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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fotovoltaik-Modul, auf ein Verfahren zur Herstellung eines Fotovoltaik-Moduls sowie auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines Fotovoltaik-Moduls.
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Die Integration von Energiewandlern ist aktuell ein Trend auf dem Gebiet der Elektronik-Verpackungen. Speziell Solarzellen werden neben thermoelektrischen Wandlern für die Gewinnung elektrischer Energie, z. B. zum Betreiben von Sensormodulen, eingesetzt.
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In den letzten Jahren hat sich in der Aufbau- und Verbindungstechnik weiterhin die Verwendung dünner Silizium-Substrate etabliert. Diese bieten unter anderem Vorteile im thermomechanischen Verhalten und können mit Durchkontakten und Leiterbahnen in einem sehr feinen Rastermaß versehen werden. Weiterhin sind durch die Verbesserung der Moldtechnologie Verfahren zur großflächigen Verkapselung von Halbleiterbauelementen verfügbar. Im „Compression molding" lassen sich problemlos Flächen von 300 mm Durchmesser mit Polymeren Verkapselungsmaterialien überziehen.
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Prinzipiell sind zwei Arten der Kontaktierung von Solarzellen möglich. Die derzeitig am häufigsten hergestellten Zellen müssen von der Vorder- und der Rückseite kontaktiert werden, um einen elektrischen Kontakt herzustellen (erkennbar an den silbernen Leiterstrukturen auf der Vorderseite). Es existieren auch Ansätze für reine Rückseitenkontaktierung, diese sind momentan noch relativ wenig verbreitet.
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Die
US 2011/0169554 A1 offenbart ein integriertes solar betriebenes Gerät.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Fotovoltaik-Modul, weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Fotovoltaik-Moduls sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Fotovoltaik-Moduls gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Fotovoltaik-Modul mit folgenden Merkmalen:
- – zumindest einer Solarzelle, die eine Einstrahlungshauptfläche (135) zum Empfang von Licht aufweist, welches zur Bereitstellung einer Spannung vorgesehen ist;
- – einer Trägereinheit, die zumindest auf einer ersten Seite lateral versetzt zu der Solarzelle angeordnet ist, wobei eine erste Oberfläche der Trägereinheit innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs bündig mit der Einstrahlungsfläche der Solarzelle ausgerichtet ist; und
- – zumindest einem elektrischen Leiter, der einen Trägerkontaktanschluss an einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Trägereinheit mit einem Zellenkontaktanschluss eines elektronischen Bauelements an der Solarzelle oder der Solarzelle elektrisch leitfähig kontaktiert, wobei der Zellenkontaktanschluss auf einer der Einstrahlungsfläche gegenüberliegenden Kontaktierungsseite der Solarzelle angeordnet ist.
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Ferner schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zur Herstellung eines Fotovoltaik-Moduls, wobei Fotovoltaik-Modul zumindest eine Solarzelle aufweist, die eine Einstrahlungshauptfläche (135) zum Empfang von Licht aufweist, welches zur Bereitstellung einer Spannung vorgesehen ist, wobei das Fotovoltaik-Modul eine Trägereinheit aufweist, die zumindest auf einer ersten Seite lateral versetzt zu der Solarzelle angeordnet ist, wobei eine erste Oberfläche der Trägereinheit innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs bündig mit der Einstrahlungsfläche der Solarzelle ausgerichtet ist und wobei das Fotovoltaik-Modul zumindest einem elektrischen Leiter, der einen Trägerkontaktanschluss an einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Trägereinheit mit einem Zellenkontaktanschluss eines elektronischen Bauelements an der Solarzelle oder der Solarzelle elektrisch leitfähig kontaktiert, wobei der Zellenkontaktanschluss auf einer der Einstrahlungsfläche gegenüberliegenden Kontaktierungsseite der Solarzelle angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Bereitstellen der Trägereinheit und der Solarzelle;
- – Anordnen der Solarzelle in Bezug zur Trägereinheit, derart dass die Trägereinheit zumindest auf einer ersten Seite lateral versetzt zu der Solarzelle angeordnet ist, und wobei die erste Oberfläche der Trägereinheit innerhalb des vordefinierten Toleranzbereichs bündig mit der Einstrahlungsfläche der Solarzelle ausgerichtet ist; und
- – elektrisch leitfähiges Verbinden des Zellenkontaktanschluss mit dem Trägerkontaktanschluss, um das Fotovoltaik-Modul herzustellen.
