DE102011078371A1

DE102011078371A1 - Solarzellenanordnung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102011078371A1
Application number: DE201110078371
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Krokoszinski; Tobias Amorim
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SolarWorld Industries GmbH
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-03

Abstract

Solarzellenanordnung aus einer Mehrzahl von über Verbindungsleiter miteinander verschalteten, insbesondere kristallinen, Rückseitenkontakt-Solarzellen, wobei die Verbindungsleiter auf Löt- oder Klebepads auf den Solarzellen aufgelötet oder leitfähig aufgeklebt sind und als Drähte ausgebildet und die Drähte zwischen den Löt- oder Klebepads einer Solarzelle und/oder zwischen den einander nächstgelegenen Löt- oder Klebepads benachbarter Solarzellen zur Bereitstellung einer Zugentlastungs-Längenreserve nicht exakt geradlinig, insbesondere mit vorbestimmter Krümmung oder V-artig, verlegt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzellenanordnung aus einer Mehrzahl von über Verbindungsleiter miteinander verschalteten, insbesondere kristallinen, Rückseitenkontakt-Solarzellen, wobei die Verbindungsleiter auf Löt- oder Klebepads auf den Solarzellen aufgelötet oder leitfähig aufgeklebt sind. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Solarzellenanordnung.
Stand der Technik
Rückseitenkontakt-Solarzellen, das sind MWT(Metal Wrap Through)-Zellen, EWT(Emitter Wrap Through)-Zellen oder IBC(Interdigitated Back Contact)-Zellen, stellen einerseits vorteilhafte Ausführungen von Silizium-Solarzellen dar, weil damit die vorderseitige Abschattung durch die metallischen Leiterbahnen (Busbars) und die darauf gelöteten Kupferbänder verringert wird. Sie sind aber andererseits auch schwieriger in Serie zu verschalten, weil die Kontakte zu beiden Polaritäten nebeneinander auf der Rückseite hergestellt werden müssen. Dabei ist es schwierig, die metallischen Verbindungselemente von einer Zelle zur anderen führen zu können, ohne einen Kurzschluss zu Oberflächen mit der jeweils anderen Polarität herzustellen.
Folgende Technologien sind bisher in der Branche vorgeschlagen und zum Teil auch schon in Pilotserien realisiert worden:
Bei der Bändchen-Technik wird die konventionelle Stringertechnik mit Kupferbändchen verfolgt. Dabei muss das Kontaktmuster auf der Rückseite der Solarzellen asymmetrisch ausgeführt werden, damit die Bändchen linear von Zelle zu Zelle gezogen werden können und dabei die Emitterkontakte der einen Zelle mit den Basiskontakten der anderen Zelle verbinden.
1 zeigt schematisch als Ausschnitt aus einem Solarzellen-String 1 zwei benachbarte Solarzellen 3, die durch zueinander parallel verlaufende Bändchen 5 miteinander bzw. mit weiter benachbarten (nicht dargestellten) Solarzellen verschaltet sind. Es ist zu erkennen, dass die eine der beiden gezeigten Solarzellen vor dem Aufbringen der Bändchen gegenüber der anderen um 180° gedreht wurde, um Basisbereiche 3a der einen Solarzelle mit Emitterbereichen 3b der anderen mittels eines geradlinig verlaufenden Bändchens verbinden zu können.
Bei der Folientechnik wird eine rückseitige Tedlarfolie mit Kupferfolie beschichtet, in der durch Ätztechnik die Verbindungsbahnen erzeugt werden, die dann mit Lötstopplack bedeckt werden. Die Solarzellen werden dann mit einem Pick&Place-Roboter mit der Rückseite auf diese Kupferbahnstruktur gesetzt und in den Kontaktpunkten verklebt oder verlötet. Diese Technik ist elegant und vollautomatisiert in einer Produktionslinie mit hohem Durchsatz realisiert worden.
Wie ein Solarzellen-String in Folientechnik grundsätzlich aufgebaut wird, ist skizzenartig in 2 dargestellt. Die Figur zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung einen Solarzellen-String 1' aus (beispielhaft) vier Solarzellen 3, die über auf eine Trägerfolie 7 aufgebrachte Leitbahnen 5' miteinander verschaltet werden. Die Trägerfolie 7 ist zugleich die rückseitige Folie für eine Laminierung der Solarzellen mit einer vorderseitigen Folie 9, und die Anordnung wird durch ein Frontglas 11 komplettiert.
