DE102011056843A1

DE102011056843A1 - Verfahren zur Stabilisierung eines Wirkungsgrades von Siliziumsolarzellen

Info

Publication number: DE102011056843A1
Application number: DE102011056843A
Authority: DE
Inventors: Jörg Isenberg; Andreas Teppe
Original assignee: Centrotherm Photovoltaics AG
Current assignee: Centrotherm Photovoltaics AG
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-27
Also published as: WO2013093604A1

Abstract

Verfahren zur Stabilisierung eines Wirkungsgrades wenigstens einer Siliziumsolarzelle (50) aufweisend folgende Schritte: Halten (16) einer Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) während einer Stabilisierungszeit in einem Temperaturbereich mit einer Temperaturuntergrenze von 50 °C, Erzeugen (18) von Überschussminoritätsladungsträgern in der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) während der Stabilisierungszeit durch Beaufschlagen (18) der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) mit einem elektrischen Strom, Einlaminieren (14) der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) in ein Schutzmaterial (52, 64), wobei das Halten (16) der Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) in dem Temperaturbereich und das Beaufschlagen (18) der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) mit dem elektrischen Strom während des Verfahrensschrittes des Einlaminierens (14) erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines Wirkungsgrades einer Siliziumsolarzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen kann in den ersten Stunden oder Tagen, während welche sie beleuchtet werden, abfallen. Diese Wirkungsgradverschlechterung wird als Degradation bezeichnet. Das Ausmaß der Degradation und deren zeitlicher Verlauf ist von den Eigenschaften des eingesetzten Siliziummaterials abhängig, insbesondere von dessen Bor- und Sauerstoffgehalt. Zurückgeführt wird die Degradation auf die Bildung von Bor-Sauerstoff-Komplexen. Die beschriebene Degradation tritt daher insbesondere bei Solarzellen auf, bei welchen nach dem Czochralski-Verfahren hergestelltes, Bor-dotiertes Silizium (Cz-Silizium) als Ausgangsmaterial verwendet wird. Die beschriebene Degradation kann bei Verwendung von Cz-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 1 bis 3 Ohmcm eine Wirkungsgradverschlechterung von typischerweise absolut 0,5 % bewirken. Daher wurde bislang regelmäßig auf den Einsatz dieses ansonsten vorteilhaften Materials mit einem spezifischen Widerstand von 1 bis 3 Ohmcm verzichtet und auf Cz-Silizium mit einer geringeren Bor-Dotierung zurückgegriffen, bei welcher die Degradation weniger stark ausfällt.
Die beschriebene Degradation unter Beleuchtung ist ein reversibler Prozess. Sie kann rückgängig gemacht werden durch eine Temperaturbehandlung der Solarzelle in einer dunklen Umgebung, was üblicherweise als „anneal“ bezeichnet wird. Sobald die Solarzelle nach einem solchen anneal wieder beleuchtet wird, degradiert sie erneut. Aus WO 2007/107351 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit welchem der Wirkungsgrad von Solarzellen, insbesondere von Solarzellen aus Cz-Silizium, stabilisiert werden kann. Dieses sieht im Wesentlichen eine Temperaturbehandlung mit einer Temperatur zwischen 50 °C und 230 °C und eine gleichzeitige Erzeugung von Minoritätsüberschussladungsträgern in der Siliziumsolarzelle vor. Da mittels dieses Verfahrens der Wirkungsgrad degradierter Solarzellen zudem zumindest teilweise wieder regeneriert werden kann, wird es häufig auch als Regenerations-Verfahren bezeichnet. Nach Anwendung des in Rede stehenden Stabilisierungsverfahrens zeigen die Siliziumsolarzellen im gewöhnlichen Betrieb nach derzeitigem Kenntnisstand keine Degradationseffekte mehr.
WO 2007/107351 A1 lehrt, dieses Verfahren nach dem letzten Hochtemperaturschritt der Solarzellenherstellung anzuwenden oder nach Verkapselung der gefertigten Siliziumsolarzellen in einem Solarzellenmodul, das heißt, nach erfolgtem Einlaminieren der Siliziumsolarzellen in das Schutzmaterial des Solarzellenmoduls. Im erstgenannten Fall wird jede Siliziumsolarzelle einzeln stabilisiert. Dies bedingt eine aufwändige Kontaktierung oder Beleuchtung jeder einzelnen Solarzelle mit gleichzeitiger Temperaturbehandlung. Im zweitgenannten Fall der Stabilisierung fertiger Solarzellenmodule kann zumindest das gesamte Solarzellenmodul beleuchtet oder mit Strom beaufschlagt werden, um die Überschussminoritätsladungsträger zu erzeugen. Allerdings müssen die großflächigen Solarzellenmodule auf die für die Stabilisierung erforderliche Temperatur erwärmt werden, was einen erheblichen Mehraufwand darstellt. In Fertigungslinien ist auch ein apparativer Mehraufwand erforderlich, da zusätzliche Vorrichtungen zur Erwärmung der fertigen Solarzellenmodule vorgesehen werden müssen.
