktsolarzellen unterscheidet man üblicherweise zwischen Metal Wrap Through(MWT)-Solarzellen und Emitter Wrap Through(EWT)-Solarzellen. Bei MWT-Solarzellen gibt es einen Frontkontakt und einen Rückkontakt. Durch Bohrungen in dem Halbleitersubstrat – wie Silicium-Wafer – wird sodann der Frontkontakt auf die Rückseite geführt. Die Bohrungen wie Löcher werden z. B. durch eine Ag-Leitpaste metallisiert und der Bereich um den Durchstoßpunkt auf der Rückseite von dem restlichen Bereich der Rückseite so isoliert, dass der Strom von der Vorderseite auf die Rückseite geleitet wird und dort abgenommen werden kann. Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass keine lichtabdeckenden Stromableiter mehr benötigt werden und eine höhere Transparenz des Frontgitters dadurch gegeben ist.
Bei den EWT-Solarzellen wird die n-Schicht direkt durch sehr kleine Bohrungen in der Waferscheibe direkt auf die Rückseite geführt und dort durch eine möglichst punktförmige Metallschicht – die sogenannte Durchkontaktierung – kontaktiert. Daher spricht man auch von Punktkontaktsolarzellen. Der Vorteil dieser Zelle ist, dass das übliche Frontgitter auf der Vorderseite vollständig entfällt und durch eine aus in Bezug auf die Durchkontaktierungen radial verlaufenden Fingern bestehende Metallisierung ersetzt wird, wodurch die bestmögliche Transparenz für den Lichteinfall gegeben ist.
Allerdings ist der Nachteil gegeben, dass durch die Bohrungen im Wafer diese anfällig für mechanische Belastungen machen.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es bekannt, Rückseitenkontaktsolarzellen in einer Kombination aus Folie und Kupferbändern zu verschalten (siehe z. B. D. W. Eikelboom et al.). Dies führt jedoch zu einer mechanischen Belastung der Solarzelle, da die die Solarzelle umgebende Einbettmasse eine relativ große laterale Bewegung ermöglicht, die durch Schrumpfen während des zur Herstellung des Moduls erforderlichen Laminierprozesses und aufgrund hoher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der organischen Folien auftreten können.
In verschiedenen Veröffentlichungen werden Wrap-Through-Solarzellen beschrieben, um einen Kontakt zwischen Emitter und Rückseite der Solarzellen herzustellen, um sodann ausschließlich über Rückseitenkontakte eine Verschaltung vorzunehmen.
Zum Verschalten von Rückseitenkontaktsolarzellen sind co-planare Verbinder bekannt. Die Verbinder bestehen dabei auf Metallbasis und sind dielektrisch beschichtet, wobei spezielle Anordnungen der Kontaktfinger auf den Zellrückseiten dünnere Busbar-Designs ermöglichen. Die Verbinder können dabei in verschiedenen geometrischen Formen ausgeführt und im Wesentlichen über Lötverfahren an mindestens zwei Stellen auf jeder Zelle befestigt sein. Nachteil dieser Verschaltungskonzepte ist die aufwändige Positionierung von Zellen und Verbindern sowie die begrenzten Querschnitte der Verbinder, da eine flächige Verbindung den Füllfaktor erhöhen kann.
Einen Überblick über entsprechende Techniken bieten nachstehende Veröffentlichungen:

D. Thorp, et al "Methods of contacting multijunction silicon PV modules", 14th European PVSEC, Barcelona, 1997, p;
A. Schoenecker, et al "An industrial mc EWT-solar cell with screen-printed metallization", 14th European PVSEC, Barcelona, 1997, p;
M. Späth, et al "Solder version of 8 inch back-contacted solar cells", 15th PVSEC Shanghai, 2005, p.1003;
F. Clement, et al "Processing and comprehensive characterization of screen-printed mc-Si metal wrap through (MWT) solar cells", 22nd European PVSEC, 2007, Milano, p. 1399;
Y. Meydbray, et al "Solder Joint degradation in high efficiency all back contact solar cells", 22nd European PVSEC, Milano, 2007, p. 2561;
U. Eitner, et al "A modelling approach to the optimization of interconnects for back contact cells by thermomechanical simulations of photovoltaic modules", 23rd European PVSEC, Valencia, 2008, p. 2815;
K. Nakamura, et al "Development of back contact Si solar cells and module in pilot production line", 23rd European PVSEC, Valencia, 2008, p. 1006.

Es ist auch bekannt, Rückseitenfolien zur Verschaltung zu nutzen. Dabei können elektrisch leitende Kleberschichten benutzt werden, um Kontakte zu verbinden.
Die elektrisch leitenden Kleber können durch Drucktechnik aufgebracht werden (D. W. Eikelboom, et al "Conductive adhesives for interconnection of busbar-less emitter wrapthrough solar cells on a structured metal foil", 17th PVSEC Fukuoka Japan, 2001, p.1547).
Der Literaturstelle M. Späth, et al "A novel module assembly line using back-contact solar cells", 23rd European PVSEC, Valencia, 2008, p. 2917, ist ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls zu entnehmen, bei dem eine leitende Rückseitenfolie ein Verschaltungsmuster zum Verschalten der Solarzellen aufweist. Über eine Leitpaste werden sodann die elektrisch leitenden Bereiche der Rückseitenfolie mit den Solarzellen verbunden. Die zu verschaltenden Solarzellen werden sodann nacheinander auf der die Verschaltung ermöglichenden Leiterplatte angeordnet.
Ein Verfahren zum Verschalten von Rückseitenkontaktsolarzellen ist aus der US-A-5,972,732 bzw. der US-A-5,951,786 bekannt. Dabei werden auf eine als Trägerelement zu bezeichnende Unterlage elektrische Leiter angeordnet, um sodann auf diese die zu verschaltenden Rückseitenkontaktsolarzellen derart zu positionieren, dass deren Kontakte zur gewünschten Verschaltung auf die elektrischen Leiter ausgerichtet sind. Das Verkapseln der verschalteten Solarzellen erfolgt sodann in gewohnter Weise, d. h., dass die Solarzellen weitgehend von einer Einbettmasse umgeben sind, die quer zu ihrer Flächenerstreckung laterale Bewegungen insbesondere durch Temperaturschwankungen, denen die Module unterliegen, ausgesetzt sind, wodurch zum einen eine Beschädigung der Solarzellen selbst und zum anderen ein Lösen der elektrisch leitenden Verbindungen zwischen Rückseitenkontakten und elektrischen Leitern erfolgen kann.
Das weiche Einbetten der Solarzellen in einer Einbettmasse erfolgt vor dem Hintergrund, dass mechanische Belastungen vermieden bzw. reduziert werden sollen. Messungen haben jedoch ergeben, dass die Bewegungen der Solarzellen in weich einbettendem Material 120 µm betragen und die erwartete Temperaturausdehnung um den Faktor 4 übertreffen.
