DE102012204989A1

DE102012204989A1 - Solarmodul und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102012204989A1
Application number: DE102012204989A
Authority: DE
Inventors: Andreas Grohe; Karsten Funk; Patrick Zerrer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Solarworld Industries Thueringen De GmbH
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-02
Also published as: WO2013143753A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Solarmodul (1') aus einer Mehrzahl von über Zellverbinder-Bänder (5') miteinander verschalteten Solarzellen (3'), wobei auf der Vorderseite des Solarmoduls die Zellverbinder-Bänder (5') auf ihrer sichtbaren Oberfläche eine schwarze oder farbige Pulver-Dünnschicht aufweisen. Sie betrifft des Weiteren ein Verfahren, wobei zur Maskierung eine wieder verwendbare Schattenmaske (11) eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul aus einer Mehrzahl von über Zellverbinder-Bänder miteinander verschalteten Solarzellen, insbesondere solchen vom mono- oder polykristallinen Typ auf Siliziumbasis.
Stand der Technik
Die rapiden Kostensenkungen, in Verbindung mit andauernder staatlicher Förderung, haben zur massenhaften Errichtung sowohl von Auf-Dach- als von Freilandanlagen in einer Reihe europäischer Länder geführt. Nach Windkraftanlagen beginnen somit auch Photovoltaikanlagen zunehmend Orte und Landschaften ästhetisch zu prägen. Im Rahmen dieser Entwicklung werden auch verstärkt Bemühungen um eine Integration von Photovoltaikanlagen in Gebäudehüllen, als struktureller Bestandteil und zugleich ästhetisch wesentliches Element, unternommen.
Kristalline Solarmodule bestehen aus in geeigneter Weise eingebetteten Solarzellen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Diese elektrischen Verbindungen der Zellen bestehen aus technologischen Gründen aus flachen Metallbändchen, typischerweise aus verzinntem Kupfer. Diese verzinnten Kupferbändchen sind optimiert für einen guten Lötprozess und hohe elektrische Leitfähigkeit für geringste elektrische Verluste. Dabei sind die Zellverbinder typischerweise 2 mm breite Bändchen, wovon Solarzellen heutigen Standards über zwei oder drei solcher Bändchen parallel in sogenannte Strings verbunden sind. Die Strings wiederum sind mit bis zu 8 mm breiten Querverbindern verbunden, die die Strings im Solarmodul elektrisch zusammenschalten.
Ein derartiges Solarmodul ist in einer schematischen Draufsicht in 1 und in einer schematischen Querschnittsdarstellung in 2 gezeigt, wobei beide Figuren lediglich die im Zusammenhang mit dem Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung wesentlichen Teile zeigen. Das Solarmodul 1 besteht demnach aus einer Mehrzahl von kristallinen Solarzellen 3, die in n Zeilen und m Spalten angeordnet und innerhalb der Zeilen durch Zellverbinder 5 und zwischen den Zeilen durch Zellverbinder 7 miteinander verschaltet sind. Die Reihenschaltung mittels der Zellverbinder 5, die üblicherweise aus verzinntem Kupfer bestehen, wird auch als Verstringung bezeichnet. An einem Ende der über die Querverbinder miteinander verschalteten Reihen sind die Querverbinder über Anschluss-Verbinder 9 zu einer Anschlussdose geführt. Zur internen Kontaktierung der Solarzelle (speziell von Emitterbereichen in der Oberfläche) sind sogenannte Gridfinger, gegebenenfalls in Verbindung mit Busbars, vorgesehen, die in 1 zu erkennen, aber nicht gesondert bezeichnet sind.
Während aus ästhetischen Gründen die Solarmodule für Wohnhaus-Dachanlagen in letzter Zeit immer stärker in Schwarz nachgefragt werden, bilden die verzinnten Zellverbinder blendend helle Streifen, die ein optisch ansprechendes, einheitlich schwarzes Erscheinungsbild empfindlich stören.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Solarmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Solarmoduls mit den Merkmalen des Anspruchs 5 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, zur Erfüllung hoher ästhetischer Ansprüche ein Solarmodul einer möglichst homogen erscheinenden Oberfläche bereitzustellen. Sie schließt weiter den Gedanken ein, in Anbetracht der im Wesentlichen vorgegebenen Farbe von Solarzell-Substraten hierzu die Oberfläche der Zellverbinder anzupassen. Des Weiteren berücksichtigt die Erfindung folgende Umstände:
Ein einseitiges Schwärzen der Zellverbinder ist technologisch nicht umsetzbar, da die flachen Verbinder jeweils von der Vorderseite einer Zelle auf die Rückseite der nachgeschalteten Zelle führen, somit einmal die Vorder- und einmal die Rückseite des Bändchens lötbar sein muss. Eine über die Länge der Bändchen abwechselnde Schwärzung von Vorder- und Rückseitenabschnitten ist aufgrund des dann im Modulherstellprozess notwendigen maßgenauen Ablängens und wegen des damit einhergehenden Aufaddierens der Toleranzkette problematisch, weil dieses Vorgehen zu deutlich erhöhtem Aufwand im Modulprozess „Verstringen” führen würde.