WO 2010/145649 A2 lehrt, zur Reduktion des für die Stabilisierung der Siliziumsolarzellen erforderlichen Aufwands mehrere Siliziumsolarzellen aufeinander zu stapeln, den kompletten Stapel in einer geeigneten Vorrichtung auf einer geeigneten Temperatur zu halten und währenddessen mit einem Strom zu beaufschlagen, um Überschussminoritätsladungsträger zu erzeugen. Nach der Stabilisierung werden die Siliziumsolarzellen des Stapels wieder vereinzelt, charakterisiert und entsprechend ihrer Kenndaten sortiert. Gegenüber einer Stabilisierung jeder einzelnen Siliziumsolarzelle stellt dies eine Aufwandsreduktion dar. Es bedarf jedoch zusätzlicher Vorrichtungen zum Erwärmen der Solarzellenstapel.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein aufwandsgünstiges Verfahren zur Stabilisierung eines Wirkungsgrades von Siliziumsolarzellen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stabilisierung eines Wirkungsgrades wenigstens einer Siliziumsolarzelle sieht vor, eine Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle während einer Stabilisierungszeit in einem Temperaturbereich mit einer Temperaturuntergrenze von 50 °C zu halten. Die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle beträgt während der Stabilisierungszeit somit stets mindestens 50 °C. Während der Stabilisierungszeit wird die wenigstens eine Siliziumsolarzelle mit einem elektrischen Strom beaufschlagt und in dieser Weise werden während der Stabilisierungszeit Überschussminoritätsladungsträger in der wenigstens einen Siliziumsolarzelle erzeugt. Zudem wird die wenigstens eine Siliziumsolarzelle in ein Schutzmaterial einlaminiert. Das Halten der Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle in dem genannten Temperaturbereich und das Beaufschlagen der wenigstens einen Siliziumsolarzelle mit dem elektrischen Strom erfolgen dabei während des Verfahrensschrittes des Einlaminierens.
Bei der Stabilisierungszeit handelt es sich nicht notwendigerweise um einen zusammenhängenden Zeitraum. Grundsätzlich kann die Stabilisierungszeit durch Phasen unterbrochen sein, in welchen die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle außerhalb des genannten Temperaturbereichs liegt. Vorzugsweise wird die Stabilisierungszeit jedoch als zusammenhängender Zeitraum realisiert.
Der Begriff des Einlaminierens der wenigstens einen Siliziumsolarzelle bezeichnet im vorliegenden Sinne eine Einkapselung der wenigstens einen Siliziumsolarzelle in Schutzmaterial unter Wärmeeinwirkung. Unter dieser Wärmeeinwirkung wird zumindest ein Teil des Schutzmaterials mit anderen Schutzmaterialbestandteilen oder der wenigstens einen Siliziumsolarzelle verbunden. Das Einlaminieren stellt die heute übliche Technologie zur Herstellung von Solarzellenmodulen dar und ist die derzeit übliche Technologie zur Einkapselung von Solarzellen. Vorzugsweise wird die wenigstens eine Siliziumsolarzelle in ein Kunstharz einlaminiert, beispielsweise in Ethylenvinylacetat (EVA). Hierbei können alle geeigneten, an sich bekannten Technologien der Einlaminierung Verwendung finden.
Mittels des beschriebenen Verfahrens kann der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen stabilisiert werden, welche aus einem Siliziummaterial mit einer Bor-Volumendotierung hergestellt sind. Hierbei kann es sich insbesondere um monokristalline Siliziumsolarzellen und vorzugsweise um aus Cz-Silizium gefertigte Solarzellen handeln.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Stabilisierung des Wirkungsgrads der wenigstens einen Siliziumsolarzelle zeitgleich mit dem Einlaminieren der wenigstens einen Siliziumsolarzelle erfolgen. Da bei dem Einlaminieren der wenigstens einen Siliziumsolarzelle diese ohnehin erwärmt und über eine gewisse Zeit auf Temperaturen über 50 °C gehalten wird, kann diese Wärmezufuhr beim Einlaminieren in vorteilhafter Weise für das Stabilisieren des Wirkungsgrades genutzt werden. Der bislang übliche zusätzliche Heizschritt für die Stabilisierung des Wirkungsgrades kann somit entfallen. Zudem können für das Einlaminieren verwendete Laminationsvorrichtungen, sogenannte Laminatoren, dazu verwendet werden, die wenigstens eine Siliziumsolarzelle zum Zwecke der Stabilisierung ihres Wirkungsgrades in dem gewünschten Temperaturbereich zu halten. In einer Fertigungslinie bedarf es somit hierfür keiner zusätzlicher Vorrichtungen mehr, was den für die Wirkungsgradstabilisierung der Siliziumsolarzellen erforderlichen Aufwand weiter verringert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine aufwandsgünstige Stabilisierung des Wirkungsgrades von Siliziumsolarzellen. Zudem erfolgt die Stabilisierung, und damit gegebenenfalls eine Regeneration des Wirkungsgrades, während des letzten Hochtemperaturschrittes der Solarzellenmodulherstellung. Nach dem Einlaminieren der Siliziumsolarzellen werden diese keiner Temperatur von über 100 °C mehr ausgesetzt, sodass keine Gefahr besteht, die Stabilisierung oder Regeneration durch einen anneal-Vorgang wieder zu zerstören.
Zum Zwecke der Beaufschlagung der wenigstens einen Siliziumsolarzelle mit dem elektrischem Strom kann eine elektrische Spannung an die wenigstens eine Siliziumsolarzelle angelegt werden. Die Polarität der angelegten elektrischen Spannung wird dabei derart gewählt, dass die wenigstens eine Solarzelle in Durchlassrichtung beschalten ist. Auf diese Weise können in der wenigstens einen Siliziumsolarzelle komfortabel und aufwandsgünstig Überschussminoritätsladungsträger erzeugt werden.
