DE102011114396A1

DE102011114396A1 - Electrically and serially connecting solar cells, comprises connecting guiding elements on adjacent solar cells, and inserting a soldering agent, whose melting temperature is below the curing temperature of a conductive adhesive

Info

Publication number: DE102011114396A1
Application number: DE201110114396
Authority: DE
Inventors: Yonas Zemen
Original assignee: Solon SE
Current assignee: Solon SE
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Electrically and serially connecting solar cells, comprises: connecting guiding elements on adjacent solar cells in an electrically conductive manner, using cell connectors, where each solar cell comprises at least one guiding element contacting a positive pole, and at least one guiding element contacting a negative pole, according to at least one of the claims 1-5 or 7-13 of a main patent application 10 2010 054 400.0; and inserting a soldering agent, whose melting temperature is below the curing temperature of a conductive adhesive.

Description

Die vorliegende Zusatzanmeldung zur deutschen Patentanmeldung 10 2010 054 400.0 bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Reihenverschaltung von Solarzellen durch elektrisch leitendes Verbinden von Leitelementen auf benachbarten Solarzellen mittels Zellverbindern, wobei jede Solarzelle zumindest ein den Pluspol kontaktierendes Leitelement und zumindest ein den Minuspol kontaktierendes Leitelement aufweist, gemäß der deutschen Patentanmeldung 10 2010 054 400.0 .The present application for German patent application 10 2010 054 400.0 relates to a method for electrical series connection of solar cells by electrically conductive connecting guide elements on adjacent solar cells by means of cell connectors, each solar cell having at least one positive pole contacting guide element and at least one negative pole contacting guide element according to German patent application 10 2010 054 400.0 ,

Unter Beibehaltung der Grundidee der Hauptanmeldung werden die dort aufgeführten 13 Patentansprüche um einen weiteren Unteranspruch ergänzt Der Anspruch 1 in der Zusatzanmeldung entspricht als Alternative zu Anspruch 6 in der Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 einem Anspruch 6A mit einem Rückbezug auf zumindest einen der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei sich die nachfolgenden Ansprüche 7 bis 13 der Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 dann auch auf den Anspruch 1 der Zusatzanmeldung (= Anspruch 6A der Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0) rückbeziehen.Maintaining the basic idea of the parent application, the 13 patent claims cited therein are supplemented by a further subclaim. Claim 1 in the additional application corresponds to an alternative to claim 6 in the parent application 10 2010 054 400.0 a claim 6A with a reference back to at least one of the preceding claims 1 to 5, wherein the subsequent claims 7 to 13 of the parent application 10 2010 054 400.0 then also on the claim 1 of the additional application (= claim 6A of the main application 10 2010 054 400.0) refer back ,