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Auch schafft der hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung zur Herstellung eines Fotovoltaik-Moduls, wobei die Vorrichtung Einheiten aufweist, die ausgebildet sind, um die Schritte eines Verfahrens gemäß einer hier vorgestellten Variante durchzuführen.
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Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Unter einer Solarzelle oder auch Fotovoltaikzelle ist vorliegend ein elektronisches Bauelement zu verstehen, welches Licht, insbesondere Sonnenlicht z. B. im Wellenlängenbereich 200 bis 1200 nm in elektrische Energie wandeln kann. Unter einer Einstrahlungshauptfläche (135) ist eine Hauptoberfläche der Solarzelle zu verstehen, über welche das Licht in die Solarzelle einfällt, um an einer Wandlerschicht in elektrische Energie umgewandelt zu werden. Unter einer Trägereinheit ist beispielsweise eine Platte oder ein starres Element zu verstehen, welches elektrische Leiterbahnen aufweist, die zur elektrischen Kontaktierung von Strukturen oder elektronischen Bauelementen auf oder an der Solarzelle ausgebildet sind. Beispielsweise kann die Trägereinheit eine Leiterplatine sein, die zur Aufnahme der Solarzelle ausgebildet ist. Dabei kann die Trägereinheit in Bezug auf eine Lichteinstrahlungsrichtung auf die Einstrahlungshauptfläche (135) seitlich versetzt zur Solarzelle angeordnet sein, sodass ein seitlicher Rand der Solarzelle benachbart oder gegenüberliegend zu einem Rand der Trägereinheit angeordnet ist. Die erste Oberfläche der Trägereinheit ist innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs bündig mit der Einstrahlungsfläche der Solarzelle ausgerichtet. Unter einer bündigen Ausrichtung der ersten Oberfläche der Trägereinheit innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs in Bezug zur Einstrahlungsfläche kann eine Ausrichtung verstanden werden, bei der günstiger Weise keine Stufe bei einem Übergang von der Einstrahlungsfläche zu ersten Oberfläche vorhanden ist, maximal jedoch eine Stufe zwischen der ersten Oberfläche der Trägereinheit und der Einstrahlungsfläche vorhanden ist, deren Höhe nicht größer als beispielsweise 10 Prozent der Dicke der Trägereinheit und/oder der Dicke der Solarzelle ist. Unter einem elektrischen Leiter kann eine elektrisch leitfähige Verbindung wie beispielsweise ein Bonddraht verstanden werden, um die aus dem Licht erhaltene elektrische Energie an den Trägerkontaktanschluss oder einem Messersignal einer physikalischen Größe oder ein davon abgeleitetes Signal an den Trägerkontaktanschluss zu übermitteln.