Unter Verfahrensaspekten gehört zur Erfindung schließlich der Gedanke, dass die sichtbaren Oberflächen der Zellverbinder-Bänder im montierten Zustand mit einer ohne Nachbehandlung fest haftenden schwarzen oder farbigen Beschichtung versehen werden. Unter Vorrichtungsaspekten münden die der Erfindung zugrunde liegenden Überlegungen in dem Vorschlag, dass auf der Vorderseite des Solarmoduls die Zellverbinder-Bänder auf ihrer sichtbaren Oberfläche eine schwarze oder farbige Pulver-Dünnschicht aufweisen.
Mit der Erfindung wird eine kostengünstige und leicht in vorhandene Prozesse und Prozessanlagen einzubindende Lösung zur Bereitstellung von Solarmodulen mit hoher ästhetischer Qualität bereitgestellt, wobei in einer bevorzugten Verfahrensführung ein hoher Durchsatz (Anzahl prozessierter Strings pro Zeiteinheit) erreichbar ist und keine nasschemischen Prozesse und in Folge dessen keine zeit- und energieaufwendigen Trocknungsschritte benötigt werden.
Der ästhetische Effekt ist besonders markant bei Hochleistungsmodulen, bestehend aus monokristallinen Zellen. Monokristalline Zellen erscheinen nahezu schwarz bei normaler Einbettung in Standardmaterialien (EVA-Folien oder Silicon-Vergussmasse), so dass ein Modul bestehend aus schwarzer Rückseitenfolie und geschwärzten Verbindern aus etwa 1 bis 2 m Entfernung bereits einheitlich schwarz aussieht. Neue Verfahren von Rückseitenzellen (z. B. Metal-Wrap-Through), bei denen die Lötkontakte auf die Rückseite geführt werden (einerseits aus besagten Ästhetikgründen, andererseits zur Effizienzsteigerung wegen Wegfall der durch den Verbinder verursachten Verschattung der Solarzellfläche) werden jedenfalls zur Erzielung ästhetischer Wirkungen entbehrlich, was erhebliche Einsparungen bei der Entwicklung neuer Zell- und Modulkonzepte bringt.
Die Gridfinger und nicht durch Zellverbinder bereits abgedeckte Busbars sind hier im Interesse einer hohen Effizienz extrem schmal und dünn ausgeführt, so dass sie aus dem genannten Abstand praktisch schon nicht mehr wahrnehmbar sind. Es ist daher in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Oberflächen von Gridfingern oder Busbars der Solarzellen frei von einer Pulver-Dünnschicht sind.
Wenn, wie oben erwähnt, die Solarzellen vom einkristallinen Silizium-Typ sind und ihre Oberfläche blau-schwarz bis schwarz erscheint, ist in einer praktisch bedeutsamen Ausgestaltung auch die Pulver-Dünnschicht auf den Zellverbinder-Bändern und optional auch Querverbinder-Bändern auf der Vorderseite des Solarmoduls schwarz.
In der bereits erwähnten bevorzugten Verfahrensführung wird auf die Oberflächen der Zellverbinder-Bänder und optional Querverbinder-Bänder in einem atmosphärischen Plasmasprühverfahren eine Pulver-Dünnschicht aufgebracht. Das Plasma-Spray-Verfahren ist deutlich kostengünstiger als z. B. ein Farbgebungsverfahren basierend auf Farben oder Lacken (da es keinen Ofen- oder Trocknungsschritt gibt) und lässt sich in geeigneter Weise in den Produktionsprozess integrieren.