Somit führt die weiche Einbettung zu einer hohen mechanischen Belastung mit der Folge, dass sowohl Serienverbinder als auch Zellen selbst brechen können und sich bei Rückkontaktzellen die Kontakte ablösen können.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei herkömmlichen Solarmodulen nachstehende Nachteile gegeben sind:

– aufwendige und kostenintensive Herstellungsverfahren,
– schlechte Ausnutzung der Modulfläche durch photoempfindliche Bereiche,
– Begrenzung der Dicke der angelöteten Serienverbinder aus Kupfer und hierdurch bedingter hoher Widerstand der Zuleitungen und die damit verbundenen hohen elektrischen Verluste,
– mechanische Belastung zwischen sehr dünnen Siliziumwafer bzw. Solarzellen,
– Erhitzung der Solarzellen durch die Sonneneinstrahlung bei schlechter Wärmeabfuhr mit der Folge einer verminderten Leistungsabgabe der Solarzellen, kürzere Lebensdauer der Elektronik, schlechte Kühlung der Bypassdioden, höhere mechanische Belastung des gesamten Modulverbundes,
– hohes Modulgewicht durch Glasträger bzw. Doppelglasträger,
– Befestigungsaufwand mit Rücksicht auf die Materialeigenschaften bei der Verwendung von Glasträgern,
– Probleme bei der Einbindung von Kontaktbox, Bypassdioden in die Modulgrundplatte.

Aus der DE-A-10 2005 057 468 ist ein photovoltaisches rahmenloses Solarmodul in Plattenform bekannt, das eine Stützrahmenstruktur aus einem aufgeschäumten Leichtmetall aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere ein Solarzellenmodul zur Verfügung zu stellen, das kostengünstig herstellbar ist und bei dem die elektrischen Verluste durch Verbinder minimiert werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung soll der Abstand der Zellen optimiert, die Bruchgefahr von dünnen Wafern reduziert und die Wärmeabfuhr optimiert werden.
Auch soll eine Gewichtsreduzierung im Vergleich zu bekannten Modulen erreicht werden, ohne dass Einbußen in Bezug auf die Stabilität in Kauf genommen werden müssen. Ferner soll ein problemloses Integrieren von Bypassdioden oder Kontaktboxen möglich sein.
Zur Lösung einer oder mehrerer Aspekte der Erfindung ist im Wesentlichen vorgesehen, dass der Träger Aussparungen aufweist, innerhalb der die Verbinder zumindest abschnittsweise verlaufen, und dass die Solarzellen außerhalb der Aussparungen flächig oder im Wesentlichen flächig auf dem Träger oder einer auf dem Träger verlaufenden Schicht angeordnet sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Solarzellenmodul, bei dem Solarzellen in Verschaltungspunkten mittels elektrischer Verbinder verschaltet sind, und dass sich dadurch auszeichnet, dass die Verbinder in den Aussparungen außerhalb der Verschaltungspunkte gegeneinander und gegenüber dem Träger elektrisch isoliert angeordnet sind. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Träger aus einem Metallschaum wie Aluminium-, Zink- oder Kupferschaum besteht.
Bei den Aussparungen kann es sich um Längs- oder Queraussparungen handeln. Bezüglich der Verschaltungspunkte ist anzumerken, dass diese nicht nur punktuell, sondern z.B. auch linienförmig ausgebildet sein können, wie dies insbesondere bei Rückseitenkontaktsolarzellen der Fall ist, bei denen kammförmige Kontaktstrukturen, die die auf der Rückseite verlaufenden Front- und Rückseitenkontakte verbinden, über die in den Aussparungen in dem Träger angeordnete Verbinder verbunden werden. Kammartige Kontaktstrukturen sind z.B. der WO-A-2010/027265 (2) zu entnehmen.
Erfindungsgemäß sind die zur Verschaltung der Solarzellen benötigten Verbinder in einer Ebene angeordnet, die unterhalb der Oberfläche des Trägers verläuft, auf der die Solarzellen aufliegen und befestigt sind.
Hierdurch bedingt besteht die Möglichkeit, dass der Abstand der Solarzellen untereinander im Vergleich zu bekannten Konstruktionen verringert wird und somit eine optimale Ausnutzung der Modulfläche möglich ist. Gleichzeitig ergibt sich der Vorteil, dass die in den Aussparungen wie Längsaussparungen wie Kanälen verlaufenden Verbinder im Vergleich zu herkömmlichen Verbindern größere Querschnitte aufweisen können, so dass geringere elektrische Verluste auftreten.
Da die Verbinder außerhalb der Auflagefläche der einzelnen Solarzellen verlaufen, können diese ebenflächig auf dem Träger – sei es unmittelbar oder auf einer auf dem Träger verlaufenden im Wesentlichen unnachgiebigen Schicht wie Folie – angeordnet werden, so dass ein Zellenbruch vermieden wird, der nach dem Stand der Technik durch die entlang der Befestigungsfläche verlaufenden Kupferbänder als Verbinder verursacht werden kann.
Als Materialien für den Träger kommen elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Materialien in Frage. Werden elektrisch isolierende Materialien verwendet, so sind insbesondere Kunststoffschaum, Materialien aus Zellstoff und/oder Altpapier wie Pappe, lackgetränkte Zellulose und Karton zu nennen. Auch Leiterplatten aus Pertinax oder Verblendstoffen können als Träger eingesetzt werden. Bei elektrisch leitenden Materialien ist insbesondere ein Metallschaum zu bevorzugen, wobei beispielhaft Aluminium-, Zink- oder Magnesiumschaum zu nennen sind.
Durch die Verwendung von Metallschaum als Träger ist nicht nur eine einfachere Bearbeitung des Trägers im Vergleich zu Trägern aus Glas möglich, sondern gleichzeitig ist eine gute Wärmeabfuhr sichergestellt, wodurch die Leistungsabgabe der Solarzellen verbessert wird. Ferner können problemlos Bypassdioden oder sonstige für ein Modul erforderliche Bauelemente bzw. Baugruppen in dem auch als Modulkörper bzw. -platte zu bezeichnenden Träger integriert werden. Insbesondere besteht die Möglichkeit, Kühlkanäle in dem Träger auszubilden, die von einem Kühlfluid durchströmbar sind.
Der Träger kann des Weiteren problemlos mit Bohrungen versehen werden, die zum Befestigen des Moduls z. B. auf einem Dach mit Schrauben durchsetzbar sind.
Zur Unterbindung von Kurzschlüssen wird die Oberfläche der Metallschaumplatte mit einer beständigen Isolationsschicht versehen. Auch gibt es die Möglichkeit, Hybrid-Kombinationen aus Kunststoff mit offenporigen oder geschlossenporigen Metallschaumkörpern herzustellen. Falls die Isolierschicht aus einem Kunststoff besteht, kann diese durch ein isolierendes Gewebe oder ein Vlies zur Aufrechterhaltung der isolierenden Eigenschaften verstärkt werden. Gleichzeitig sichert das Vlies bzw. das isolierende Gewebe den gewünschten Abstand zur Oberfläche der Metallschaumplatte.
