DE102013203638A1

DE102013203638A1 - Metall-Verbinderprofil, Solarmodul und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102013203638A1
Application number: DE102013203638.8A
Authority: DE
Inventors: Anika Priessner; Hans-Joachim Krokoszinski; Henrico Runge; Patrick Zerrer
Original assignee: SolarWorld Industries Thueringen GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2014-09-04
Also published as: US20140246068A1; CN104037241A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Metall-Verbinderprofil zur elektrischen Verbindung und Verschaltung von Rückkontakt-Solarzellen (1). Sie betrifft des Weiteren ein Solarmodul sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Metall-Verbinderprofil zur elektrischen Verbindung und Verschaltung von Rückkontakt-Solarzellen. Sie betrifft des Weiteren ein Solarmodul sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.
Stand der Technik
Es ist bekannt, aus kristallinem Silizium hergestellte Solarzellen, deren Abmessungen infolge der durch die Herstellungstechnologie von einkristallinem Silizium auferlegten Beschränkungen begrenzt sind, mechanisch und elektrisch zu größeren photovoltaischen Anordnungen, den sog. Solarmodulen, zu verbinden. Dabei werden Kontaktbereiche zur externen Kontaktierung einer Solarzelle mit den Kontaktbereichen einer benachbart angeordneten Solarzelle verbunden und zunächst Reihen-Anordnungen aus mehreren Solarzellen, die sog. Strings, gebildet. Mehrere Strings werden dann zu einem Solarmodul zusammengestellt und verschaltet, welches mindestens eine Anschlussdose zum externen Anschluss bei der Zusammenstellung einer größeren Photovoltaik-Anlage hat.
Die elektrische Verschaltung herkömmlicher kristalliner Solarzellen zu Strings und teilweise auch die elektrischen Verbinder eines Solarmoduls werden üblicherweise aus bandförmigen Metall-Verbindern, sog. Bändchen oder Ribbons, hergestellt, die zumeist aus Kupfer bestehen und zumeist durch Löten, mitunter aber auch mittels eines leitfähigen Klebers stoffschlüssig mit den Anschlussbereichen der Solarzellen verbunden werden. Das Material für diese Bändchen oder Ribbons wird als Rollenmaterial ausgeliefert, und im Montageprozess der Strings bzw. Solarmodule wird es gemäß den Gegebenheiten der geometrischen Konfiguration abgelängt.
Damit die Solarzellen möglichst wenig verschattet werden, sind Verbinder mit einer geringen Breite aber dafür möglichst großer Höhe hier bevorzugt, wobei eine hohe mechanische und thermo-mechanische Belastung auf die Zellen wirkt.
In den letzten Jahren wurden aus dem gleichen Grund, nämlich zur Maximierung der für die photoelektrische Energiewandlung wirksamen Oberfläche, verschiedene Typen sog. Rückkontaktzellen entwickelt, bei denen die Anschlusskontakte und die Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen im Wesentlichen komplett auf die Rückseiten verlegt sind. Wie bei Standard-Solarzellen (die auch als „H-Patternzellen” bezeichnet werden), sind die Anschlussbereiche der Solarzellen auf einer Art Sammelleitungen angeordnet, die als Busbars bezeichnet werden.