Da die Solarzellen in einem automatisierten Prozess verlötet werden, ist die Maßhaltigkeit der Zeilverbinder so genau, dass über geeignete Schattenmaskierung der dem erfindungsgemäßen Prozess innewohnendem Overspray (Partikelnebel, der sich neben dem Plasmastrahl absetzt) vermieden bzw. abgeschirmt werden kann. Demgemäß wird in einer zweckmäßigen Verfahrensführung zur Maskierung eine wieder verwendbare Schattenmaske eingesetzt.
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 schematische Draufsicht auf ein herkömmliches Solarmodul,
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines herkömmlichen Solarmoduls,
3 eine Draufsicht auf ein Solarmodul gemäß einer Ausführung der Erfindung und
4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt in einer an 1 angelehnten Darstellung ein Solarmodul 1' aus einer Mehrzahl einkristalliner Si-Solarzellen 3', bei dem die Zellverbinder 5', Querverbinder 7' und Anschlussverbinder 9' durch maskiertes Plasmasprüh-Beschichten mit einer fest haftenden schwarzen Pulver-Dünnsicht bedeckt und dadurch in ihrem Erscheinungsbild an die Solarzellen 3' angeglichen sind. Bei diesen sind die Gridfinger frei von einer Beschichtung, stören aber wegen ihrer geringen Breite das optische Erscheinungsbild des Solarmoduls praktisch nicht.
4 zeigt skizzenartig vier Phasen (a) bis (d) eine Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens, wobei auf 1 und 3 zurückgegriffen wird. In Phase (a) wird das verstringte Solarmodul 1 aus einem herkömmlichen Stringer bereitgestellt. In Phase (b) wird eine der Konfiguration der Zell- und Querverbinder angepasste Schattenmaske 11, etwa aus einer Metallfolie bereitgestellt und auf das Solarmodul aufgelegt. In Phase (c) wird mittels einer (hier nur symbolisch dargestellten) Plasmasprühvorrichtung 13 aus geeignetem Beschichtungsmaterial eine Pulver-Dünnschicht nur auf die Flächen der Zell- und Quer- und Anschluss-Verbinder 5, 7, 9 aufgetragen. Es versteht sich, dass bei diesem Verfahrensschritt nicht nur – wie in der Figur symbolisch dargestellt – die Öffnungen der Schattenmaske in ihrer exakten Kontur besprüht werden können, sondern der Plasmasprühstrahl breiter ist und gegebenenfalls sogar die Maskenfläche im Wesentlichen ganz bedeckt. Die wurde hier aber zu Gunsten der Übersichtlichkeit der Darstellung vernachlässigt. Nach Abnehmen der Schattenmaske 11 steht in Phase (d) das erfindungsgemäß bearbeitete Solarmodul mit geschwärzten Verbindern für die nachfolgenden Komplettierungsschritte bereit.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung.

Claims

Solarmodul (1') aus einer Mehrzahl von über Zellverbinder-Bänder (5') miteinander verschalteten Solarzellen (3'), wobei auf der Vorderseite des Solarmoduls die Zellverbinder-Bänder (5') auf ihrer sichtbaren Oberfläche eine schwarze oder farbige Pulver-Dünnschicht aufweisen.
Solarmodul nach Anspruch 1, wobei die Oberflächen von Gridfingern oder nicht im Endprodukt durch Zellverbinder abgedeckte Busbars der Solarzellen (3') frei von einer Pulver-Dünnschicht sind.
Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Solarzellen (3') vom einkristallinen Silizium-Typ sind und die Pulver-Dünnschicht auf den Zellverbinder-Bändern (5') schwarz ist.
Solarmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auch Querverbinder-Bänder (7') auf ihrer Vorderseite eine schwarze oder farbige Pulver-Dünnschicht aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls aus einer Mehrzahl von über Zellverbinder-Bänder miteinander verschalteten Solarzellen, wobei die sichtbaren Oberflächen der Zellverbinder-Bänder im montierten Zustand mit einer ohne Nachbehandlung fest haftenden schwarzen oder farbigen Beschichtung versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei auf die Oberflächen der Zellverbinder-Bänder und optional Querverbinder-Bänder in einem atmosphärischen Plasmasprühverfahren (13) eine Pulver-Dünnschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Oberflächen der Solarzellen außerhalb der Zellverbinder-Bänder vor Anwendung des Beschichtungsverfahrens (13) maskiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zur Maskierung eine wieder verwendbare Schattenmaske (11) eingesetzt wird.