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Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass ein Fotovoltaik-Modulen technisch sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden kann, wenn die Solarzelle mit der Trägereinheit derart ausgerichtet und verbunden werden, das die erste Oberfläche der Trägereinheit innerhalb des vordefinierten Toleranzbereichs bündig mit der Einstrahlungsflächen der Solarzelle ausgerichtet ist. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, einzelne oder mehrere Solarzellen, die als separates elektronisches Bauelement hergestellt werden, direkt benachbart zu einer Trägereinheit auszurichten und zu befestigen. Beispielsweise kann die Solarzelle in eine Ausnehmung oder Öffnung der Trägereinheit, beispielsweise einer Leiterplatine, eingesetzt sein und mittels eines einfachen und kostengünstigen Verdrahtungsvorgangs. Auf diese Weise kann technisch sehr einfach und kostengünstig das Fotovoltaik-Modul hergestellt werden, welches neben den Solarzellen als elektronischem (Halbleiter-)Bauelement eine Trägereinheit zur Halterung und zur elektrischen Kontaktierung der Solarzelle umfasst.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Trägereinheit die Solarzelle an zumindest zwei Seiten lateral umgibt, insbesondere wobei die Trägereinheit die Solarzelle ringförmig umschließt. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer besonders sicheren Halterung der Solarzelle, wobei zugleich durch die Einbettung der Solarzelle in die Trägereinheit ein besonders hoher Schutz der Solarzelle realisiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Umhüllungsmasse vorgesehen sein, die zumindest den Leiter einschließt und/oder die zweite Oberfläche der Trägereinheit und/oder die Kontaktierungsseite der Solarzelle überdeckt oder abdeckt. Unter einer Umhüllungsmasse kann ein Material verstanden werden, welches zumindest einen Teil des Leiters, der zweiten Oberfläche der Trägereinheit und/oder der Kontaktierungsseite der Solarzelle gegenüber Umwelteinflüssen abgeschirmt die Umhüllungsmasse kann beispielsweise in einem Herstellungsschritt des Vergießens mit einer Vergussmasse hergestellt werden. Zugleich kann durch die Ausformung der Umhüllungsmasse eine gewünschte Oberflächenform oder Struktur realisiert werden, um ein Gehäuse für das Fotovoltaik-Modul zumindest teilweise zu schaffen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Umhüllungsmasse in zumindest einem Bereich zwischen der Solarzelle und der Trägereinheit angeordnet ist und hierdurch die Solarzelle von der Trägereinheit trennt, insbesondere wobei die Solarzelle lateral vollständig von der Umhüllungsmasse umgeben ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer besonders sicheren Befestigung der Solarzelle mit der Trägereinheit.
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Um möglichst wenig Beschädigungen zu verursachen, wenn das Fotovoltaik-Modul weiter verbaut wird, kann gemäß einer günstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Umhüllungsmasse eine Umhüllungsmassenfläche ausbilden, die bündig mit der Einstrahlungsfläche und der ersten Oberfläche ausgerichtet ist. Auf diese Weise kann eine ebene Fläche auf einer Seite des Fotovoltaik-Moduls erreicht werden, die sich von der ersten Oberfläche der Trägereinheit über die Umhüllungsmassenfläche zur Einstrahlungsfläche erstreckt.
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Um eine Korrosion oder anderweitige Beschädigung von Komponenten des Fotovoltaik-Moduls sicherzustellen, kann gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Umhüllungsmasse eine fluiddichte Versiegelung eines Bereichs zwischen der zweiten Oberfläche der Trägereinheit, dem Leiter und der Kontaktierungsfläche bilden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Trägereinheit durch eine Leiterplatte gebildet sein, die eine Mehrzahl von Leiterbahnen zur Verbindung von unterschiedlichen elektronischen Bauelementen aufweist, insbesondere wobei zumindest eine der Leiterbahnen den Trägerkontaktanschluss aufweist oder bildet. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Trägereinheit sowohl zum Schutz der Solarzelle als auch zur elektrischen Kontaktierung der Solarzelle verwendet werden kann. Durch diese Mehrfachfunktion der Trägereinheit kann somit eine kompakte und raumsparende Bauform des Fotovoltaik-Moduls erreicht werden.