Nachteile der Bändchen-Stringtechnik sind:
Die Zellen müssen abwechselnd um 180° gedreht werden, damit in Verlängerung der Emitterpadreihe die Basispadreihe der Nachbarzelle liegt und umgekehrt; die starre Verbindung zweier Zellen mit mindestens sechs Kupferbändchen führt aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Silizium zu starken Spannungen und möglicherweise zur Verbiegung der Zellen; durch die vielen thermischen Zyklen während der Lebenszeit eines Moduls können Ermüdungsbrüche der Verbindungspunkte (Lötstellen oder Klebestellen) oder zur Mikrorissausbreitung auftreten und zum Modulausfall führen; unter den Bändchen müssen die Bereiche zwischen den Kontaktflächen mit Lötstopplack abgedeckt werden, damit die Bändchen keinen Kurzschluss verursachen.
Nachteile der Folienverbindungstechnik sind:
Es müssen mehrlagige vollflächige Folien mit einander verbunden und zum Teil strukturiert werden; diese Folien müssen temperaturfest und langzeitstabil sein, weshalb die Preise pro Quadratmeter noch weit entfernt von der geforderten Wirtschaftlichkeit sind;
die starre Verbindung zweier Zellen mit mindestens 6 Kupferbändchen führt aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Silizium zu starken Spannungen und möglicherweise zur Verbiegung der Zellen;
durch die vielen thermischen Zyklen während der Lebenszeit eines Moduls können Ermüdungsbrüche der Verbindungspunkte (Lötstellen oder Klebestellen) oder zur Mikrorissausbreitung auftreten und zum Modulausfall führen;
zwischen der Folienoberseite und der Zelle muss eine Verkapselungsfolie (EVA oder andere) eingebracht werden, die an den Verbindungspads Ausnehmungen aufweist, damit dort gelötet oder geklebt werden kann; diese Lochung ist schwierig herzustellen und damit teuer, und auch das justierte Auflegen einer solchen gelochten weichen Folienschicht mit 1,60 m × 1,00 m Größe auf die Leiterbahnoberfläche, ohne die mit Lot oder Kleber belegten Kontaktflächen zu berühren, ist schwierig.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird eine Solarzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzellenanordnung vorgeschlagen, das die Merkmale des Anspruchs 8 aufweist.
Mit der Erfindung wird bewusst von dem sowohl bei der Bändchen-Technik als auch bei der Folientechnik benutzten Konzept flacher, folienartiger Leiter bzw. Leitbahnen abgegangen. Stattdessen werden als Verbindungsleiter Drähte (insbesondere mit kreisförmigem Querschnitt) eingesetzt. Des Weiteren gehört zur Erfindung der Gedanke, die Drähte zwischen den Löt- oder Klebepads einer Solarzelle und/oder zwischen den einander nächstgelegenen Löt- oder Klebepads benachbarter Solarzellen zur Bereitstellung einer Zugentlastungs-Längenreserve nicht exakt geradlinig, insbesondere mit vorbestimmter Krümmung oder V-artig, zu verlegen.
Speziell sind die als Drähte ausgebildeten Verbindungsleiter aus mindestens einem der Materialien Kupfer, Zinn, Nickel, Aluminium und Silber oder einer Legierung hieraus gebildet. In einer ersten Ausführung sind die Oberflächen der Solarzellen, auf denen die Verbindungsleiter verlaufen, mit Ausnahme der Löt- oder Klebepads im Wesentlichen elektrisch isoliert und die Drähte unisoliert. In einer anderen Ausführung haben die Drähte eine isolierende Hülle, die nur im Bereich ihrer Verbindung mit Löt- oder Klebepads lokal entfernt ist.
In einer weiteren Ausführung, in der die Solarzellen rückseitige Emitter- und Basiskontakte aufweisen, welche in zueinander parallelen ersten und zweiten Reihen platziert sind, sind die Solarzellen so angeordnet, dass die ersten und zweiten Reihen benachbarter Solarzellen jeweils miteinander fluchten. Hierbei verbinden die Drähte jeweils die Emitterkontakte einer ersten Solarzelle mit den Basiskontakten der jeweils benachbarten Solarzellen. Die Drähte verlaufen hierzu jeweils zwischen den einander nächst benachbarten Löt- oder Klebepads benachbarter Solarzellen schräg oder bogenförmig von der Emitterkontaktreihe der ersten Solarzelle zur Basiskontaktreihe der benachbarten Solarzellen oder umgekehrt. Speziell sind die Drähte zwischen den einander nächst benachbarten Löt- oder Klebepads benachbarter Solarzellen zur Bereitstellung der Zugentlastungs-Längenreserve S- oder Z-förmig gebogen. Es sind aber auch andere Konfigurationen möglich; z. B. kann unter bestimmten Voraussetzungen ein J-förmiger Verlauf geeignet sein.
Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich durch den Einsatz von Anordnungen aus speziellen Stiften aus, die zur Erzeugung der gewünschten Konfigurationen der Verbindungsdrähte gebildet und um die herum die Drähte verlegt werden. In einer Ausführung werden im Kantenbereich zweier einander benachbarter Solarzellen jeweils mindestens zwei Auslenkungsstifte derart nahe benachbart zueinander platziert, dass sie einen S-förmigen oder Z-förmigen Verlauf des jeweiligen Drahtes zwischen sich bestimmen. In einer weiteren Ausführung wird eine Anordnung von Auslenkungsstiften eingesetzt, die Auslenkungsstifte auch zwischen einander benachbarten Löt- oder Klebepads ein und derselben Solarzelle umfasst.
Neben der Möglichkeit, die Padreihen symmetrisch anzuordnen, so dass die Zellen nicht mehr abwechselnd um 180° gedreht werden müssen, gibt es – jedenfalls in speziellen Ausführungen – noch weitere Vorteile der Erfindung:

– Drähte, sowohl blanke als auch isolierte, sind Massenware und somit sehr preisgünstig. Sie lassen sich in großen Mengen auf Rollen an der Stringer-Maschine anbringen und leicht durch Abrollen zuführen.
– Im Gegensatz zu Flachbändern lassen sich Drähte leicht durch einfache Stifte oder Führungsrollen in jede beliebige Richtung, also auch seitlich umlenken (verlegen).
– Drähte können somit durch S- oder Z-förmige Umlenkung eine Zugentlastung bekommen.
– Drähte gibt es auch mit Isolierung, so dass die Oberfläche der Solarzellen keine Isolierschicht aufweisen muss. Aus der Elektroniktechnologie kennt man automatisierte Verfahren, um eine Drahtisolation lokal zu entfernen, so dass dort die Löt- oder Klebeverbindung zu den Kontaktflächen (Pads) der Solarzelle hergestellt werden kann. In diesem Fall braucht die Zellenrückseite nicht großflächig mit Isoliermaterial beschichtet zu werden.
– Falls die Zellenrückseite großflächig isoliert werden kann, wobei dennoch die Kontaktflächen freiliegen, kann auch unisolierter Draht verwendet werden, so dass der Vorgang des Abisolierens eingespart wird.
– Durch die geringe Überdeckung der Zellenrückseite durch die Drähte kann das Einkapselungsmaterial für die Verkapselung vollflächig aufgelegt werden und wird beim Laminieren leicht um die Drähte herum und unter die Drähte fließen.

Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
1 eine skizzenartige Ausschnittsdarstellung (Draufsicht) einer bekannten Solarzellenanordnung,
2 eine skizzenartige Darstellung (perspektivische Explosionsdarstellung) einer weiteren bekannten Solarzellenanordnung,
3 eine Ausschnittsdarstellung (Draufsicht) einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung,
4A eine perspektivische Detailansicht eines über einem Löt- bzw. Klebepad positionierten isolierten Verbindungsdrahts,
4B eine perspektivische Detailansicht eines über einem Löt- bzw. Klebepad auf einer isolierten Oberfläche positionierten blanken Verbindungsdrahts,
5 eine Darstellung (Draufsicht) zur Verdeutlichung der Nutzung einer Anordnung von Auslenkungsstiften zur geeigneten Formgebung der Verbindungsdrähte gemäß einer Ausführung der Erfindung,
6A und 6B perspektivische Darstellungen zur Erläuterung der Handhabung der Auslenkungsstift-Anordnung gemäß 5 bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
7 eine Darstellung von Varianten der Anordnung zweier gekoppelter Auslenkungsstifte zur Erzeugung von Krümmungen im Verlauf der Verbindungsdrähte einer erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung.
Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt schematisch in Art einer Draufsicht zwei Solarzellen 3 einer erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung 1'', auf denen jeweils eine regelmäßige Anordnung von Emitter-Pads 13a und Basis-Pads 13b vorgesehen ist. (Lediglich zur Verdeutlichung verschiedener geometrischer Gestaltungen der Löt- bzw. Klebepads sind neben runden Emitter-Pads 13a auch längliche Emitter-Pads 13a' gezeigt.) Runddrähte 5'' dienen jeweils als Verbindungsdrähte zwischen den Emitter-Pads 13a bzw. 13a' der ersten Solarzelle und den Basis-Pads 13b der zweiten Solarzelle. Im Kantenbereich beider Solarzellen weisen die Verbindungsdrähte 5'' einen 5-artigen Biegungsbereich 5a'' auf, mit dem der seitliche Versatz d zwischen den Reihen von Emitter- und Basis-Pads überbrückt wird.
Es wird vorgeschlagen, wie aus 3 ersichtlich, die Verbindung zweier benachbarter Solarzellen mit Rückseitenkontakten in N Zellstreifen durch je einen Draht vorzunehmen, d. h. insgesamt durch eine Anzahl N von isolierten oder nicht isolierten Kupfer-Runddrähten (in 3 gezeigt für das Beispiel N = 4 Zellstreifen und M = 4 Emitterkontakten pro Zellstreifen). Die Verbindungsdrähte 5'' sind erfindungsgemäß im Bereich der Lücke zwischen den Zellen um einen frei wählbaren Betrag d in einem Kreisbogen von zwischen 45° und 180° seitlich in eine Richtung verbogen und wieder zurück gebogen, so dass die zu verbindenden Reihen mit jeweils M oder M – 1 Basiskontakten unter dem Draht auf den beiden Nachbarzellen um den Wert d parallel versetzt zu den Emitterkontakten angeordnet werden können.
Die Verbindungen zwischen Drähten und Solarzellen sind, wie in 4A gezeigt, bei isolierten Drähten 50 in vorher abisolierten Drahtabschnitten 50b über Padflächen 13 durch Löten oder Kleben mittels eines Löt- oder Klebepunkts 15 vorgenommen. Alternativ sind, wie in 4B schematisch dargestellt, die stoffschlüssigen Verbindungen bei blanken oder verzinnten Drähten 51 nur über den freiliegenden Padbereichen 13 einer ansonsten großflächig isolierten Oberfläche 17 ausgeführt.
Die Zahl N der Zellstreifen und damit der pro Draht kontaktierten Padreihen, kann beliebig gewählt werden zwischen N = 3 und z. B. N = 7. Je größer die Zahl N ausfällt, desto dünner dürfen die Drähte für die erfindungsgemäße Verbindungstechnik gewählt werden, denn der Strom der Zelle teilt sich auf diese N Drähte auf. Die Zahl M der Emitterkontaktpunkte pro Zellstreifen kann dabei gleich N oder aber verschieden sein. So wären Z. B. auch Kombinationen (N, M) = (5, 10) oder (6, 7) denkbar. Diese Wahl obliegt der Optimierung der Zelleffizienz des jeweiligen Zellkonzepts (MWT, EWT, IBC). Die Zahl der Emitterkontakte M und der Basiskontakte kann leicht unterschiedlich sein; wenn z. B. die Basiskontakte auf Lücke zu den Emitterkontakten liegen, kann ihre Zahl um 1 nach oben oder unten abweichen (M Emitterkontakte, M – 1 oder M + 1 Basiskontakte).
Der Versatz zwischen den Padreihen im Draht, also der Z- oder S-förmige Drahtverlauf, der länger ist als die direkte Verbindung zwischen Pads, bewirkt für thermische Ausdehnungsunterschiede eine Zugentlastung. Durch zusätzliche Führungsstifte kann der Draht auch zwischen den Pads auf einer Zelle aus dem linearen Verlauf ausgelenkt werden, so dass auch über die Länge der Zelle keine Zugspannung auf die Kontakte aufgebaut wird. Dieses Konzept sowie eine hierzu geeignete Anordnung von Hilfsmitteln (hier bezeichnet als „Auslenkungsstifte) ist in den 5 bis 7 illustriert. Hiervon zeigt die 5 eine auf der Darstellung in 3 beruhende reguläre Anordnung von Auslenkungsstiften 19.
6A stellt dar, wie die Verbindungsdrähte 5'' durch Auslenkungsstifte 19' ausgelenkt werden, die (beispielhaft, zur Illustration verschiedener Ausgestaltungsmöglichkeiten) hier mit Führungsrollen 19a' versehen sind. In 6B ist schließlich dargestellt, wie diese Anordnung von Auslenkungsstiften 19' und um diese herum vorgebogenen Verbindungsdrähten 5'' einer Solarzelle 3 mit Lötpads 13a, 13b zugeführt wird und mittels Lötstiften 21 die Verlötung der Verbindungsdrähte auf den Lötpads ausgeführt wird.