Vorzugsweise wird die wenigstens eine Solarzelle während der gesamten Stabilisierungszeit mit elektrischem Strom beaufschlagt. Dies ermöglicht eine Stabilisierung des Wirkungsgrades auf möglichst hohem Niveau in einer möglichst kurzen Stabilisierungszeit.
In der Praxis hat es sich bewährt, die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle während der Stabilisierungszeit in einem Temperaturbereich von 50 °C bis 230 °C zu halten. Bei höheren Temperaturen erfolgt häufig ein anneal, sodass die Degradation des Wirkungsgrades ausgeheilt wird und sich dieser auf dem Niveau vor seiner Degradation befindet. Wie oben dargelegt wurde, ist dieser Zustand jedoch nicht beleuchtungsstabil. Es gibt jedoch auch erste Ansätze für eine Stabilisierung beziehungsweise Regeneration des Wirkungsgrades bei höheren Temperaturen (siehe WO 2011/027045 A1 ). Diese Ansätze sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kompatibel.
In der Praxis hat es sich bewährt, während der Stabilisierungszeit eine Temperatur des Schutzmaterials und die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle in einem Temperaturbereich von 120 °C bis 200 °C zu halten. Besonders bewährt hat sich eine Temperatur von 150 °C. Zu diesem Zweck können in einer Laminationsvorrichtung, in welcher das Einlaminieren der wenigstens einen Siliziumsolarzelle erfolgt, Temperaturen im Bereich von 120 °C bis 200 °C, vorzugsweise von 150 °C, erzeugt werden. Die Wahl des Temperaturbereichs von 120 °C bis 200 °C hat sich unter anderem deswegen bewährt, da bei üblicherweise eingesetzten Schutzmaterialien, insbesondere bei EVA, eine Schädigung des Schutzmaterials erst über 200 °C einsetzt. Zudem sind die üblicherweise eingesetzten Schutzmaterialien, insbesondere EVA, bei Temperaturen ab 120 °C hinreichend schnell schmelzbar oder zumindest anschmelzbar, sodass ein zügiges Einlaminieren der wenigstens einen Siliziumsolarzelle möglich ist. Besonders bewährt hat sich in diesem Zusammenhang die genannte Temperatur von 150 °C.
Vorteilhafterweise wird eine Stabilisierungszeit im Bereich von 5 Minuten bis 30 Minuten gewählt. Welche Stabilisierungszeit zu wählen ist, um den Wirkungsgrad der wenigstens einen Siliziumsolarzelle auf möglichst hohem Niveau zu stabilisieren, hängt von den Eigenschaften des im Einzelfall verwendeten Siliziummaterials sowie dem im Einzelfall für die Fertigung der Solarzelle verwendeten Herstellungsverfahren ab. Der genannte Bereich von 5 Minuten bis 30 Minuten hat sich für eine Vielfalt von Siliziumsolarzellen bewährt.
Sofern Stabilisierungszeiten über 15 Minuten erforderlich sind, können bei dem Einlaminieren Schutzmaterialien eingesetzt werden, welche während des Einlaminierens langsamer vernetzen. Beispielsweise kann mit Vernetzungsverstärkern, insbesondere mit Triallylcyanurat, versehenes EVA eingesetzt werden. Auf diese Weise können Nachteile, die beim Einlaminieren aufgrund der vergleichsweise langen Stabilisierungszeit entstehen könnten, vermieden werden. Allerdings ergibt sich gleichzeitig eine verlängerte Fertigungszeit für das stabilisierte Solarzellenmodul. Alternativ kann zur Vermeidung einer verlängerten Fertigungszeit des Solarzellenmoduls eine kürzere Stabilisierungszeit vorgesehen und während dieser kürzeren Stabilisierungszeit der Wirkungsgrad der wenigstens einen Solarzelle nur teilweise stabilisiert werden. In diesem Fall würde der Wirkungsgrad der wenigstens einen Solarzelle unter Beleuchtung zwar degradieren, jedoch im geringerem Umfang als bei einem vollständigen Verzicht auf eine Stabilisierung des Wirkungsgrades. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass in Folge der kürzeren Stabilisierungszeit nur eine geringere Zahl von Defekten stabilisiert werden kann. Es ergäbe sich demzufolge eine lediglich teilweise und damit nicht optimale Stabilisierung des Wirkungsgrades, doch würde eine Verlängerung der Fertigungszeit vermieden. Welche der geschilderten Vorgehensweisen die wirtschaftlichere ist, hängt vom jeweiligen Einzelfall ab.
In der Praxis hat es sich besonders bewährt, eine Stabilisierungszeit im Bereich von 10 Minuten bis 20 Minuten, vorzugsweise von 15 Minuten, zu wählen.