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Um eine besonders flexible weitere Kontaktierung des Fotovoltaik-Moduls sicherzustellen, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Trägereinheit zumindest einen Durchkontakt aufweisen, der den Trägerkontaktanschluss auf der zweiten Oberfläche der Trägereinheit mit zumindest einem weiteren Kontaktanschluss auf der ersten Oberfläche elektrisch leitfähig kontaktiert. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass das Fotovoltaik-Modul von einer beliebigen Seite selbst elektrisch kontaktiert wird, wodurch sich die Verwendungsmöglichkeit des derart ausgestalteten Fotovoltaik-Moduls deutlich erhöht.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Solarzelle ferner ein elektronisches Bauelement aufweist, das ausgebildet ist, um eine physikalische Größe zu messen und/oder ein elektrisches Signal zu verarbeiten, insbesondere wobei das elektronische Bauelement an der Kontaktierungsseite der Solarzelle angeordnet ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch das Fotovoltaik-Modul bereits eine weitere Funktionalität wie beispielsweise die Messung der physikalischen Größe und die Verarbeitung eines elektrischen Signals bereitgestellt wird, wobei insbesondere diese weitere Funktionalität aus elektrischer Energie der Solarzellen gespeist wird.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Fotovoltaik-Modul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Draufsichtdarstellung auf das Fotovoltaik-Modul gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Schnittdarstellung eines Fotovoltaik-Moduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Draufsichtdarstellung auf das Fotovoltaik-Modul gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5A bis E Schnittdarstellungen von unterschiedlichen Herstellungsstadien eines Fotovoltaik-Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Schnittdarstellung eines Fotovoltaik-Moduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7A eine Schnittdarstellung eines Fotovoltaik-Moduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7B eine Schnittdarstellung eines Fotovoltaik-Moduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 eine Schnittdarstellung eines Fotovoltaik-Moduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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9 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren zur Herstellung eines Fotovoltaik-Moduls.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Fotovoltaik-Modul 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist das Aufbaukonzept des Fotovoltaik-Moduls in einer beispielhaften Variante der Erfindung in einer Schnittdarstellung wiedergegeben. Das Fotovoltaik-Modul 100 umfasst eine Solarzelle 110 (die auch als Photovoltaikzelle oder PV-Zelle bezeichnet werden kann), wobei diese Solarzelle 110 beispielsweise ein in einem Sensorsystem 115 mit beispielsweise einem mikroelektronischen mechanischen Sensor (MEMS) 120 und/oder einer ASIC-Auswerteschaltung 125 derart integriert, dass einer dem einfallenden Licht zugewandte solaraktiven Seite 135 (die auch als Einstrahlungsseite bezeichnet werden kann) der PV-Zelle 110 gemeinsam mit der Unterseite 140 (im Folgenden auch als erster Oberfläche bezeichnet) eines neben der Solarzelle 110 angeordneten Umverdrahtungsbereiches (Interposers) als Trägereinheit 150 einen unteren Gehäuseabschluss eines das Fotovoltaik-Modul 100 einhausenden Gehäuses 155 bildet. Dabei ist die erste Oberfläche 140 der Trägereinheit 150 in einem gemeinsamen Höhenniveau mit der Einstrahlungsfläche 135 der Solarzelle 110 ausgerichtet. Unter einem gemeinsamen Höhenniveau kann hierbei beispielsweise eine Anordnung der ersten Oberfläche 140 in Bezug zur Einstrahlungsfläche 135 betrachtet werden, bei der eine Stufe eines Übergangs zwischen der Einstrahlungsfläche 135 zur ersten Oberfläche 140 möglichst klein oder gar nicht vorhanden ist, höchstens jedoch 10 Prozent einer Dicke der Trägereinheit 155 oder der Solarzelle 110 beträgt.