Es besteht auch die Möglichkeit, bei geschlossenporigen Trägern als Isolator eine Oxidschicht auf dem aus Metallschaum bestehenden Träger oder durch eine Metalloxidschicht auszubilden.
Die Verbinder, die zum einen die Verschaltung zwischen den Solarzellen und zum anderen mit Querverbindern sicherstellen, über die der Strom von dem Modul abgeführt wird, sind in dem Träger integriert, wobei die Verbinder durch insbesondere eine Isoliermasse von dem metallischen Träger elektrisch getrennt sind. Die Verbinder können gewünschte Querschnitte aufweisen, um Leitungswiderstände klein zu halten, ohne dass die Gefahr eines Zellenbruchs besteht, da die Solarzellen auf den Verbindern in Abweichung von vorbekannten Konstruktionen nicht aufliegen.
Die grundsätzlich als Längsaussparungen bezeichneten Aussparungen, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der Erfindung erfolgt, können bei der Herstellung der Träger, also formgebend ausgebildet werden oder durch nachträgliche Bearbeitung wie durch Fräsen, Schleifen oder Einpressen.
Sofern Frontseitenkontaktsolarzellen zu einem Modul verschaltet werden, befinden sich auf deren Frontseiten Stromableiter, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium. Diese werden über Verbindungselemente mit den in den Längsaussparungen verlaufenden Verbindern stoffschlüssig verbunden. Dabei können die von den Frontkontakten ausgehenden Verbindungselemente sich entlang gegenüberliegender Längsränder einer jeden Solarzelle erstrecken oder Durchbrechungen der Solarzellen durchsetzen. Unabhängig hiervon wird durch die Möglichkeit, eine Verschaltung über zwei von den Frontkontakten ausgehende Verbindungselemente vorzunehmen, sichergestellt, dass jedes Verbindungselement nur die Hälfte des Photostroms leiten muss, wodurch die elektrischen Verluste reduziert werden bzw. eine geringere Verbinderstärke erforderlich ist, was zu einer geringeren thermomechanischen Belastung der Solarzelle führt.
Die Verbinder können als Funktionsleisten in die Längsaussparung eingelassen und als Halbzeug gefertigt werden. Somit besteht die Möglichkeit, Halbzeuge vorzufertigen und entsprechend bestückte Träger zur Verfügung zu stellen, auf die die Solarzellen aufgebracht und anschließend elektrisch verbunden werden.
Die Solarzellen werden nacheinander oder in Gruppen zusammengefasst, auf die richtige Position auf den vorzugsweise vorgefertigten Träger aufgelegt und elektrisch mit den jeweils zugehörigen Verbindern verbunden. Somit wird auf einfache Weise die Möglichkeit des Verschaltens von Solarzellen zu einem Solarmodul eröffnet.
Die Verbindung zwischen den Solarzellen und dem Träger erfolgt vorzugsweise über einen Kleber wie Silikonkleber, Thermoplast oder ähnliches, wobei ein unmittelbares Verbinden mit dem Träger oder mit der Isolationsschicht erfolgen kann. Bei der ersten Möglichkeit weist die Isolationsschicht in den Bereichen, in denen die Verbindung zwischen der Solarzelle und dem Träger erfolgen soll, entsprechende Aussparungen auf. Durch die diesbezüglichen Maßnahmen ist zusätzlich sichergestellt, dass die Solarzellen überaus flächig auf der Isolationsschicht aufliegen.
Nach Positionieren und Fixieren der Solarzellen wird auf diese eine Abdeckung z. B. aus transparentem Glas oder einem anderen transparenten Material wie Kunststoff oder Kunststoff-Glasverbund auflaminiert.
Optional kann ein Rahmen angebracht werden. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehren werden aufwendige und kostenintensive Verschaltungen vermieden, da diese in dem Träger integriert sind. Infolgedessen ist es nur noch erforderlich, dass auf den Träger die Zellen aufgebracht werden.
Durch die Integration der Verschaltung in den Trägerkörper kann der Zellenmindestabstand reduziert werden, wobei zusätzlich die Querverbinder in einem Randbereich des Trägerkörpers verlaufen.
Nach dem Stand der Technik werden die die Solarzellen verschaltenden Verbinder in Form von Kupferbändern auf Dicken von ca. 200 µm limitiert, um einen Zellenbruch zu vermeiden.
Da die Verbinder erfindungsgemäß in dem Trägerkörper eingelassen sind, können die Verbinder ausreichend massiv ausgeführt werden, so dass die elektrischen Verluste minimiert werden.
Nach dem Stand der Technik werden dünne bruchempfindliche Wafer schwimmend gelagert. Erfindungsgemäß können die Wafer unmittelbar auf die Trägerfläche bzw. die auf sich entlang der Trägerfläche erstreckende Isolationsschicht befestigt werden, so dass mechanische Kräfte auf den Träger anstatt auf die Wafer wirken.
Nach dem Stand der Technik ist bei der Verwendung von Trägern aus Glas und Kunststoff eine schlechte Wärmeabfuhr gegeben. Demgegenüber ist erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, dass als Träger ein Metallschaum benutzt wird, so dass eine gute Wärmeableitung gewährleistet ist. Zusätzlich kann der Träger problemlos gekühlt werden, insbesondere durch integrierte Kühlkanäle oder -rohre, durch die Gas wie Luft oder Flüssigkeit wie Wasser geführt wird. Auch ist ein problemloses Befestigen möglich.
Die Verwendung einer Metallschaumplatte führt des Weiteren dazu, dass das Gewicht im Vergleich zu bekannten Modulkonstruktionen reduziert wird.
Ein problemloses Integrieren weiterer Bauelemente wie Kontaktbox, Bypassdiode ist aufgrund der Verwendung eines Trägers aus Metallschaum gleichfalls möglich.
Kann in jeder Längsaussparung ein einziger Verbinder eingebracht werden, so besteht insbesondere die Möglichkeit, dass in einer Längsaussparung gegeneinander und gegenüber dem Träger elektrisch isolierte erste und zweite Verbinder verlaufen, wobei die ersten Verbinder mit ersten Kontakten von entlang des Kanals verlaufenden Solarzellen und die zweiten Verbinder mit zweiten Kontakten der Solarzellen verbunden sind, und dass die in der Längsaussparung verlaufenden ersten und zweiten Verbinder in den Verschaltungspunkten elektrisch leitend verbunden sind. Die Verbinder können dabei nebeneinander oder übereinander angeordnet sein.