Diese sind allerdings sehr schmal und nur durch einen dünnen Graben von dem Gebiet benachbarter Polarität getrennt. Die Breite der rückseitig angebrachten Metall-Zellverbinder ist durch die begrenzten Abmessungen der Busbars ebenfalls begrenzt, so dass zur Erzielung der erforderlichen Stromtragfähigkeiten eine relativ große Höhe gewählt werden muss. Dies ist für die Verkapselung und spätere Handhabung der Module nachteilig. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, wird die Zelle im Übrigen mit Isolationsschichten versehen, oder die Busbars müssen entsprechend breiter ausgelegt werden um die Maschinentoleranzen beim Verbinden auszugleichen und den Einsatz von breiteren Zellverbindern zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Metall-Zellverbinderprofil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Des Weiteren wird ein Solarmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Solarmoduls mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgeschlagen. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfinder wenden sich bewusst vom Einsatz von Zellverbindern relativ großer Höhe bzw. Dicke zur Verschaltung von Rückkontakt-Solarzellen ebenso ab wie von Konzepten, die eine aufwendige Isolierung der Solarzellenrückseiten zur Vermeidung von Kurzschlüssen im Randbereich der Busbars vorsehen. Die Erfindung schließt den Gedanken ein, anstelle einer Isolation der kritischen Bereiche der Zellen eine partielle Isolation der Zellverbinder vorzusehen. Sie schließt weiter den Gedanken ein, diese Isolation bereits beim Ausgangsmaterial der Zellverbinder, dem als Rollenware bereitgestellten Metall-Verbinderprofil vorzusehen. Zugleich gehört zur Erfindung der Gedanke, dieses Konzept der partiellen Isolation der Verbinderoberfläche zur Erhöhung der Profilbreite über das für nichtisolierte Rückseiten von Rückkontakt-Solarzellen zulässige Maß hinaus zu nutzen. Dies wiederum ermöglicht bei gleicher Stromtragfähigkeit eine Reduzierung der Höhe bzw. eine Erhöhung des Breite-/Höhe-Verhältnisses.
In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Querschnitt des Metall-Verbinderprofils flach rechteckig ist und die kurzen Seiten des Rechtecks sowie angrenzenden Bereiche der langen Seiten mit der Isolierschicht bedeckt sind. Auch eine flach elliptische Querschnittsgestalt oder ein beidseitig abgerundeter flach rechteckiger Querschnitt, jeweils mit isolierten seitlichen Randbereichen, sind sinnvoll möglich.
In weiteren Ausführungen ist vorgesehen, dass ein zentraler Bereich mindestens einer Oberfläche mit einer Breite im Bereich zwischen 1 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 1,2 mm und 1,5 mm, durchgehend oder abschnittsweise frei von einer Isolierschicht ist. Der konkrete Anteil der isolierten Abschnitte des Verbinderprofils wird in Abstimmung auf übliche Busbar-Geometrien von Rückkontaktzellen einerseits und im Hinblick auf die Leitfähigkeit des Profilmaterials und die erforderliche Stromtragfähigkeit und die sich heraus ergebende gewünschte Profilbreite andererseits festgelegt.
In einer Ausgestaltung ist im Auslieferzustand die gesamte Profiloberfläche mit der Isolierschicht bedeckt. Bei dieser Ausgestaltung ist vor der Montage ein zentraler Bereich der Isolierschicht wieder zu entfernen, um dort die Oberfläche des metallischen Kerns freizulegen und eine elektrische Kontaktierung mit den Zellanschlüssen zu ermöglichen. Dieses Freilegen der Oberfläche des metallischen Kerns kann streifenartig durchgehend oder auch nur abschnittsweise lokal erfolgen, wobei rein mechanische Techniken ebenso wie der Einsatz energiereicher Strahlung in Betracht kommen und letztere besonders geeignet ist, wenn die Isolierschicht lediglich lokal entfernt werden soll.
In speziellen geometrischen Ausgestaltungen des Verbinderprofils beträgt die Profilhöhe 0,3 mm oder weniger, insbesondere 0,2 mm oder weniger, und die Profilbreite liegt im Bereich zwischen 1,5 mm und 15 mm, insbesondere zwischen 5 mm und 10 mm. Die konkrete Festlegung der Abmessungen erfolgt gemäß den weiter oben angesprochenen Kriterien/Anforderungen, und grundsätzlich ist die Erfindung auch außerhalb der hier genannten Bereichsgrenzen realisierbar.