Bei einer Verfahrensvariante wird während eines Vernetzungszeitraumes die Temperatur des Schutzmaterials innerhalb eines Vernetzungstemperaturbereichs gehalten. Der Vernetzungszeitraum stellt dabei einen Teil der Stabilisierungszeit dar. Unter einem Vernetzungstemperaturbereich ist ein Temperaturbereich zu verstehen, innerhalb welchem das Schutzmaterial schmelzbar oder zumindest anschmelzbar ist und vernetzt werden kann, sodass ein Einlaminieren der wenigstens einen Siliziumsolarzelle in das Schutzmaterial erfolgen kann. Während der übrigen Stabilisierungszeit wird die Temperatur des Schutzmaterials und die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle unterhalb einer Temperaturuntergrenze des Vernetzungstemperaturbereichs gehalten. Auf diese Weise kann die Stabilisierungszeit optimiert werden, ohne dass Nachteile dadurch entstehen, dass das Schutzmaterial zu lange auf einer Temperatur innerhalb des Vernetzungstemperaturbereichs verweilt. Auf einen Einsatz von speziellen, langsam vernetzenden Schutzmaterialien kann somit verzichtet werden und die Stabilisierungszeit kann grundsätzlich beliebig lange gewählt werden. Bei dem Vernetzungszeitraum handelt es sich nicht notwendigerweise um eine zusammenhängenden Zeitraum. Grundsätzlich kann er von Phasen unterbrochen sein, in welchen die Temperatur des Schutzmaterials außerhalb des Vernetzungstemperaturbereichs liegt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Vernetzungszeitraum jedoch um einen zusammenhängenden Zeitraum.
Bei der beschriebenen Verfahrensvariante wird als Vernetzungstemperaturbereich vorzugsweise ein Temperaturbereich mit einer Temperaturuntergrenze von 120 °C und einer Temperaturobergrenze von 200 °C gewählt. Besonders bevorzugt wird ein Vernetzungstemperaturbereich mit einer Temperaturuntergrenze von 120 °C und einer Temperaturobergrenze von 150 °C gewählt. Der Vernetzungszeitraum erstreckt sich beispielsweise über 5 bis 30 Minuten, vorzugsweise über 10 bis 20 Minuten und besonders bevorzugt über 15 Minuten.
Eine Weiterentwicklung sieht vor, dass mehrere Siliziumsolarzellen vor dem Einlaminieren elektrisch leitend miteinander zu einem Solarzellenverbund verbunden werden. Des Weiteren werden die mehreren Siliziumsolarzellen des Solarzellenverbundes während des Einlaminierens mit dem elektrischen Strom beaufschlagt, indem der Solarzellenverbund als Einheit mit einem elektrischen Gesamtstrom beaufschlagt wird. Dass der Solarzellenverbund als Einheit mit einem elektrischen Gesamtstrom beaufschlagt wird, ist dahingehend zu verstehen, dass nicht die einzelnen Siliziumsolarzellen des Solarzellenverbundes einzeln mit einer Stromquelle verbunden und jeweils mit dem elektrischen Strom beaufschlagt werden. Stattdessen wird der Solarzellenverbund als Ganzes mit einer Stromquelle verbunden und mit dem Gesamtstrom beaufschlagt. Je nachdem, auf welche Art die mehreren Solarzellen des Solarzellenverbundes elektrisch miteinander verbunden sind, kann der elektrische Gesamtstrom betragsmäßig von dem elektrischen Strom, mit welchem einzelne Solarzellen des Solarzellenverbundes beaufschlagt werden, abweichen oder übereinstimmen.
Bei der Fertigung größerer Solarzellenmodule hat es sich bewährt, den Solarzellenverbund zu bilden aus einer Kette in Reihe geschalteter Siliziumsolarzellen dieses Solarzellenmoduls. Solch eine Kette wird teilweise auch als string bezeichnet. Jede solche Kette bildet in diesem Fall einen eigenen Solarzellenverbund. Um die Siliziumsolarzellen jeder Kette mit dem elektrischen Strom zu beaufschlagen, wäre somit jede Kette zu kontaktieren. Grundsätzlich kann ein Solarzellenverbund jedoch auch aus zum Teil parallel geschalteten Siliziumsolarzellen oder aus ausschließlich parallel geschalteten Siliziumsolarzellen bestehen.
Vorzugsweise werden die elektrisch leitend miteinander verbundenen, mehreren Siliziumsolarzellen des Solarzellenverbundes in einer Ebene nebeneinander angeordnet und in dieser Anordnung in dem Temperaturbereich gehalten und mit dem elektrischen Gesamtstrom beaufschlagt. Dies ermöglicht eine komfortable Verknüpfung des Stabilisieren der Wirkungsgrade der mehreren Siliziumsolarzellen mit dem Einlaminieren der mehreren Siliziumsolarzellen.