Daher zeichnet sich die Erfindung auch dadurch aus, dass Verbindungselemente von ersten Kontakten der Solarzelle mit dem bei übereinander angeordneten ersten und zweiten Verbindern unteren zweiten Verbinder verbunden sind und den ersten Verbinder durchsetzen, der in jeweiligem Durchstoßpunkt des Verbindungselements im Vergleich zum angrenzenden Bereich flächenmäßig erweitert ist. Hierdurch wird die Querschnittsfläche des ersten Verbinders nicht merklich verringert.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Träger Längsaussparungen ausgebildet werden, dass in die Längsaussparungen die Verbinder eingebracht werden, die gegenüber dem Träger bzw. den Längsaussparungen und außerhalb von Verschaltungspunkten gegeneinander elektrisch isoliert sind oder werden, dass die Solarzellen auf den Träger gelegt werden und dass sodann die ersten und zweiten Kontakte mit den Verbindern verbunden werden.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass als Träger ein aus elektrisch isolierendem Material wie aus Zellstoff hergestelltes Material oder ein aus elektrisch leitendem Material wie aus Metallschaum bestehender Träger verwendet wird, in dem zumindest die Längsaussparung bei der Herstellung oder nach der Herstellung durch z. B. mechanisches Bearbeiten wie Fräsen oder plastisches Verformen wie Eindrücken z. B. mittels erwärmter Stempel ausgebildet werden.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass in dem Träger ergänzend ein oder mehrere Funktionsbereiche wie Kühlkanäle, Aufnahme für Bypass-Dioden, Kontaktdose, Kontaktbuchsen oder Befestigungsöffnungen ausgebildet werden.
Um Kurzschlüsse zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, dass zwischen den Solarzellen und dem Träger eine ggfs. ein isolierendes Gewebe oder Vlies aufweisende Isolierschicht auf Kunststoff mit ggfs. in dieser vorhandenen Durchbrechungen angeordnet wird, wobei die Solarzellen mit der Isolierschicht oder mit dem Träger über die Durchbrechungen durchsetzende Klebemittel wie Silikonkleber verbunden werden.
Die Verbinder können neben- und/oder übereinander und/oder ineinandergreifend in einer Längsaussparung angeordnet werden, wobei bei übereinander angeordneten ersten und zweiten Verbindern oberer Verbinder vorzugsweise abgeflachte Abschnitte aufweist, die von zu ersten oder zweiten Kontakten führenden und mit dem unteren Verbinder verbundenen oder zu verbindenden Verbindungselementen durchsetzt werden. Die Verbinder können dreidimensional ausgebildet bzw. verlegt werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Solarzellenmodul,
2 das Solarzellenmodul gemäß 1 mit entfernten Solarzellen,
3 ein Detail einer Verschaltungsleiste gemäß 2,
4 ein Detail eines Trägers mit Verbindern,
5 ein Blockschaltbild mit Schutzdioden,
6 eine Draufsicht von zu einem Modul zu verschaltenden Rückkontaktsolarzellen,
7 die Rückkontaktsolarzellen gemäß 6 von der Rückseite aus betrachtet,
8 die Rückkontaktsolarzellen gemäß 7 mit einer ersten Art von Verbindern,
9 die Darstellung gemäß 7 mit einer zweiten Art von Verbindern,
10 eine weitere Ausführungsform von Rückkontaktsolarzellen,
11 die Rückkontaktsolarzellen gemäß 10 in Rückansicht mit Verbindern,
12 die Rückkontaktsolarzellen gemäß 10 von der Rückseite aus betrachtet mit einer zweiten Ausführungsform von Verbindern,
13 die Rückkontaktsolarzellen gemäß 10 mit prinzipiellem Verlauf von entlang der Rückseite verlaufenden Verbindern und
14 Rückkontaktsolarzelle gemäß 13 von der Rückseite aus betrachtet.
Anhand der Figuren, in denen grundsätzlich für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden, soll die erfindungsgemäße Lehre anhand von zu einem Modul in Reihe verschalteten Solarzellen erläutert werden.
Ein entsprechendes Modul 10 ist in Draufsicht der 1 zu entnehmen, wobei im Ausführungsbeispiel – allerdings nicht schutzeinschränkend – vier Solarzellen 12 auf einem Träger 14 angeordnet und verschaltet sind.
Bei der Erläuterung des Ausführungsbeispiels wird als Material für den Träger 14 Metallschaum genannt, ohne dass hierdurch eine Beschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgen soll.
Insbesondere kann der Träger 14 auch aus einem elektrisch isolierenden Material wie aus aus Zellstoff und/oder Altpapier hergestellter Pappe bzw. hergestelltem Karton bestehen. Andere geeignete Materialien – wie Kunststoffschaum oder gewebe- und/oder faserverstärkte Platten, auch Leiterplatten, die eine leichte Bauweise bei hinreichender Stabilität für den Träger 14 sicherstellen, kommen gleichfalls in Frage.
Bei den Solarzellen 12 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um Frontseitenkontaktsolarzellen, gleichwenn die erfindungsgemäße Lehre auch für Rückseitenkontaktsolarzellen gilt.
Die Frontseitenkontaktsolarzellen 12 bestehen üblicherweise aus p-Siliciumsubstrat-Wafern mit jeweils einem pn-Übergang. Frontseitig ist ein Gitter als Frontseitenkontakt vorgesehen, das sich aus Stromableitern 16, 18 (Busbars) und Stromsammlern 20 (Gridfingern) zusammensetzt. Rückseitig weist die Solarzelle 12 eine insbesondere aus Aluminium bestehende Metallschicht mit Busbars oder Pads z. B. aus Silber auf. Erwähntermaßen kann die Solarzelle einen entsprechenden oder sonstigen Aufbau aufweisen, wie dieser dem Stand der Technik zu entnehmen ist.
Der Träger 14 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Metallschaum, insbesondere Aluminiummetallschaum, und weist in seiner Oberfläche als Längsaussparungen bezeichnete Kanäle 22 auf, die parallel zu den Busbars 16, 18 oder außerhalb der Solarzellen 12 quer zu diesen verlaufen. Insoweit ist der Begriff „Längsaussparung“ nicht einschränkend zu verstehen.
Zum Verschalten der Solarzellen 12 verlaufen in den Kanälen 22 erste und zweite Verbinder 24, 26, die gegeneinander elektrisch isoliert sind, jedoch in Verschaltungspunkten elektrisch leitend verbunden sind, um die Solarzellen 12 in Reihe zu verschalten.
Auch sind die Verbinder 24, 26 unterbrochen, um Kurzschlüsse zu verhindern. Dies wird anhand der 3 näher erläutert.