In praktisch sinnvoll einsetzbaren materialseitigen Ausführungen besteht der metallische Teil überwiegend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Hierbei kann Kupfer oder eine Legierung auf Kupferbasis wegen der hohen Leitfähigkeit und Aluminium oder eine Legierung auf Aluminiumbasis wegen der geringeren Kosten fallweise bevorzugt sein. Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine freie Oberfläche des metallischen Teils eine, insbesondere galvanisch erzeugte, Silberschicht aufweist. Eine solche oder ähnliche (ggfs. auch auf einer Legierungsbasis erzeugte) Beschichtung kann in vorteilhafter Weise die Lötbarkeit verbessern und/oder den Kontaktwiderstand an den Solarzellanschlüssen verringern.
In weiteren Ausführungen ist vorgesehen, dass die Isolierschicht eine Isolierlack- oder Kunstharzschicht aufweist. Hierbei sind handelsübliche und in der Elektrotechnik bewährte Isolierlacke oder Kunstharze grundsätzlich ohne besondere Beschränkungen einsetzbar. Alternativ hierzu, oder ggfs. auch in Kombination mit einer Isolierlack- oder Kunstharzbeschichtung kann vorgesehen sein, dass die Isolierschicht eine Oxid- oder Keramikschicht aufweist, bei Al-Verbinderprofilen z. B. aus galvanisch verstärktem Aluminiumoxid.
Verfahrenstechnisch ergeben sich grundsätzlich keine wesentlichen Abweichungen von bekannten Verfahren der Zellverbindungstechnik, und es sind weitgehend herkömmliche Tabber-Stringer-Technologien und -Anlagen einsetzbar, wobei als Verbindungstechniken das Löten, Kleben oder Bonden oder auch andere Techniken möglich sind und die Auswahl einer konkreten Technik in Abhängigkeit vom Material (Metall und Isolierschicht) des Verbinderprofils erfolgen wird.
Was die Herstellung der Metall-Verbinderprofile selbst anbelangt, so kann als Rolle-zu-Rolle-Prozess mit teilweisem Eintauchen in das Material erfolgen, und es ergibt sich somit ein sehr günstiger und massenproduktionstauglicher Prozess.
Durch die Erfindung können speziell IBC-Zellen ohne eine teure Rückseitenisolation hergestellt werden. Andererseits werden die erwähnten Nachteile von Zellverbindern mit relativ geringer Breite und dafür relativ großer Höhe vermieden. Das Verbinderprofil kann gleichzeitig durch die Lack- oder sonstige Isolierschicht vor Korrosion geschützt werden. Durch den Korrosionsschutz kann eine mit Edelmetallen geschützte Verbindungsschicht auf der Oberfläche vor allem bei Verbindern für Leitklebstoffe verringert werden (Dabei wird zuerst das Isolationsmedium aufgebracht und danach z. B. galvanisch versilbert.)
Im Hinblick darauf, dass für bestimmte Anwendungen ein optisch möglichst homogenes Erscheinungsbild von Solarmodulen gewünscht oder sogar erforderlich ist, bieten die erfindungsgemäßen Verbinderprofile die Möglichkeit, durch geeignete Einfärbung der Isolationsschicht in Abstimmung auf die Farbe der Solarzellenoberflächen einen erheblichen Fortschritt zu erzielen. Besonders gut gelingt dies bei vollständig oder nahezu vollständig mit einer Isolationsschicht bedeckten Verbinderprofilen, also insbesondere bei der weiter oben erwähnten Ausgestaltung der Erfindung, bei der vor der Montage lediglich die für die Zellkontaktierung unbedingt benötigten Oberflächenbereiche der Zellverbinder freigelegt werden.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1A bis 1F Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Metall-Verbinderprofile im Querschnitt,
2 und 2A eine Rückansicht einer mit erfindungsgemäßen Metall-Erfinderprofilen kontaktierten Solarzellen-Rückseite bzw. eine Ausschnittsdarstellung hieraus und
3 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Metall-Verbinderprofils im Gebrauchszustand vor dem Montagevorgang.