Vorteilhafterweise werden alle Siliziumsolarzellen eines Solarzellenmoduls miteinander elektrisch leitend zu dem Solarzellenverbund verbunden. Auf diese Weise ist eine Kontaktierung des Solarzellenmoduls und Beaufschlagung des gebildeten Solarzellenverbundes mit dem elektrischen Gesamtstrom ausreichend, um alle Siliziumsolarzellen des Solarzellenmoduls mit dem für die Stabilisierung erforderlichen elektrischen Strom zu beaufschlagen. Die Stabilisierung der Wirkungsgrade der Solarzellen des Solarzellenmoduls sowie die Fertigung des Solarzellenmoduls können auf diese Weise komfortabler miteinander verknüpft werden. Alle Siliziumsolarzellen des Solarzellenmoduls können in Reihe elektrisch leitend miteinander verbunden werden, also in Serie geschaltet werden. Es sind jedoch auch andere Verbindungsarten möglich. Wie bereits dargelegt wurde, besteht ein Vorteil des Verbindens mehrerer Siliziumsolarzellen zu einem Solarzellenverbund darin, dass nur ein Solarzellenverbund oder mehrere Solarzellenverbünde kontaktiert zu werden brauchen anstatt jeder einzelnen Siliziumsolarzelle. Zudem ist eine geringere Zahl von Strom- oder Spannungsquellen beziehungsweise ein geringerer Verkabelungsaufwand erforderlich als bei einer Kontaktierung jeder einzelnen Siliziumsolarzelle. Hierdurch verringert sich der apparative Aufwand für die Durchführung des Verfahrens. Werden alle Siliziumsolarzellen eines Solarzellenmoduls miteinander elektrisch leitend zu dem Solarzellenverbund verbunden, so ist eine einzige Stromquelle ausreichend.
Bei einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird während des Einlaminieren ein degradierter Wirkungsgrad der wenigstens einen Siliziumsolarzelle nur teilweise regeneriert, vorzugsweise zu maximal 75 % und besonders bevorzugt zu maximal 50 %. In Fällen, in welchen eine optimale Regeneration beziehungsweise Stabilisierung des Wirkungsgrads der wenigstens einen Siliziumsolarzelle aus wirtschaftlichen oder anderen Gründen nicht sinnvoll erscheint, kann auf diese Weise mit einem minimalen Mehraufwand in der Verfahrensführung und einem minimalen apparativen Mehraufwand, der im Wesentlichen in einer Stromquelle besteht, eine beleuchtungsstabile Wirkungsgradsteigerung der wenigstens einen Siliziumsolarzelle realisiert werden. Dies ermöglicht wiederum eine Reduktion des Verhältnisses von Kosten eines gefertigten Solarzellenmoduls zu dessen Leistung.
Die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle kann gesteuert werden mittels des elektrischen Stromes, mit welchem sie beaufschlagt wird. Vorzugsweise wird die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle mittels des elektrischen Stromes, mit welchem sie beaufschlagt wird, geregelt. In beiden Fällen hat der Betrag des elektrischen Stromes in einem Bereich zu verbleiben, in welchem eine Stabilisierung, beziehungsweise Regeneration, des Wirkungsgrades möglich ist.
Alternativ oder ergänzend kann die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle gesteuert werden durch Steuern einer Heizleistung einer zum Einlaminieren verwendeten Laminationsvorrichtung, welche eine Heizeinrichtung aufweist. Besonders bevorzugt wird die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle geregelt durch Regeln der Heizleistung der zum Einlaminieren verwendeten und die Heizeinrichtung aufweisenden Laminationsvorrichtung.
Wird die wenigstens eine Siliziumsolarzelle mit dem elektrischen Strom beaufschlagt, so führt dies zu einer Erwärmung der wenigstens einen Siliziumsolarzelle. Es ist daher denkbar, die wenigstens eine Siliziumsolarzelle ausschließlich durch die Beaufschlagung mit dem elektrischen Strom zu erwärmen und in dem gewünschten Temperaturbereich zu halten. Die für das Einlaminieren der wenigstens einen Siliziumsolarzelle erforderliche Wärmemenge muss bei dieser Ausführungsvariante ebenfalls durch die Beaufschlagung der wenigstens einen Solarzelle mit dem elektrischen Strom bereit gestellt werden. Ob dies im jeweiligen Einzelfall in hinreichend homogener Weise möglich ist, hängt unter anderem von der Gestaltung des Solarzellenmoduls, den Eigenschaften der Siliziumsolarzellen und dem Aufbau der Laminationsvorrichtung ab. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, für das Erwärmen der wenigstens einen Siliziumsolarzelle und deren Halten in dem gewünschten Temperaturbereich zusätzlich eine externe Heizeinrichtung einzusetzen. Bevorzugt findet hierbei eine Heizeinrichtung der für das Einlaminieren der wenigstens einen Siliziumsolarzelle verwendeten Laminationsvorrichtung Verwendung.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Soweit zweckdienlich, sind hierin gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt – auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Die bisherige Beschreibung wie auch die nachfolgende Figurenbeschreibung enthalten zahlreiche Merkmale, die in den abhängigen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wie auch alle übrigen oben und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung offenbarten Merkmale wird der Fachmann jedoch auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfügen. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem Verfahren des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Es zeigen:
1 Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
2 Aufsicht auf eine schematische Darstellung eines Solarzellenverbundes vor dessen Einbringen in eine Laminationsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1
3 Schematische Schnittdarstellung durch eine Laminationsvorrichtung während des Einlaminierens des Solarzellenverbundes aus 2, Halten des Solarzellenverbundes auf 150 °C und Beaufschlagen des Solarzellenverbundes mit elektrischem Gesamtstrom