Mehrere Solarzellen werden elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden eine Solarzellenmatrix (eine Solarzellenreihe (String) oder ein Solarzellenfeld (Array)), das Kernstück eines Solarmoduls (gerahmt mit weiteren elektronischen Einrichtungen oder ungerahmt als flexibles Laminat (Solarpaneel) mit weiteren elektronischen Einrichtungen, die ebenfalls einlaminiert sind). Bei einer Solarzellenmatrix ist ein Leitelement, das mit dem Pluspol einer Solarzelle gekoppelt ist, über einen elektrisch leitfähigen Zellverbinder mit einem Leitelement verbunden, das mit dem Minuspol einer benachbarten Solarzelle gekoppelt ist. Die gegenpoligen Leitelemente benachbarter Solarzellen werden in Reihe geschaltet, sodass ein Strom fließen kann. Dabei können die Leitelemente punktförmig (Punktkontakte), linear (Streifenkontakte) oder flächig (Kontaktschicht) ausgebildet sein. Durch eine Wiederholung der Verbindung von Solarzellen werden mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet, die dann parallel geschaltet werden können, sodass die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom der Solarzellenmatrix erhöht werden kann. Die elektrische Verschaltung von Solarzellen in der Solarzellenmatrix ist ein wesentlicher Aspekt in der Modulfertigung, um die zuverlässige Kontaktierung der Solarzellen sicherzustellen. Dabei stellen insbesondere Dünnschicht-Solarzellen besondere Anforderungen an die Verbindungstechnik. Hier stoßen etablierte Verbindungstechniken, wie das Löten, an ihre Grenzen, sodass in letzter Zeit zunehmend Techniken mit Leitklebern, in der Regel leitfähige Partikel in Kunststoffbasis, entwickelt wurden. Während beim Löten Temperaturen von über 200°C und häufig ein zusätzlicher Flussmittelauftrag erforderlich sind, lassen sich gängige Leitkleber bereits bei Temperaturen von 110°C bis 150°C aushärten, benötigen dafür aber eine entsprechende Aushärtezeit. Beim Kleben der Zellverbinder auf die Solarzellen können sich die durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Solarzelle und Zellverbinder hervorgerufenen Spannungen ausgleichen, da der Kleber beim Aushärten nicht – wie Lötmittel – schlagartig erstarrt. Für die Zellen bedeutet dies verminderten thermomechanischen Stress, die Gefahr der Mikrorissbildung und damit Zellbruch werden so minimiert. Damit kann die elektrische Verbindung unabhängig von Randbedingungen (beim Löten werden in der Regel die Randbereiche nicht gelötet, um den Zellbruch zu begrenzen) gestaltet werden. Bei einer begrenzten Maximaltemperatur dauert es aber relativ lange, bis die Klebeverbindung mechanisch belastbar ist. Deshalb müssen Zellverbinder und Solarzelle beim Einsatz von Klebetechniken lange zueinander fixiert werden. Damit ergibt sich entweder eine lange Taktzeit oder ein entsprechend hoher Raum- und Investitionsaufwand, wenn mehrere Verbindungseinheiten parallel oder hintereinander angeordnet werden, um die Taktzeit zu verkürzen. Außerdem ist die Zusammensetzung der Leitkleber durch die Forderung nach möglichst kurzer Aushärtezeit eingeschränkt.Several solar cells are electrically connected to each other and form a solar cell array (a solar array (string) or a solar cell array), the core of a solar module (framed with other electronic devices or unframed as a flexible laminate (solar panel) with other electronic devices, also are laminated). In a solar cell matrix, a guide element which is coupled to the positive pole of a solar cell is connected via an electrically conductive cell connector to a guide element which is coupled to the negative pole of an adjacent solar cell. The opposing poles of neighboring solar cells are connected in series, so that a current can flow. In this case, the guide elements may be point-shaped (point contacts), linear (strip contacts) or flat (contact layer). By repeating the connection of solar cells, several solar cells are connected in series, which can then be connected in parallel, so that the output voltage and / or the output current of the solar cell array can be increased. The electrical interconnection of solar cells in the solar cell matrix is an essential aspect in module production, in order to ensure the reliable contacting of the solar cells. In particular, thin-film solar cells make special demands on the connection technology. Here, established joining techniques, such as soldering, are reaching their limits, so that recently techniques with conductive adhesives, usually conductive particles in plastic base, have been developed. While soldering temperatures of over 200 ° C and often an additional flux application are required, common conductive adhesives can cure at temperatures of 110 ° C to 150 ° C, but require a corresponding curing time. When gluing the cell connectors to the solar cells, the stresses caused by the different coefficients of thermal expansion of the solar cell and the cell connector can be compensated for, since the adhesive does not solidify like a solder when hardened. For the cells, this means reduced thermo-mechanical stress, minimizing the risk of microcracking and cell breakage. Thus, the electrical connection regardless of boundary conditions (during soldering, the edge areas are not soldered in order to limit the cell breakage) are designed. At a limited maximum temperature, but it takes a relatively long time until the adhesive bond is mechanically strong. Therefore, cell connectors and solar cell must be fixed to each other for a long time when using adhesive techniques. This results in either a long cycle time or a correspondingly high space and investment costs when multiple connection units are arranged in parallel or in succession to shorten the cycle time. In addition, the composition of the conductive adhesive is limited by the requirement for the shortest possible curing time.

Eine gelötete Verbindung ist hingegen unmittelbar nach dem Löten belastbar, die verbundenen Solarzellen können sofort weiterverarbeitet werden. Die thermischen Spannungen, die sich auf Grund der Materialkombination zwischen Solarzelle (beispielsweise Silizium) und Zellverbinder (beispielsweise Kupfer-Verhältnis der Ausdehnungskoeffizienten 1:5) nicht vermeiden lassen, werden aber auf dem Niveau der Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur des eingesetzten Lötmittels eingefroren. Weiterhin sind Lötmittel (Lot) auf Grund der verfügbaren Legierungsbestandteile nur für bestimmte Schmelz- bzw. Erstarrungstemperaturen verfügbar. Außerdem schmilzt ein Lötmittel bei der gleichen Temperatur wieder auf, bei der es auch erstarrt ist (Niedertemperaturlot, Schmelz-/Erstarrungspunkt unterhalb von ca. 150°C). Dies steht im Gegensatz zu einem Leitkleber, der nach dem Aushärten ein weitgehend temperaturbeständiger duroplastischer Werkstoff ist. Hier wirken sich höhere Temperaturen im Gegenteil gut auf die Aushärtung und die Aushärtezeit aus. So kann beispielsweise ein Leitkleber beim Laminieren einer Solarmatrix noch gut aushärten. Sowohl das Löten als auch das Kleben von Zellverbindern an Solarzellen zeigen somit Vor- und Nachteile.A soldered connection, however, is loadable immediately after soldering, the connected solar cells can be processed immediately. The thermal stresses that can not be avoided due to the combination of materials between the solar cell (for example silicon) and cell connectors (for example copper ratio of the expansion coefficients 1: 5) are frozen at the level of the melting or solidification temperature of the solder used. Furthermore, solders (solder) are available only for certain melting or solidification temperatures due to the available alloying constituents. In addition, a solder melts again at the same temperature at which it is solidified (low-temperature solder, melting / solidification point below about 150 ° C). This is in contrast to a conductive adhesive, which is a largely thermally stable thermoset material after curing. On the contrary, higher temperatures have a good effect on the hardening and curing time. For example, a conductive adhesive can still cure well when laminating a solar matrix. Both the soldering and the bonding of cell connectors to solar cells thus show advantages and disadvantages.