Ausführungsformen der Erfindung
1A bis 1E zeigen Beispiele von geometrischen Konfigurationen eines erfindungsgemäßen Metall-Verbinderprofils als schematische Querschnittsdarstellungen. Die Darstellungen sind nicht als maßstäblich zu verstehen, und hinsichtlich des Breite-/Höhe-Verhältnisses, der seitlichen Erstreckung und Dicke der isolierenden Beschichtung und weiterer geometrischer Details bestehen weitgehende Variationsmöglichkeiten.
1A zeigt ein Metall-Verbinderprofil 10 mit im Querschnitt rechteckigem Metallkern 11 (etwa aus Kupfer) und einer die beiden kurzen Seiten des Rechtecks und die angrenzenden Bereiche der langen Seiten bedeckenden, die mittleren Bereiche der langen Seiten aber freilassenden isolierenden Beschichtung 13.
1B zeigt, als etwas modifizierte Ausführung, ein Metall-Verbinderprofil 10' mit einem Metallkern 11 in gleicher Ausführung wie bei 1A, das aber eine isolierende Beschichtung hat, die beiden kurzen Seiten und eine lange Seite des Rechtecks vollständig bedeckt und lediglich im mittleren Bereich der verbleibenden langen Seite die Oberfläche des Metallkerns 11 frei lässt.
1C illustriert, als weitere modifizierte Ausführung, ein Metall-Verbinderprofil 10'', das einen den vorherigen Ausführungen entsprechenden Metallkern 11 und eine diesen vollständig umschließende isolierende Beschichtung 13'' hat. In der Figur ist mit dem Pfeil L1 symbolisch eine erste Laserbestrahlung und mit dem gestrichelten Pfeil L2 eine optionale zweite Laserbestrahlung symbolisiert. Dies soll darstellen, dass durch Laserablation der mittlere Bereich einer oder beider Profiloberflächen von der geschlossenen Isolierschicht befreit und somit für eine Kontaktierung einer Solarzelle vorbereitet werden kann.
1D zeigt ein weiteres Metall-Verbinderprofil 10''', das auf dem Metallkern 11 eine besonders dünne Isolierschicht (etwa eine Oxidschicht) 13''' aufweist, die im zentralen Bereich einer der langen Seiten des Profilquerschnitts fortgelassen ist. Dort ist eine metallische Beschichtung 15, etwa auf galvanischem Wege, zur Verbesserung der Lötfähigkeit des Verbinderprofils aufgebracht.
1E zeigt ein weiteres Metall-Verbinderprofil 20, welches einen flach elliptischen Metallkern 21 und eine partielle isolierende Beschichtung 23 hat, die beide Randbereiche des Metallkerns bedeckt, die zentralen Bereiche des Metallkerns jedoch ausspart.
1F zeigt ein weiteres Metall-Verbinderprofil 20' mit einem im Wesentlichen rechteckigen, an beiden Kanten aber halbkreisförmig abgerundeten Metallkern 21'. Auch hier ist eine isolierende Beschichtung 23' auf beiden Randbereichen, also den halbkreisförmigen Abschnitten des Profilquerschnitts, vorgesehen, während der mittlere Bereich beider Profiloberflächen keine isolierende Beschichtung hat. Hier ist stattdessen (beidseitig) eine den Kontaktwiderstand verringernde Beschichtung 25 vorgesehen, die beispielsweise durch Aufwalzen eines hoch leitfähigen dünnen Metallbandes auf den dickeren metallischen Kern 21' gebildet sein kann.
2 und 2A zeigen skizzenartig eine Rückansicht einer Rückkontakt-Solarzelle 1 mit aufgebrachten Verbinderprofilen 30, wie in 1B dargestellt, bzw. einen vergrößerten Ausschnitt A hieraus. Die hier eingesetzten Verbinderprofile 30 sind in 3 in einer perspektivischen Darstellung separat gezeigt: Es handelt sich um mit einer im Wesentlichen geschlossenen Isolierschicht 33 ummantelte Verbinder mit einem Metallkern 31 mit rechteckigem Querschnitt, bei denen die Isolierung lediglich lokal in zentralen Abschnitten einer der beiden Profiloberflächen entfernt ist, so dass dort metallische Kontaktpunkte 31a frei liegen. In 2A ist ein Abschnitt eines unter dem Zellverbinder 30 liegen Busbars 11 gezeigt, und es ist zu erkennen, dass die Breite des Kontaktpunktes 31a der Breite des Busbars 11 entspricht. Da alle Oberflächen des Verbinders außerhalb der Kontaktpunkte isoliert sind, werden Kurzschlüsse zuverlässig verhindert, und die Verbinderoberfläche sind zugleich korrosionsgeschützt.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.