7 schließlich zeigt, wie zwei gekoppelte Auslenkungsstifte 19.1, 19.2 durch Drehung um unterschiedliche Beträge mit einem zwischen ihnen eingeklemmten Verbindungsdraht 5'' mit unterschiedlich ausgeprägter S-artiger Krümmung versehen werden und somit Längenreserven für nachfolgende thermische Bearbeitungsprozesse mit unterschiedlichem Betrag bereitgestellt werden können.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.

Claims

Solarzellenanordnung (1'') aus einer Mehrzahl von über Verbindungsleiter (5; 50; 51) miteinander verschalteten, insbesondere kristallinen, Rückseitenkontakt-Solarzellen (3), wobei die Verbindungsleiter auf Löt- oder Klebepads (13; 13a; 13b) auf den Solarzellen aufgelötet oder leitfähig aufgeklebt sind und als Drähte ausgebildet und die Drähte zwischen den Löt- oder Klebepads einer Solarzelle und/oder zwischen den einander nächstgelegenen Löt- oder Klebepads benachbarter Solarzellen zur Bereitstellung einer Zugentlastungs-Längenreserve nicht exakt geradlinig, insbesondere mit vorbestimmter Krümmung oder V-artig, verlegt sind.
Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei die als Drähte ausgebildeten Verbindungsleiter (5; 50; 51) aus mindestens einem der Materialien Kupfer, Zinn, Nickel, Aluminium und Silber oder einer Legierung hieraus gebildet sind.
Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Drähte (5; 50; 51) kreisförmigen Querschnitt haben.
Solarzellenanonrdnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberflächen der Solarzellen (3), auf denen die Verbindungsleiter verlaufen, mit Ausnahme der Löt- oder Klebepads im Wesentlichen elektrisch isoliert (17) und die Drähte (51) unisoliert sind.
Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Drähte (50) eine isolierende Hülle aufweisen, die nur im Bereich (50b) ihrer Verbindung mit Löt- oder Klebepads (13) lokal entfernt ist.
Solarzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Solarzellen (3) rückseitige Emitter- und Basiskontakte aufweisen, welche in zueinander parallelen Emitterkontakt- und Basiskontakt-Reihen platziert sind, wobei die Solarzellen so angeordnet sind, dass die Emitterkontakt- und Basiskontakt-Reihen benachbarter Solarzellen jeweils miteinander fluchten und wobei die Drähte (5''; 50; 51) jeweils die Emitterkontakte (13a) einer ersten Solarzelle mit den Basiskontakten (13b) der jeweils benachbarten Solarzellen verbinden und die Drähte hierzu jeweils zwischen den einander nächst benachbarten Löt- oder Klebepads benachbarter Solarzellen schräg oder bogenförmig von der Emitterkontakt-Reihe der ersten Solarzelle zur Basiskontakt-Reihe der benachbarten Solarzellen oder umgekehrt verlaufen.
Solarzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drähte (5''; 50; 51) zwischen den einander nächst benachbarten Löt- oder Klebepads (13; 13a; 13b) benachbarter Solarzellen (3) zur Bereitstellung der Zugentlastungs-Längenreserve S- oder Z-förmig gebogen sind.
Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung des nicht geradlinigen Verlaufs der Drähte (5''; 50; 51) auf die Solarzellenoberflächen eine Anordnung von Auslenkungsstiften (19; 19'; 19.1; 19.2) aufgesetzt wird und die Drähte derart um die Auslenkungsstifte herum verlegt werden, dass sie gegenüber einer geradlinigen Verbindung zwischen den Löt- oder Klebepads (13; 13a; 13b) mit vorbestimmter Krümmung oder V-artig seitlich ausgelenkt sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Kantenbereich zweier einander benachbarter Solarzellen jeweils mindestens zwei Auslenkungsstifte (19.1; 19.2) derart nahe benachbart zueinander platziert werden, dass sie einen S-förmigen oder Z-förmigen Verlauf des jeweiligen Drahtes (5'') zwischen sich bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Anordnung von Auslenkungsstiften (19; 19'; 19.1; 19.2) eingesetzt wird, die Auslenkungsstifte auch zwischen einander benachbarten Löt- oder Klebepads ein und derselben Solarzelle umfasst.