4 Schematische Darstellung eines Teilaspekts eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 illustriert in einer Prinzipdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Detaildarstellungen einzelner Aspekte dieses Ausführungsbeispiels finden sich in den 2 und 3. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 werden alle Siliziumsolarzellen 50 eines Solarzellenmoduls elektrisch leitend miteinander zu einem Solarzellenverbund 59 verbunden 10. Dieser Solarzellenverbund 59 ist in einer Aufsicht schematisch in 2 dargestellt. Wie 2 entnommen werden kann, sind die einzelnen Siliziumsolarzellen 50 des Solarzellenverbundes 59 mittels Längsverbindern 54a, 54b und Querverbindern 56, 58 in Reihe geschaltet. Der Solarzellenverbund 59 besteht somit aus einer Kette in Reihe geschalteter Siliziumsolarzellen 50. Um den Solarzellenverbund 59 von außen kontaktieren zu können, sind Außenkontakte 60a, 60b vorgesehen, welche mit den Querverbindern 58 elektrisch leitend verbunden sind. Die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen Siliziumsolarzellen 50, Längsverbindern 54a, 54b, Querverbindern 56, 58 und den Außenkontakten 60a, 60b können insbesondere durch Lötverbindungen realisiert werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Solarzellenverbund 59 gemäß 1 in eine Laminationsvorrichtung 70 eingebracht 12. Um diesen Verfahrensschritt zu erleichtern, werden während des Verbindens 10 der Siliziumsolarzellen 50 zu einem Solarzellenverbund 59 die Siliziumsolarzellen 50, wie in 2 dargestellt, in einer Ebene nebeneinander auf einer ersten Laminatfolie 52 angeordnet.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Laminationsvorrichtung 70, in welche der Solarzellenverbund 59 aus 2 eingebracht ist. Wie 3 zu entnehmen ist, wurde die erste Laminatfolie 52 mit dem darauf angeordneten Solarzellenverbund vor oder bei dem Einbringen 12 des Solarzellenverbundes 59 in die Laminationsvorrichtung 70 auf einer Glasscheibe 62 angeordnet. Ferner wurde vor, bei oder nach dem Einbringen 12 des Solarzellenverbundes 59 in die Laminationsvorrichtung 70 eine zweite Laminatfolie 64 auf dem Solarzellenverbund 59 angeordnet. Ferner wurde auf der zweiten Laminatfolie 64 eine Schutzfolie 66 angeordnet. Die exakte Zusammensetzung eines den Solarzellenverbund 59 sowie die erste Laminatfolie 52 enthaltenen Schichtstapels ist grundsätzlich vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig. Beispielsweise kann auf die Glasscheibe 62 verzichtet werden oder diese als oberer anstatt eines unteren Abschlusses des Schichtstapels vorgesehen werden. Auch kann auf die Schutzfolie 66 bei Bedarf verzichtet oder diese durch eine weitere Glasscheibe ersetzt werden, sodass als oberer wie auch als unterer Abschluss des Schichtstapels eine Glasscheibe vorliegt. Daneben können weitere Schichten vorgesehen werden, welche während eines nachfolgenden Einlaminierens 14 des Solarzellenverbundes 59 in die erste 52 und zweite Laminatfolie 54 mit dem resultierenden Laminat verbunden werden.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in der Darstellung der 3 der besseren Übersichtlichkeit halber auf eine Darstellung des Querverbinders 56 verzichtet wurde.
Die Laminationsvorrichtung 70 weist eine Heizeinrichtung 72 auf, welche schematisch durch Heizstäbe angedeutet ist. Grundsätzlich kann jedoch jede an sich bekannte und üblicherweise in Laminationsvorrichtungen eingesetzte Heizeinrichtung Verwendung finden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 werden die Siliziumsolarzellen 50 des Solarzellenverbundes 59 mittels der Heizeinrichtung 72 auf eine Temperatur von 150 °C erwärmt und während einer Stabilisierungszeit von 15 Minuten auf dieser Temperatur gehalten 16. Dabei werden auch die erste 52 und zweite Laminatfolie 64, bei welchen es sich beispielsweise um EVA-Folien handeln kann, auf 150 °C erwärmt und auf dieser Temperatur gehalten. Das Erwärmen und Halten 14 des Solarzellenverbundes 59, genauer der Siliziumsolarzellen 50, auf 150 °C wird mittels einer Steuer- und Regelvorrichtung 80 realisiert. Zu diesem Zweck ist die Steuer- und Regelvorrichtung 80 über eine Messleitung 75 mit einem in der Laminationsvorrichtung 70 angeordneten Temperatursensor 74 verbunden. Ferner ist sie über eine Steuerleitung 73 mit der Heizeinrichtung 72 verbunden.
Das Halten 16 der Siliziumsolarzellen 50 des Solarzellenverbundes 59 auf 150 °C erfolgt während des für die Fertigung eines Solarzellenmoduls ohnehin erforderlichen Einlaminierens 14 des Solarzellenverbundes 59. Das beschriebene Erwärmen des Solarezellenverbundes 59 auf 150 °C und das Halten 16 des Solarzellenverbundes 59 auf 150 °C wird somit in aufwandsgünstiger Weise zeitgleich zum Einlaminieren des Solarzellenverbundes 14 genutzt wie auch zur Stabilisierung der Wirkungsgrade der Siliziumsolarzellen 50 des Solarzellenverbundes 59.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 wird der Solarzellenverbund 59 während der Stabilisierungszeit und somit während des Verfahrensschrittes des Einlaminierens 14 mit einem elektrischen Gesamtstrom beaufschlagt 18, sodass in den Siliziumsolarzellen 50 des Solarzellenverbundes 59 während der Stabilisierungszeit Überschussminoritätsladungsträger erzeugt werden 18. Zu diesem Zweck ist, wie in 3 dargestellt, eine Stromquelle 76 vorgesehen, welche über Stromzufuhrleitungen 78a, 78b mit dem Außenkontakt 60a beziehungsweise dem Außenkontakt 60b verbunden ist. Indem der Solarzellenverbund 59 über die Außenkontakte 60a, 60b mit dem Gesamtstrom beaufschlagt wird 18, werden sämtliche Siliziumsolarzellen 50 des Solarzellenverbundes 59 mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, sodass durch eine aufwandsgünstige Kontaktierung lediglich der Außenkontakte 60a, 60b in allen Siliziumsolarzellen des Solarzellenverbundes 59 Überschussminoritätsladungsträger erzeugt werden können.