Der Träger 14 kann des Weiteren z. B. mäanderförmig verlaufende Kühlkanäle aufweisen, von denen in 1 in Phantomdarstellung ein Abschnitt 28 eingezeichnet ist. Die Kühlkanäle können mit einem Kühlfluid wie Wasser durchströmt werden, um den Träger 14 und damit die Solarzellen 12 im erforderlichen Umfang zu kühlen. In offenporigen Bereichen kann der Modulträger direkt durchströmt werden.
In der 3 ist in vergrößerter Darstellung ein Ausschnitt des Verlaufs der ersten und zweiten Verbinder 24, 26 dargestellt, um die Solarzellen 13, 15 in Reihe zu verschalten. Im Ausführungsbeispiel ist der erste Verbinder 24 mit den Rückseitenkontakten der Solarzellen 13, 15 verbunden, wobei eine Unterbrechung 30 im Übergang zwischen den Solarzellen 13, 15 vorgesehen ist, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
Der zweite Verbinder 26 ist mit den Frontkontakten der Solarzellen 13, 15 verbunden, wobei der zweite Verbinder 26, wie der erste Verbinder 24, im Übergangsbereich zwischen den aneinandergrenzenden Solarzellen 13, 15 unterbrochen ist (Bereich 32), um einen Kurzschluss zu verhindern.
Somit sind in der 3 Abschnitte 34, 36 des ersten Verbinders 24 und 38, 40 des zweiten Verbinders 26 dargestellt, wobei die Abschnitte 34, 38 der Solarzelle 15 – oder ersten Solarzelle – und die Abschnitte 36, 40 der Solarzelle 13 – oder der zweiten Solarzelle – zugeordnet sind.
Zum Verschalten wird der Abschnitt 38 des zweiten Verbinders 26, der mit dem Frontkontakt der ersten Solarzelle 15 verbunden ist, mit dem Abschnitt 36 des ersten Verbinders 24 verbunden (Kontaktstelle 42), so dass entsprechend dem Pfeil 44 von der ersten Solarzelle 15 auf die nachfolgende zweite Solarzelle 13 ein Strom fließen kann. Entsprechend sind die übrigen in Reihe angeordneten Solarzellen 12 verschaltet. Am Ende einer Reihe werden die in Reihe angeordneten Solarzellen 12 über Querverbinder 46, 48, 50 verbunden, wobei die Querverbinder 48, 50 in Anschlüssen 52, 54 enden.
Die in den Kanälen 22 verlaufenden ersten und zweiten Verbinder 24, 26 werden mit dem Rückseitenkontakt bzw. Frontkontakt wie folgt verbunden.
Von den Busbars 16, 18 der Frontkontakte können entlang dem jeweiligen Rand 56, 58 der Solarzelle 12 Verbindungselemente zu dem zweiten Verbinder 26 führen. Auch besteht die Möglichkeit, in den Solarzellen 12 Durchgangsöffnungen auszubilden, die von den entsprechenden Verbindungselementen durchsetzbar sind.
Da die Verbindungselemente nicht zwischen der Auflagefläche 60 des Trägers 14 und den Solarzellen 12 verlaufen, können die Solarzellen 12 ebenflächig auf der Fläche 60 des Trägers 14 aufliegen, wodurch eine Bruchgefahr vermieden wird, die ansonsten besteht, wenn – entsprechend dem Stand der Technik – die Verbindungselemente von Front- zu Rückseitenkontakt zwischen aufeinanderfolgenden Solarzellen im Bereich des Rückseitenkontakts zwischen diesem und der Auflagefläche der Solarzelle verlaufen.
Dadurch, dass die Verbinder 24, 26 in Kanälen 22 unterhalb der Auflagefläche 60 der Solarzellen 12 angeordnet sind, können gewünschte Querschnitte gewählt werden, die zu geringen elektrischen Verlusten führen.
Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den zweiten Verbindern 26 bzw. deren Abschnitten 38, 40 und den Busbars 16, 18 der Solarzellen 12 kann in gewohnter Weise durch Löten wie Ultraschalllöten, Induktivlöten, Laserlöten oder eine formschlüssige Verbindung durch Kleben erfolgen.
Die Verbindung wird dann hergestellt, wenn die ersten und zweiten Verbinder 24, 26 in den Kanälen 22 angeordnet sind und sodann die Solarzellen 12 auf der Fläche 60 des Träges 14 ordnungsgemäß positioniert sind.
Entsprechend erfolgt eine Verbindung zwischen den Rückseitenkontakten bzw. Busbars oder Pads mit den ersten Verbindern 24 bzw. deren Abschnitten 34, 36, wobei die ersten Verbinder 24 entsprechende Lötpunkte aufweisen können, die über den Kanälen 22 vorstehen, so dass beim Auflegen der Solarzellen 12 im erforderlichen Umfang ein Kontakt besteht. Dies kann auch oder ergänzend durch eine entsprechende Ausbildung der Pads bzw. Busbars auf der Rückseite realisiert werden.
Die Verbinder 24, 26 sind entsprechend der 1 in den Kanälen 22 nebeneinander angeordnet und gegeneinander elektrisch isoliert. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Verbinder 24, 26 übereinander in den Kanälen 22 anzuordnen, wie dies prinzipiell der 4 zu entnehmen ist.
In diesem Fall sind die ersten und zweiten Verbinder 24, 26 gleichfalls gegeneinander elektrisch isoliert, wobei allerdings der obere erste Verbinder 24, der mit dem Rückseitenkontakt verbunden ist, in Bereichen abgeflacht ist, also eine größere flächige Erstreckung als in den angrenzenden Bereichen aufweist, in denen der erste Verbinder 24 von einem Verbindungselement durchsetzt wird, über das ein Busbar 16, 18 mit dem zweiten Verbinder 26 verbunden wird.
Dieser Bereich in dem ersten Verbinder 24 ist mit dem Bezugszeichen 61 gekennzeichnet und weist eine Durchgangsöffnung 62 auf, die von dem nicht dargestellten Verbindungselement durchsetzt und gegenüber dem ersten Verbinder 24 elektrisch isoliert ist. Die Verbindung durch die Durchgangsöffnung 62 (Loch) kann über ein Sn-Lot erfolgen.
Anhand der 5 soll rein prinzipiell verdeutlicht werden, dass antiparallel zu den Solarzellen 12 bzw. Gruppen 64 von Solarzellen 12 Schutzdioden 66 geschaltet sind, die in entsprechenden Aussparungen in dem Träger 14 angeordnet werden können. Somit wird die Nutzfläche des Trägers 14 durch entsprechende Bauelemente nicht verkleinert.
Entsprechend können in dem Träger 14 Anschlüsse wie Kontaktdosen, Kontaktbuchsen oder sonstige Bauelemente integriert werden, die für ein Solarzellenmodul 10 üblicherweise benötigt werden.
Die ersten und zweiten Verbinder 24, 26 können als Halbzeuge gefertigt werden, die mit einer entsprechenden Isolierung in die Trägerplatte 14, und zwar in die in diesen ausgebildeten Kanälen 22 eingelegt werden.