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Die Trägereinheit 155 kann vorliegend als „Interposer“ bezeichnet werden, wobei in diesem Fall als Trägereinheit 155 ein Bereich oder ein Bauteil gemeint ist, welches die „FinePitch“-Kontakte von unter anderem Silizium-Chips in den „gröberen" Pitch der Leiterplattenkontakte umsetzt. In der in 1 gezeigten Ausführung erstreckt sich der Interposer, d. h. die Trägereinheit 150, ringförmig um die Solarzelle 110 und schließt diese lateral vollständig ein, was aus der nachfolgend noch näher beschriebenen 2 besser ersichtlich wird. Der Bereich 160 zwischen Solarzelle 110 und Interposer 150 ist mit einer Umhüllungsmasse 165 (die auch als Pressmasse oder Moldmasse bezeichnet werden kann) ausgefüllt. Bei dem Interposer 150 kann es sich beispielsweise um eine Leiterplatte (die in Fachkreisen auch unter der Bezeichnung PCB (PCB = Printed Circuit Board) bekannt ist) handeln. Der Interposer 150 enthält metallisierte Durchkontakte 170 für die elektrische Verbindung zwischen metallischen Kontaktflächen 175 an der Unterseite (erste Oberfläche 140) und Oberseite (zweite Oberfläche 177) der Trägereinheit 150. Diese metallischen Kontaktflächen 175 der Trägereinheit 150 können als Trägerkontaktanschluss bezeichnet werden, da sie eine Kontaktierung der Trägereinheit 150 von der Solarzelle 110 und umgekehrt ermöglichen. Alternativ kann der Interposer 150 auch in der 1 nicht dargestellte Metallkontakte an der Außenkante (bzw. an einer der Solarzelle 110 gegenüberliegenden Kante) enthalten, welche beispielsweise durch Anordnung der Durchkontakte 170 in einer Sägelinie erzeugt werden. Die Solarzelle 110 und evtl. weitere Bauelemente 120 bzw. 125, welche auf einer Rück- oder Kontaktierungsseite 183 der Solarzelle 110 aufgebracht und über einen Zellenkontaktanschluss 185 (der von der Solarzelle 110 elektrisch isoliert ist) kontaktierbar sind, werden untereinander bzw. zum Interposer 150 mittels zumindest eines elektrischen Leiters 190 unter Verwendung eines Drahtbond-Verfahrens oder unter Verwendung von FC-Technologien (FC = Flip-Chip) kontaktiert. Die Drahtbondkontakte 190 welche zu zum Interposer 150 gezogen werden erstrecken sich dabei über den von Mold- oder Umhüllungsmasse 165 ausgefüllten Bereich zwischen Interposer 150 und PV-Zelle 110. Das in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die direkte Kontaktierung von Bauelementen 120 bzw. 125 untereinander bzw. direkt zum Interposer-Ring 150 sowie eine Kontaktierung eines ASICs 125 als Auswerteschaltung. Die PV-Zellen-Rückseite (d. h. die Kontaktierungsseite) sowie die Bauelemente 120 bzw. 125 auf dieser und der Interposer-Bereich 150 sind von der Pressmasse / Moldmasse, d. h. von der Umhüllungsmasse 165 (zumindest teilweise) überdeckt.
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2 zeigt eine Draufsichtdarstellung auf das Fotovoltaik-Modul gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der 2 ist dabei eine Ansicht von unter dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die PV-Zelle 110 ist vom Interposer 150 ringförmig umgeben. An der Unterseite 140 des Interposers 150 sind metallisierte Kontaktflächen 175 angeordnet, welche unter anderem der Kontaktierung des Systems bzw. des Fotovoltaik-Moduls 100 durch Löten dienen können. Der Bereich 160 zwischen PV-Zelle 110 und Interposerring 150 ist durch Pressmasse / Moldmasse 165 ausgefüllt. Dargestellt ist ein Einzelsystem eines Fotovoltaik-Moduls 100. Die Erfindung kann jedoch gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel im Nutzen (beispielsweise von vielen Einzelsystemen im Array) ausgeführt und im letzten Prozessschritt nach dem Mold bzw. einem Verguss der Umhüllungsmasse 165 durch beispielsweise durch Sägen vereinzelt werden.
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Zusammenfassend ist zum in den 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel anzumerken, dass zur einfachen, robusten und vor allem kleinbauenden Integration von Solarzellen als Energiewandler in elektronische Systeme wie Sensormodule aktuell nur wenige denkbare Konzepte zur Verfügung stehen. Aufwändige Prozesse wie Mold-Via-Technologie, Umverdrahtungen durch lithografische Prozesse, Embedding-Technologie zeigen sich als noch nicht ausgereift und sehr kostenintensiv. Zudem unterliegt die Integration von Solarzellen besonderen Herausforderungen. So ist eine Öffnung bzw. ein Zugang zur solaraktiven Seite (d. h. der Einstrahlungsseite) der PV-Zelle 110 wünschenswert. Zudem sollten Kanten der Solarzellen 110 geschützt und elektrische Leitungswege 175 bzw. 190 sowohl lateral als auch vertikal umverdrahtet werden können. Ein hohes Potenzial, vor allem hinsichtlich geringer Kosten für die Aufbau- und Verbindungstechnik stellen Aufbaukonzepte dar, welche weitestgehend auf Standard-Prozessen beruhen, wie sie unter anderem für die Gehäuse von Elektronikschaltungen, weltweit Verwendung finden.