Die Stromquelle 76 ist über eine Steuerleitung 77 mit der Steuer- und Regelvorrichtung 80 verbunden. Auf diese Weise kann mittels der Steuer- und Regelvorrichtung 80 die Beaufschlagung 18 des Solarzellenverbundes 59 mit dem Gesamtstrom gesteuert werden. Da die Beaufschlagung der Siliziumsolarzellen 50 mit einem elektrischen Strom mit einer Wärmeentwicklung verbunden ist, kann mittels der Steuer- und Regelvorrichtung 80 bei Bedarf zudem die Temperatur des Solarzellenverbundes 59, beziehungsweise der Siliziumsolarzellen 50 dieses Solarzellenverbundes 59, mittels des elektrischen Gesamtstromes geregelt werden, mit welchem der Solarzellenverbund 59 beaufschlagt wird 18.
Nach Durchlaufen des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt ein Solarzellenmodul mit einlaminiertem Solarzellenverbund 59 vor, bei welchem die Wirkungsgrade der Siliziumsolarzellen 50 des Solarzellenverbundes 59 stabilisiert sind.
In den Darstellungen der 2 und 3 sind beispielhaft stets beidseitig kontaktierte Siliziumolarzellen 50 dargestellt, die sowohl auf ihrer Vorderseite wie auch auf ihrer Rückseite mittels Längsverbindern 54a, 54b kontaktiert sind. Stattdessen können jedoch ohne Weiteres auch einseitig kontaktierte Siliziumsolarzellen einlaminiert werden, die lediglich auf einer Seite kontaktiert sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist offensichtlich nicht auf die Verwendung bei beidseitig kontaktierten Siliziumsolarzellen beschränkt, sondern kann gleichermaßen auf einseitig kontaktierte Siliziumsolarzellen angewandt werden.
4 illustriert schematisch einen Teilaspekt eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem wird eine Temperatur T der ersten und zweiten Laminatfolie 52, 64 in der Laminationsvorrichtung 70 auf eine Temperatur von 150 °C erwärmt. Mit Erreichen einer Temperatur von 120 °C setzt der Vernetzungsvorgang der ersten 52 und zweiten Laminatfolie 64 ein und ein Vernetzungszeitraum t_V beginnt. Während des Vernetzungszeitraums t_V wird die Temperatur T auf 150 °C erhöht, auf diesem Wert gehalten und anschließend wieder auf Werte unter 120 °C abgesenkt. Mit unterschreiten der 120 °C-Grenze endet der Vernetzungszeitraum t_V. Während des Vernetzungszeitraums t_V wird T innerhalb eines Vernetzungstemperaturbereichs mit einer Temperaturuntergrenze von 120 °C und einer Temperaturobergrenze von 150 °C gehalten.
Während des anfänglichen Erwärmens der ersten und zweiten Laminatfolie 52, 64 wird eine Temperatur 50 °C erreicht. Dabei erreicht auch die wenigstens eine Siliziumsolarzelle, beziehungsweise erreichen die Siliziumsolarzellen 50, eine Temperatur von 50 °C. Damit beginnt eine Stabilisierungszeit t_s. Diese erstreckt sich über den Vernetzungszeitraum t_V hinweg und darüber hinaus. Während der Stabilisierungszeit t_s wird die Temperatur für eine gewisse Zeit auf 100 °C gehalten. Die Stabilisierungszeit t_s endet mit Unterschreiten des Temperaturwerts von 50 °C, da zu diesem Zeitpunkt auch die Temperatur der Siliziumsolarzellen diesen Temperaturwert unterschreiten. Außerhalb des Vernetzungszeitraums t_V wird somit während der Stabilisierungszeit t_s die Temperatur T und damit auch die Temperatur der Siliziumsolarzellen 50 unterhalb der Temperaturuntergrenze von 120 °C des Vernetzungstemperaturbereichs gehalten. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 verweilen die erste und zweite Laminatfolie 52, 64 daher vergleichsweise kurz auf einer Temperatur innerhalb des Vernetzungstemperaturbereichs, sodass keine Nachteile dadurch entstehen, dass das Schutzmaterial zu lange auf einer Temperatur innerhalb des Vernetzungstemperaturbereichs verbleibt. Die Stabilisierungszeit t_s ist jedoch deutlich länger gewählt als der Vernetzungszeitraum t_V, was eine optimale Stabilisierung der Wirkungsgrade der Siliziumsolarzellen ermöglicht, ohne dass hierfür spezielles, langsam vernetzendes Schutzmaterial eingesetzt werden müsste. Entgegen der Darstellung der 4 können die Temperatur T und damit auch die Temperatur der Siliziumsolarzellen vor Beginn des Vernetzungszeitraums t_V für eine gewisse Zeit auf 100 °C oder einem anderen Wert über 50 °C gehalten werden.