Stand der TechnikState of the art

Der der Erfindung gemäß Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 und gemäß Zusatzanmeldung nächstliegende Stand der Technik wird in der DE 21 2009 000 025 U1 beschrieben. Es werden Solarzellen in Reihe verschaltet, indem die Leitelemente in Form von stromsammelnden streifenförmigen Leiterbahnen, so genannte „Busbars”, entsprechend ihrer Polung mit streifenförmigen Zellverbindern ausschließlich durch Zwischenlage von Leitkleberflächen aus einem elektrisch leitfähigen Leitkleber verbunden werden. Zur teilweisen Isolierung der Zellverbinder gegenüber den Leiterbahnen zur Vermeidung von Kurzschlüssen sind weiterhin dielektrische Bereiche zwischen dem Zellverbinder und den Leiterbahnen vorgesehen. Diese können als dielektrische Klebestreifen ausgebildet sein, die um den Zellverbinder herumgewickelt sind, wobei die Klebeflächen in Richtung auf den Zellverbinder gerichtet sind und der Befestigung des Klebestreifens am Zellverbinder dienen. Eine Fixierung des Zellverbinders auf der Solarzelle erfolgt aber über die dielektrischen Klebestreifen nicht, sondern ausschließlich über den Leitkleber, wenn dieser ausgehärtet ist, sodass sich die Taktzeit der Prozessierung nach der Aushärtzeit des Leitklebers richtet.The invention according to the parent application 10 2010 054 400.0 and according to additional application closest prior art is in the DE 21 2009 000 025 U1 described. It will Connected solar cells in series by the guide elements in the form of current-collecting strip conductors, so-called "busbars" are connected according to their polarity with strip-shaped cell connectors exclusively by interposition of Leitkleberflächen of an electrically conductive conductive adhesive. For the partial isolation of the cell connectors in relation to the conductor tracks to avoid short circuits, dielectric regions are furthermore provided between the cell connector and the conductor tracks. These may be formed as dielectric adhesive strips which are wrapped around the cell connector, wherein the adhesive surfaces are directed towards the cell connector and serve to attach the adhesive strip to the cell connector. A fixation of the cell connector on the solar cell but not via the dielectric tape, but only on the conductive adhesive when it is cured, so that the cycle time of the processing depends on the curing time of the conductive adhesive.

Weiterhin ist es allgemein und auch auf dem Gebiet der Photovoltaik aus dem Stand der Technik bekannt, dass sich Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten unter Wärmeeinfluss unterschiedlich ausdehnen (vergleiche beispielsweise DE 10 2009 009 036 A1 ; DE 10 2008 037 821 A1 ; DE 198 21 221 A1 ). Eine Solarzelle, in der Regel aus einem Siliziumschichtverbund, und ein Zellverbinder, in der Regel aus Kupfer, weisen häufig deutlich unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Ist ein solcher Zellverbinder mit einer solchen Solarzelle während einer Ewärmung punktuell fixiert, so kann es zu einer Ausbeulung des Zellverbinders zwischen den Fixierungspunkten kommen (so genannter „Ausbeulungseffekt”). Dieser ist in der Regel reversibel. Die Ausbeulung verschwindet weitgehend wieder während der Abkühlung durch entsprechend unterschiedliches Zusammenziehen von Solarzelle und Zellverbinder, es können aber ggfs. störende Restausbeulungen bestehen bleiben.Furthermore, it is generally known and also in the field of photovoltaics from the prior art that materials with different coefficients of expansion expand differently under the influence of heat (compare, for example DE 10 2009 009 036 A1 ; DE 10 2008 037 821 A1 ; DE 198 21 221 A1 ). A solar cell, usually made of a silicon layer composite, and a cell connector, usually made of copper, often have significantly different thermal expansion coefficients. If such a cell connector is selectively fixed with such a solar cell during a heating, it can lead to a bulging of the cell connector between the fixing points (so-called "bulging effect"). This is usually reversible. The bulge largely disappears again during cooling by correspondingly different contraction of solar cell and cell connector, but it may possibly. Annoying Restausbeulungen remain.