Ein entsprechender Träger 14 mit den ersten und zweiten Verbindern 24, 26 und sonstigen Bauelementen kann als Fertigteil der Solarproduktion zugeführt werden, in der die Solarzellen 12 auf der Fläche 60 des Trägers 14 positioniert und sodann mit den ersten und zweiten Verbindern 24, 26 elektrisch leitend verbunden werden. Dabei weist die Fläche 60 des Trägers 14 eine elektrische Isolierschicht auf oder ist als solche ausgebildet. So kann die Oberfläche aus einer dichten Oxidschicht bestehen oder eine entsprechende Metalloxidschicht kann auf der Oberfläche ausgebildet sein.
Es besteht auch die Möglichkeit, eine aus Kunststoff bestehende elektrisch isolierende Schicht aufzubringen, die gegebenenfalls ein isolierendes Gewebe oder Vlies enthält, um eine Verstärkung zu erzielen.
Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass die Solarzellen 12 nicht kurzgeschlossen werden.
Diesbezügliche Maßnahmen sind nicht zwingend erforderlich, wenn das Material des Trägers aus einem elektrisch isolierenden Material wie Pappe oder Karton besteht.
Nach dem Verbinden der Solarzellen 12 mit den ersten und zweiten Verbindern 24, 26 werden sodann die Solarzellen auf dem Träger 14 fixiert. Dies kann durch Kleben der elektrisch nicht verbundenen Flächen der Solarzellen 12 auf der Isolationsschicht mit einem Kleber wie Silikonkleber oder Thermoplast erfolgen.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Solarzellen 12 unmittelbar mit dem Träger 14 zu verbinden. In diesem Fall weist die Isolationsschicht Durchbrechungen auf, in die das Klebermaterial eingebracht wird. Die diesbezüglichen Maßnahmen haben den Vorteil, dass Solarzellen 12 vollflächig auf der Isolationsschicht aufliegen, ohne dass Klebermaterial zu Unebenheiten führt.
Abschließend wird auf die Solarzellen 12 eine Deckplatte aus transparentem Glas oder einem anderen transparenten Material wie Kunststoff oder Kunststoff/Glasverbund auflaminiert, um ein fertiges Modul 10 zur Verfügung zu stellen.
Ist die erfindungsgemäße Lehre zuvor anhand von Frontsolarkontaktzellen beschrieben worden, so ist hierdurch eine Beschränkung nicht zu sehen. Vielmehr sind auch zu Solarzellenmodulen zu verschaltende Rückseitenkontaktsolarzellen – auch Rückkontaktsolarzellen genannt – entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre flächig auf Träger anordbar, wobei die Verbinder zwischen den zu verschaltenden Solarzellen in Aussparungen des Trägers verlaufen, die entsprechend zuvor erfolgter Erläuterungen ausgebildet sein können. Insoweit wird auf die zuvor erfolgte Beschreibung verwiesen. Dies gilt auch in Bezug auf die verwendeten Materialien sowie Ausgestaltungen.
In 6 sind zwei zu verschaltende Rückkontaktzellen 100, 102 in Vorderansicht, also mit Blick auf die jeweilige Frontseite 104, 106 dargestellt. Entsprechend üblicher Konstruktionen von MWT(Metal Wrap Through)-Rückseitenkontaktsolarzellen sind in dem Substrat der Solarzellen 100, 102 Durchgangsbohrungen 108, 110 nach einem vorgegebenen Muster angeordnet, die gegenüber dem Basismaterial des Substrats isoliert von einem elektrisch leitenden Material durchsetzt werden, um auf der Vorderseite 104, 106 verlaufende stromsammelnde Metallisierung 112, 114 zur Rückseite zu führen. Die rückseitigen Kontakte der Metallisierung 112, 114 sind sowohl gegenüber dem Substrat als auch gegenüber dem vorzugsweise durch eine Aluminiumschicht gebildeten Rückseitenkontakt isoliert.
Die den Durchgangsöffnungen 108, 110 zugeordneten auf der Rückseite endenden Durchkontaktierungen sind in den 7–9 mit den Bezugszeichen 120, 122 gekennzeichnet.
Zum Sammeln des Stroms ist auf der Frontseite 102, 104 die Metallisierung 112, 114 vorhanden, die aus radial zu den Durchkontaktierungen verlaufenden Fingern besteht, wie sich dies aus der zeichnerischen Darstellung klar erkennen lässt. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Konstruktionen verwiesen.
Entsprechend dem Stand der Technik werden die in Reihen und zur Rückseite der Solarzellen 100, 102 verlaufenden Durchkontaktierungen über Busbars 124, 126 verbunden, die gegenüber der Rückseitenmetallisierung, also dem Rückseitenkontakt 116, 118 isoliert sind. Die Rückseitenkontakte 116, 118 weisen zum Verschalten der Solarzellen 100, 102 nach dem Ausführungsbeispiel der 7–9 einen im Bereich eines Randes der Solarzellen 100, 102 und quer zu den Busbars 124, 126 verlaufenden linienförmigen Kontakt 128, 130 auf, der einem Busbar entspricht. Die Busbars 124, 126, die die Durchkontaktierungen 108, 110 verbinden, sind bei einem p-basierten Substrat und somit frontseitigem Emitter die n-Kontakte und die Kontakte der Rückseite die p-Kontakte.
Um die Solarzellen 100, 102 zu verschalten, sind entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 8 in einem nicht dargestellten Träger entsprechend dem Verlauf der Busbars 124, 126, 128, 130 Aussparungen vorhanden, in die gemäß 8 Verbinder 132, 134 eingebracht werden, die eine kammartige Geometrie aufweisen, d.h. Querschenkel 136, 138 und senkrecht zu diesem verlaufende Schenkel 140, 142. Die Anzahl der Schenkel 140, 142 entspricht der Anzahl der die Durchkontaktierungen verbindenden Busbars 124, 126. Die Verbinder 132, 134 bzw. die diese aufnehmenden Aussparungen in dem Träger verlaufen derart, dass bei auf dem Träger aufgelegten Solarzellen 100, 102 die auf der Rückseite der Solarzelle 100 verlaufenden Busbars 122, 124 auf den Längsschenkeln 140, 142 zu liegen kommen.
Die Solarzelle 102 wird sodann derart positioniert, dass der Busbar 130 des Rückseitenkontakts mit dem Querschenkel 136 des Verbinders 132 elektrisch leitend verbunden wird. Somit werden die Solarzellen 100, 102 in Reihe verschaltet. Entsprechend wird der Querschenkel 138 des der Solarzelle 102 zugeordneten Verbinders 134 mit einer in der Zeichnung unterhalb der Solarzelle 102 anzuordnenden Solarzelle verschaltet.