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Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, ein Aufbau- und Kontaktierungskonzept für ein Fotovoltaik-Modul 100 mit Solarzellen 110 in elektronischen Systemen zu schaffen sowie eine Möglichkeit für ein Verfahren zur Herstellung des Fotovoltaik-Moduls 100 zu schaffen, wobei dieses Fotovoltaik-Modul 100 mindestens einen Umverdrahtungsbereich 150 (der hier auch als Interposer oder Trägereinheit bezeichnet wird), welcher Kontaktflächen 175 zur elektrischen und/oder mechanischen Kontaktierung enthält und weiterhin mindestens eine Solarzelle 110, die insbesondere mit mindestens einem elektronischen Bauelement 120 bzw. 125 verbunden ist. Das Fotovoltaik-Modul 100 umfasst günstigerweise einen Interposer 150 oder eine Trägereinheit, die mindestens einseitig neben der Solarzelle 110 angeordnet ist, wobei beispielsweise eine Unterseite 140 des Interposers 150 mit der solaraktiven Seite (Einstrahlungsseite 135) der PV-Zelle 110 einen gemeinsamen unteren Abschluss bilden, d. h. eine gemeinsame Gehäusefläche eines Gehäuses 155 auf günstigerweise einem Höhenniveau bilden.
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Insbesondere kann sich der Interposer 150 ringförmig um die PV-Zelle 110 erstreckt und diese lateral umschließen. Auch kann das Fotovoltaik-Modul 100 bzw. die Solarzelle 110, die Trägereinheit 150 und der elektrische Leiter 190 zumindest teilweise durch eine Moldmasse 165 bedeckt sein. Dabei kann sich die Moldmasse 165 mindestens über die nicht solaraktive Seite 135 (Einstrahlungsseite) der PV-Zelle 110, dass mindestens eine weitere Bauelement 120 bzw. 125 sowie den Interposer 150 erstrecken, wobei die Moldmasse 165 den Bereich 160 zwischen Interposer 150 und Solarzelle 110 derart ausfüllt, dass sich an der solaraktiven Seite 135 umlaufend um die PV-Zelle 110 ein weitestgehend ebener Bereich ergibt. Auch können die elektrischen Kontaktflächen 175 des Interposers 150 an der Oberseite 177 über Standard-AVT-Kontaktierungstechnologien kontaktiert werden, was sich besonders kostengünstig erweist. Hierzu können beispielsweise die Kontaktflächen 175 mittels eines Drahtbond-Verfahrens zu Metallisierungsbereichen (d. h. den Zellenanschlusskontakten 185) auf der PVZellenrückseite 183 (Kontaktierungsseite) oder des mindestens einen elektronischen Bauelements 120 bzw. 125 kontaktiert sein. Auch kann der Interposer 150 elektrische Durchkontakte 175 enthalten, welche die Kontaktflächen 175 an der Oberseite 177 mit den Kontaktflächen 175 an der Unterseite 140 des Interposers 150 elektrisch leitend verbinden.