Claims

Metall-Verbinderprofil (10; 10'; 10''; 10'''; 20; 20'; 30) zur elektrischen Verbindung und Verschaltung von Rückkontakt-Solarzellen (1), insbesondere zu einem Solarzellenstring, wobei das Metall-Verbinderprofil eine Profilbreite und eine Profilhöhe hat und die Profilbreite mindestens das Vierfache der Profilhöhe beträgt und mindestens beide seitliche Randbereiche mit einer Isolierschicht (13; 13'; 13''; 13'''; 23; 23'; 33) bedeckt sind.
Metall-Verbinderprofil (10; 10'; 10''; 10'''; 30) nach Anspruch 1, wobei der Querschnitt flach rechteckig ist und die kurzen Seiten des Rechtecks sowie angrenzenden Bereiche der langen Seiten mit der Isolierschicht bedeckt sind.
Metall-Verbinderprofil nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zentraler Bereich mindestens einer Oberfläche mit einer Breite im Bereich zwischen 1 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 1,2 mm und 1,5 mm, durchgehend oder abschnittsweise frei von einer Isolierschicht ist.
Metall-Verbinderprofil (10''; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Auslieferzustand die gesamte Profiloberfläche mit der Isolierschicht (13''; 33) bedeckt ist.
Metall-Verbinderprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Profilhöhe 0,3 mm oder weniger, insbesondere 0,2 mm oder weniger, beträgt und die Profilbreite im Bereich zwischen 1,5 mm und 15 mm, insbesondere zwischen 5 mm und 10 mm, liegt.
Metall-Verbinderprofil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der metallische Teil (11; 21; 21'; 31) überwiegend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
Metall-Verbinderprofil (10'''; 20') nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine freie Oberfläche des metallischen Teils (11; 21') eine, insbesondere galvanisch erzeugte, Leitschicht (15; 25) aufweist.
Metall-Verbinderprofil (10; 10'; 10''; 20; 20'; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Isolierschicht (13; 13'; 13''; 23; 23'; 33) eine Isolierlack- oder Kunstharzschicht aufweist.
Metall-Verbinderprofil (10''') nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Isolierschicht (13''') eine Oxid- oder Keramikschicht aufweist.
Solarmodul aus einer Mehrzahl von mittels Metall-Zellverbindern zu Strings verschalteten Rückseitenkontaktzellen (1), wobei die Metall-Zellverbinder aus einem Metall-Verbinderprofil (10; 10'; 10''; 20; 20'; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche gebildet sind, bei dem ein von einer Isolierschicht freier Oberflächenabschnitt (31a) jedes Metall-Zellverbinders jeweils mechanisch und elektrisch mit einem Anschlussbereich, insbesondere Busbar (11), der Solarzellen verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls nach Anspruch 10, wobei Metall-Zellverbinder (10'''; 30) bereitgestellt werden, deren gesamte Profiloberflächen mit einer Isolierschicht bedeckt sind, und die Isolierschicht (13'''; 33) vor dem mechanischen und elektrischen Verbinden mit den jeweiligen Anschlusskontakten der Solarzellen im zentralen Bereich mindestens einer Profiloberfläche mindestens abschnittsweise entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Entfernen der Isolierschicht im zentralen Bereich mit energiereicher Strahlung, insbesondere durch Laserablation, ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Isolierschicht lediglich in vorbestimmten Abschnitten des zentralen Bereichs lokal entfernt wird.