Bezugszeichenliste

10: Verbinden Siliziumsolarzellen zu eine Solarzellenverbund
12: Einbringen Solarzellenverbund in Laminationsvorrichtung
14: Einlaminieren Solarzellenverbund
16: Halten Solarzellenverbund auf 150 °C während 15 Minuten
18: Beaufschlagen Solarzellenverbund mit elektrischem Gesamtstrom und Erzeugen Überschussminoritätsladungsträger
50: Siliziumsolarzelle
52: erste Laminatfolie
54a: Längsverbinder
54b: Längsverbinder
56: Querverbinder
58: Querverbinder
59: Solarzellenverbund
60a: Außenkontakt
60b: Außenkontakt
62: Glasscheibe
64: zweite Laminatfolie
66: Schutzfolie
70: Laminationsvorrichtung
72: Heizeinrichtung
73: Steuerleitung
74: Temperatursensor
75: Messleitung
76: Stromquelle
77: Steuerleitung
78a: Stromzufuhrleitung
78b: Stromzufuhrleitung
80: Steuer- und Regelvorrichtung
t_s: Stabilisierungszeit
t_V: Vernetzungszeitraum
T: Temperatur Laminatfolien
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/107351 A1 [0003, 0004]
WO 2010/145649 A2 [0005]
WO 2011/027045 A1 [0015]

Claims

Verfahren zur Stabilisierung eines Wirkungsgrades wenigstens einer Siliziumsolarzelle (50) aufweisend folgende Schritte: – Halten (16) einer Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) während einer Stabilisierungszeit in einem Temperaturbereich mit einer Temperaturuntergrenze von 50 °C, – Erzeugen (18) von Überschussminoritätsladungsträgern in der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) während der Stabilisierungszeit durch Beaufschlagen (18) der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) mit einem elektrischen Strom, – Einlaminieren (14) der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) in ein Schutzmaterial (52, 64), dadurch gekennzeichnet, dass das Halten (16) der Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) in dem Temperaturbereich und das Beaufschlagen (18) der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) mit dem elektrischen Strom während des Verfahrensschrittes des Einlaminierens (14) erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) während der Stabilisierungszeit in einem Temperaturbereich von 50 °C bis 230 °C gehalten wird (16).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Stabilisierungszeit eine Temperatur des Schutzmaterials (52, 64) und die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) in einem Temperaturbereich von 120 °C bis 200 °C, vorzugsweise auf 150 °C, gehalten werden (16).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungszeit 5 Minuten bis 30 Minuten beträgt (16).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungszeit 10 Minuten bis 20 Minuten, vorzugsweise 15 Minuten, beträgt (16).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Vernetzungszeitraumes (t_V), welcher einen Teil der Stabilisierungszeit (t_s) darstellt, die Temperatur (T) des Schutzmaterials (52, 64) innerhalb eines Vernetzungstemperaturbereichs gehalten wird, in welchem das Schutzmaterial (52, 64) vernetzt, und während der übrigen Stabilisierungszeit (t_s) die Temperatur (T) des Schutzmaterials (52, 64) und die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) unterhalb einer Temperaturuntergrenze des Vernetzungstemperaturbereichs gehalten werden, wobei als Vernetzungstemperaturbereich vorzugsweise ein Temperaturbereich mit einer Temperaturuntergrenze von 120 °C und einer Temperaturobergrenze von 200 °C gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – mehrere Siliziumsolarzellen (50) vor dem Einlaminieren (14) elektrisch leitend miteinander zu einem Solarzellenverbund (59) verbunden werden (10) und – die mehreren Siliziumsolarzellen (50) des Solarzellenverbundes (59) während des Einlaminierens (14) mit dem elektrischen Strom beaufschlagt werden (18), indem der Solarzellenverbund (59) als Einheit mit einem elektrischen Gesamtstrom beaufschlagt wird (18).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitend miteinander verbundenen mehreren Siliziumsolarzellen (50) des Solarzellenverbundes (59) in einer Ebene nebeneinander angeordnet werden und in dieser Anordnung in dem Temperaturbereich gehalten (16) und mit dem elektrischen Gesamtstrom beaufschlagt werden (18).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Siliziumsolarzellen (50) eines Solarzellenmoduls miteinander elektrisch leitend zu dem Solarzellenverbund (59) verbunden werden (10).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einlaminierens (14) ein degradierter Wirkungsgrad der wenigstens einen Siliziumsolarzelle nur teilweise regeneriert wird, vorzugsweise maximal zu 75 % und besonders bevorzugt zu maximal 50 %.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) gesteuert, vorzugsweise geregelt, wird mittels des elektrischen Stromes, mit welchem sie beaufschlagt wird (18).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der wenigstens einen Siliziumsolarzelle (50) gesteuert, vorzugsweise geregelt, wird durch Steuern oder Regeln einer Heizleistung einer zum Einlaminieren (14) verwendeten und eine Heizeinrichtung (72) aufweisenden Laminationsvorrichtung (70).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Siliziumsolarzelle (50) ausschließlich durch die Beaufschlagung mit dem elektrischen Strom erwärmt und in dem Temperaturbereich gehalten wird.