Aufgabenstellungtask

Somit ist die Aufgabe für die vorliegende Zusatzanmeldung darin zu sehen, eine das Verfahren gemäß Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 weiterbildende Maßnahme anzugeben, durch die ein möglicherweise auftretender Ausbeulungseffekt des vorfixierten Zellverbinders beim Aushärten des Leitklebers vermieden werden kann.Thus, the object of the present application is to see therein a method according to the parent application 10 2010 054 400.0 specify further education measure, by which a possibly occurring buckling effect of the prefixed cell connector can be avoided during curing of the conductive adhesive.

Die Lösung für diese Aufgabe besteht gemäß Patentanspruch 1 der vorliegenden Zusatzanmeldung darin, ein Lötmittel einzusetzen, dessen Schmelztemperatur unterhalb der Aushärtetemperatur des Leitklebers liegt.The solution to this problem is according to claim 1 of the present additional application is to use a solder whose melting temperature is below the curing temperature of the conductive adhesive.

Liegt gemäß Zusatzanmeldung nun die Schmelztemperatur unterhalb der Aushärtetemperatur des Leitklebers, so erfolgt während des thermischen Aushärtens des Leitklebers ein Wiederaufschmelzen der Lötmittelpunkte. Der Zellverbinder kann sich bei der Erwärmung entsprechend ausdehnen, das Auftreten eines Ausbeulungseffekts ist sicher vermieden. Durch das Aufschmelzen der Lötmittelpunkte, die der Vorfixierung dienen, wird zwar auch deren Fixierungswirkung aufgehoben. Dies ist aber insofern unkritisch, als dass der Zellverbinder während des Aushärtevorgangs des Leitklebers anderweitig in der Erwärmungsvorrichtung mechanisch fixiert ist bzw. keinen lageverändernden Kräften unterworfen ist. Nach der Aushärtung ist der Zellverbinder flächig mit der Solarzelle verbunden. Auftretende Spannungen durch ein stärkeres Zusammenziehen des fixierten Zellverbinders gegenüber der Solarzelle können durch das Leitkleberbett aufgenommen werden.If, according to the additional application, the melting temperature now lies below the curing temperature of the conductive adhesive, then during the thermal curing of the conductive adhesive a remelting of the soldering points takes place. The cell connector can expand accordingly when heated, the occurrence of a buckling effect is certainly avoided. By melting the soldering points, which serve the prefixing, although their fixation effect is canceled. However, this is not critical insofar as the cell connector is otherwise mechanically fixed in the heating device during the curing process of the conductive adhesive or is not subjected to any position-changing forces. After curing, the cell connector is connected to the surface of the solar cell. Occurring tensions by a stronger contraction of the fixed cell connector relative to the solar cell can be absorbed by the conductive adhesive bed.

Die Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 lehrt gemäß Anspruch 6, ein Lötmittel einzusetzen, dessen Schmelztemperatur oberhalb der Aushärtetemperatur des Leitklebers liegt. Als Vorteil wird dafür ausgeführt, dass ein Wiederaufschmelzen der Lötmittelpunkte beim thermischen Aushärten des Leitklebers vermieden ist. Ggfs. kann aber der Ausbeulungseffekt auftreten. Der Anspruch 1 der Zusatzanmeldung ist als Alternative zu Anspruch 6 der Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 anzusehen, wenn der Ausbeulungseffekt vermieden werden soll.The main application 10 2010 054 400.0 teaches according to claim 6, to use a solder whose melting temperature is above the curing temperature of the conductive adhesive. As an advantage, it is stated that a reflow of the solder points during thermal curing of the conductive adhesive is avoided. If necessary. but the bulge effect can occur. The claim 1 of the additional application is to be regarded as an alternative to claim 6 of the parent application 10 2010 054 400.0, when the buckling effect is to be avoided.

Ausführungsbeispieleembodiments

Es gelten die Ausführungsbeispiele gemäß Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 The embodiments according to the parent application apply 10 2010 054 400.0

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010054400 [0001, 0001, 0002, 0005, 0007, 0010, 0011]
DE 212009000025 U1 [0005]
DE 102009009036 A1 [0006]
DE 102008037821 A1 [0006]
DE 19821221 A1 [0006]

Claims

Method for the electrical series connection of solar cells ( 01 . 02 ) by electrically conductive connecting of guide elements ( 04 . 07 ) on adjacent solar cells ( 01 . 02 ) by means of cell connectors ( 20 ), each solar cell ( 01 . 02 ) at least one positive pole contacting the guide element ( 07 ) and at least one conducting element contacting the negative pole ( 04 ), according to the parent application 10 2010 054 400.0 according to at least one of claims 1 to 5 or 7 to 13, characterized by inserting a solder ( 11 ) whose melting temperature is below the curing temperature of the conductive adhesive ( 16 ) lies.