Anstelle einer der 8 zu entnehmenden kammartigen Struktur besteht auch die Möglichkeit, dass durch ausschließlich parallel verlaufende Verbinder 144, 148 die Solarzellen 100, 102 verschaltet werden, wobei die der Solarzelle 100 zugeordneten und in den Aussparungen des Trägers verlaufenden Verbinder 144 mit dem Busbar 130 der Solarzelle 102 leitend verbunden wird. Insoweit sind die Zeichnungen auch selbsterklärend.
Den 10–12 ist eine weitere Ausführungsform von Rückseitenkontaktsolarzellen 200, 202 zu entnehmen, bei denen die Durchgangsöffnungen 208, 210 ausschließlich in zwei Reihen angeordnet sind und die Metallisierung durch zu den die Durchgangsöffnungen 208, 210 durchsetzenden Durchkontaktierungen verlaufenden linienförmigen Fingern 204, 206 gebildet werden, die die die Durchkontaktierungen umgebenden Äquipotentiallinien im Wesentlichen senkrecht schneiden sollten.
Durch die Anordnung der Durchgangsöffnungen 208, 210 in zwei Reihen wird entsprechend die Anzahl der entlang der Rückseite verlaufenden Busbars auf zwei reduziert und somit die Verschaltung vereinfacht. Dabei können die Rückseitenkontaktsolarzellen 200, 202 entsprechend der Darstellung der 8 und 9 verschaltet werden, d.h. entsprechend der 11 durch einen Verbinder 232, der aus einem Querschenkel 240 und, entsprechend der Anzahl der Busbars, aus zwei senkrecht zu diesem verlaufenden Längsschenkeln 244 besteht, die entsprechend der zu den 8 und 9 erfolgten Erläuterungen in einem nicht dargestellten Träger, d.h. in Ausnehmungen von diesem eingebracht und sodann die Solarzellen 200, 202 in Serie verschalten.
Dabei ist die Solarzelle 202 zu dem der Solarzelle 200 zugeordneten Verbinder 232 derart positioniert, dass der Rückseiten- oder p-Kontakt und somit der entlang des oberen Randes der Solarzelle 202 verlaufende Busbar 230 den Querschenkel 240 des Verbinders 232 kontaktiert.
Nach 12 werden zwei parallel zueinander verlaufende Verbinder 244 benutzt, über die die Busbars 232 (n-Kontakt) der Solarzelle 200 mit dem Busbar 230 (p-Kontakt) der Solarzelle 202 verbunden werden.
Aus den 13, 14 ergibt sich eine weitere Verschaltungsmöglichkeit. So verlaufen parallel zu Busbars 250, 252 die die Durchkontaktierungen der Solarzellen 200, 202 verbindenden streifenförmige Busbars 254, 256 der Rückseitenkontakte, die entweder in entsprechende Aussparungen in der insbesondere aus Aluminium bestehenden Rückseitenschicht 216, 218 der Solarzellen 200, 202 verlaufen oder z.B. mittels Ultraschall auf die Aluminiumschicht aufgebracht sind. Um die n-Kontakte oder Busbars 250, 252, die mit den Durchkontaktierungen verbunden sind, der Solarzelle 200 mit den p-Kontakten oder Busbars 158, 160 des Rückseitenkontakts der Solarzelle 202 zu verbinden, werden Verbinder 262, 264 benutzt, die im Ausführungsbeispiel jeweils aus zwei versetzt zueinander verlaufenden Abschnitten 266, 268 bestehen, wobei der Abschnitt 266 im Ausführungsbeispiel gegenüber der Rückseitenschicht, also insbesondere der Aluminiumschicht 216 und der Abschnitt 268 gegenüber dem die Durchkontaktierungen verbindenden Busbar isoliert ist.
Es ergibt sich ein langgestreckter S- oder Z-förmiger Verlauf eines jeden Verbinders 262, 264.
Es besteht auch die Möglichkeit, Verbinder kammartiger Geometrie zu benutzen, die einen Querschenkel und zu beiden Seiten von diesem verlaufende Längsschenkel aufweisen, wobei die Längsschenkel einer Seite mit parallel verlaufenden ersten Busbars wie p-Kontakten einer ersten Solarzelle und die Längsschenkel der anderen Seite mit parallel verlaufenden zweiten Busbars wie n-Kontakten einer mit der ersten Solarzelle zu verschaltenden zweiten Solarzelle verbunden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5972732 A [0017]
US 5951786 A [0017]
DE 102005057468 A [0021]
WO 2010/027265 A [0026]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. W. Eikelboom et al. [0010]
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M. Späth, et al “Solder version of 8 inch back-contacted solar cells”, 15th PVSEC Shanghai, 2005, p.1003 [0013]
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Y. Meydbray, et al “Solder Joint degradation in high efficiency all back contact solar cells”, 22nd European PVSEC, Milano, 2007, p. 2561 [0013]
U. Eitner, et al “A modelling approach to the optimization of interconnects for back contact cells by thermomechanical simulations of photovoltaic modules”, 23rd European PVSEC, Valencia, 2008, p. 2815 [0013]
K. Nakamura, et al “Development of back contact Si solar cells and module in pilot production line”, 23rd European PVSEC, Valencia, 2008, p. 1006 [0013]
D. W. Eikelboom, et al “Conductive adhesives for interconnection of busbar-less emitter wrapthrough solar cells on a structured metal foil”, 17th PVSEC Fukuoka Japan, 2001, p.1547 [0015]
M. Späth, et al “A novel module assembly line using back-contact solar cells”, 23rd European PVSEC, Valencia, 2008, p. 2917 [0016]

Claims

Solarzellenmodul und Verfahren zum Verschalten von Solarzellen Solarzellenmodul (10) umfassend auf einem Träger (14) angeordnete Solarzellen (12, 13, 15), die mittels Verbinder (24, 26) verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (14) Aussparungen (22) aufweist, innerhalb der die Verbinder (24, 26) zumindest abschnittsweise verlaufen, und dass die Solarzellen außerhalb der Aussparungen flächig oder im Wesentlichen flächig auf dem Träger oder einer auf dem Träger verlaufenden Schicht angeordnet sind.
Solarzellenmodul (10) nach Anspruch 1, wobei Solarzellen (12, 13, 15) in Verschaltungspunkten (42) mittels elektrischer Verbinder (24, 26) verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbinder (24, 26) in den Aussparungen (22) außerhalb der Verschaltungspunkte (42) gegeneinander und gegenüber dem Träger elektrisch isoliert angeordnet sind.
Solarzellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (14) aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus zumindest einem Material aus der Gruppe Zellstoff, Altpapier wie Pappe oder Karton, Kunststoffschaum, Keramik, Glas, Glasschaum oder einer Kombination wie Leiterplatte von zumindest zwei der Materialien hergestellt ist.
Solarzellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (14) aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus Metallschaum besteht, vorzugsweise aus einem aus Aluminium-, Zink- oder Kupferschaum, wobei ggfls. Magnesium zulegiert ist.
Solarzellenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Solarzellen (12, 13, 15) und dem Träger (14) eine elektrisch isolierende Schicht verläuft, die aus einem aus der Oberfläche des Trägers ausgebildeten Oxidschicht oder einer auf die Oberfläche aufgetragenen Oxidschicht oder aus einer aus Kunststoff bestehenden Schicht besteht oder aufgesprühte Glasschicht wie Phosphor-Glasschicht.
Solarzellenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Träger (14) und den Solarzellen (12, 13, 15) eine elektrisch isolierende Schicht verläuft, die Öffnungen aufweist, in denen die Solarzellen mit dem Träger verbindendes Haftmaterial wie Silikonkleber vorhanden ist, oder dass auf der Schicht die Solarzellen mit dem Träger verbindendes Haftmaterial vorhanden ist.
Solarzellenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Aussparung wie Längsaussparung (22) gegeneinander und gegenüber dem Träger (14) elektrisch isolierte erste und zweite Verbinder (24, 26) verlaufen, wobei die ersten Verbinder (24) mit ersten Kontakten von entlang der Aussparung verlaufenden Solarzellen (12, 13, 15) und die zweiten Verbinder (26) mit zweiten Kontakten (16, 18) der Solarzellen verbunden sind, und dass die in der Aussparung verlaufenden ersten und zweiten Verbinder in den Verschaltungspunkten (42) elektrisch leitend verbunden sind.
Solarzellenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Verbinder (24, 26) in der Aussparung wie Längsaussparung (22) zumindest abschnittsweise nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sind.
Solarzellenmodul nach zumindest Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungselemente von ersten Kontakten (16, 18) der Solarzellen (12, 13, 15) mit dem bei übereinander angeordneten ersten und zweiten Verbindern (24, 26) unteren zweiten Verbinder (24) verbunden sind und den ersten Verbinder (24) durchsetzen, der in jeweiligem Durchstoßpunkt (62) des Verbindungselements im Vergleich zum angrenzenden Bereich flächenmäßig erweitert ist.
Solarzellenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Träger (14) Aufnahmen für elektrische Komponenten wie mit den Solarzellen (12, 13, 15) verschaltete Bypass-Dioden und/oder Bauelemente wie Kontaktdose oder Kontaktbuchsen und/oder Kühlkanal ausgebildet sind.
Solarzellenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (12, 13, 15) über in einem Randbereich des Trägers verlaufende Querverbinder verschaltet sind.
Solarzellenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeweils gegenüberliegenden Randbereichen (56, 58) der Solarzellen (12, 13, 15) von Frontseitenkontakten (16, 18) Verbindungselemente ausgehen, die mit einem ersten oder zweiten Verbinder (24, 26) verbunden sind, wobei die Verbindungselemente außerhalb der Solarzelle verlaufen oder Durchgangsöffnungen der Solarzelle durchsetzen.
Verfahren zum Verschalten von erste und zweite Kontakte aufweisenden Solarzellen zu einem Modul, wobei die Solarzellen mit den Rückseiten auf einem Träger angeordnet werden, der erste und zweite elektrische Verbinder aufweist, über die die Solarzellen mit ihren ersten und zweiten Kontakten verschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Träger Aussparungen ausgebildet werden, dass in die Aussparungen die Verbinder eingebracht werden, die gegenüber dem Träger elektrisch isoliert sind oder werden, dass die Solarzellen auf den Träger gelegt werden und dass sodann die ersten und zweiten Kontakte mit den Verbindern verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger ein aus elektrisch isolierendem Material oder zumindest einem Material aus der Gruppe Zellstoff, Altpapier wie Pappe oder Karton, Kunststoffschaum, Keramik, Glas, Glasschaum oder einer Kombination von zumindest zwei der Materialien oder ein aus elektrisch leitendem Material wie aus Metallschaum bestehender Träger verwendet wird, in dem zumindest die Aussparung bei der Herstellung oder nach der Herstellung durch z. B. mechanisches Bearbeiten wie Fräsen oder plastisches Verformen z. B. mittels erwärmter Stempel ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Träger ein oder mehrere Funktionsbereiche wie Kühlkanäle, Aufnahme für Bypass-Dioden, Kontaktdose, Kontaktbuchsen oder Befestigungsöffnungen ausgebildet werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Solarzellen und dem Träger eine Isolierschicht aus Oxid oder eine ggfs. ein isolierendes Gewebe oder Vlies aufweisende Isolierschicht aus Kunststoff angeordnet wird, wobei die Solarzellen mit der Isolierschicht oder mit dem Träger über Durchbrechungen in der Isolierschicht durchsetzende Klebemittel wie Silikonkleber verbunden werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Verbinder als Halbzeug in die Längsaussparung eingebracht werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Verbinder neben- oder übereinander in einer Aussparung angeordnet werden, wobei bei übereinander angeordneten ersten und zweiten Verbindern oberer Verbinder vorzugsweise abgeflachte Abschnitte aufweist, die von zu ersten oder zweiten Kontakten führenden und mit dem unteren Verbinder verbundenen oder zu verbindenden Verbindungselementen durchsetzt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Träger Aussparungen kammartiger Geometrie mit Querschenkeln und senkrecht zu diesen verlaufenden Längsschenkeln ausgebildet werden, dass in die kammartigen Aussparungen geometrisch angepasste eine kammartige Geometrie aufweisende Verbinder (132, 134) angeordnet werden, dass zum Verschalten von aufeinanderfolgenden Rückseitenkontaktsolarzellen auf die in den Längsschenkeln der Aussparungen verlaufenden Verbinderabschnitte Durchkontaktierungen der Solarzellen oder diese verbindende Busbars (124, 126) ausgerichtet werden und dass auf den Querschenkel des Verbinders Rückseitenkontakt einer mit der ersten Solarzelle (100) zu verschaltenden zweite Solarzellen (102) verbunden wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschalten von einer ersten und einer zweiten Rückseitenkontaktsolarzelle (200, 202) diese über einen versetzt zueinander verlaufende Abschnitte (266, 268) aufweisenden Verbinder (262) verbunden werden, wobei ein erster Abschnitt mit einem n-Kontakt der ersten Solarzelle und verbleibender Abschnitt mit einem p-Kontakt der zweiten Solarzelle verbunden wird oder umgekehrt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite Solarzelle über einen eine kammartige Geometrie aufweisenden Verbinder verschaltet werden, der einen Querschenkel mit zu beiden Seiten von diesem verlaufende Längsschenkel aufweist, wobei die Längsschenkel einer Seite mit parallel zueinander verlaufenden n-Kontakten der ersten Solarzelle und die Längsschenkel der anderen Seite mit parallel zueinander verlaufenden p-Kontakten der zweiten Solarzelle verbunden werden oder umgekehrt.