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Der hier beispielhaft vorgestellte Ansatz ermöglicht die Realisierung einiger Vorteile. Beispielsweise wäre hier anzuführen, dass ein Einbringen der PV-Zelle 110 über Standard-AVT-Technologien (d. h., ein standardisiertes Bestücken) erfolgt, was sich besonders kostengünstig erweist. Auch können elektrische Kontakte zum Umverdrahtungsbereich 150 über Standard-AVT-Technologien (u.a. mittels eines Drahtbondens) erfolgen und es kann ein Kantenschutz für die Solarzelle 110 durch Moldmasse 165 technisch sehr einfach realisiert werden. Auch können Durchkontakte 170 zur den elektrischen Kontaktflächen 175 auf der Unterseite 140 des Systems 100 über Standard-Technologien der Leiterplattenfertigung (Durchkontaktierungsherstellung) ausgebildet werden. Zugleich ist eine hohe Zuverlässigkeit des Fotovoltaik-Moduls 100 durch bekannte Materialgrenzflächen sichergestellt. Auch kann eine hohe Designfreiheit bedingt beispielsweise durch eine Umverdrahtung in der Leiterplatte 150 und über bekannte und kostengünstige Leiterplattenprozesse erreicht werden. Zugleich können Kantenkontakte oder Lands realisiert werden. Auch kann eine Standard-AVT-Prozessfolge (z. b. ein Bestücken, Drahtbonden, Molden oder dergleichen erfolgen). Ferner ermöglichen Standardprozesse geringe Kosten und es können Standardmaterialien (beispielsweise PCB-Duroplast, Kupfer, Moldmasse, Silizium oder dergleichen) verwendet werden. Auch ist ein Zusammenwirken der Materialien über Temperatur und Alterung bekannt, sodass eine Lebensdauer des Fotovoltaik-Moduls präzise eingestellt oder abgeschätzt werden kann.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Fotovoltaik-Moduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist der Interposer 150 einseitig neben der PV-Zelle 110 angeordnet. Der Bereich 160 zwischen Solarzelle 110 und Interposer 150 ist mit Pressmasse / Moldmasse 165 ausgefüllt. Zudem ist die PV-Zelle 110 lateral vollständig mit Moldmasse 165 umgeben. 4 zeigt eine Draufsichtdarstellung (solaraktive Seite) auf das Fotovoltaik-Modul gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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5A bis E zeigen Schnittdarstellungen von unterschiedlichen Herstellungsstadien eines Fotovoltaik-Moduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In den Teilfiguren der 5 wird somit ein Herstellungsverfahren bzw. ein Verfahren zur Realisierung des Ausführungsbeispiels der Erfindung am Beispiel des in 1 beschriebenen Fotovoltaik-Moduls 100 gezeigt. Zu Beginn des Prozesses wird, wie in der 5A dargestellt, der Interposer 150 bzw. eine Arrayanordnung vieler Interposer 150 an der Interposerunterseite 140 mit einer temporären Trägerfolie 500 z. B. durch Auflaminieren oder Aufkleben belegt. Alternativ kann es sich um eine Trägerfolie 500 handeln, welche bereits bei der Herstellung mit Umverdrahtungsbereichen 150 versehen wird. Die Trägerfolie 500 überspannt der Bestückbereich der PV-Zelle 110. Die PV-Zelle 110 wird durch z. B. Aufkleben mittels eines Bestückers auf die Trägerfolie 500 aufgebracht, sodass ein Herstellungsstadium des Fotovoltaik-Moduls 100 erreicht wird, wie er in der 5B dargestellt ist. Im nächsten Prozessschritt, dessen Herstellungsstadium für das Fotovoltaik-Modul 100 in der 5C dargestellt ist, werden die Bauelemente (z. B. Bare die Chips 120, 125, SMD-Gehäuse, BGA, LGA, weitere Leiterplatten (PCB), weitere Leiterplatten mit weiteren bestückten Chips etc.) auf die PV-Zellenrückseite 183 bestückt und z. B. durch Kleben oder Löten (wobei die Lötkontakte in der 5C nicht dargestellt sind) mechanisch oder im Falle des Lötens unter Umständen auch unter Verwendung von elektrischen Leitern 190 elektrisch kontaktiert. Des Weiteren können die Bauelemente 120 und die PV-Zelle 110 untereinander, zum Interposerring 150 und zur Solarzellenrückseite durch Drahtbonden mit elektrischen Leitern 190 elektrisch kontaktiert werden. So ist es auch denkbar, mehrere PV-Zellen 110 nebeneinander auf der Trägerfolie 500 anzuordnen und über Drahtbonds 190 parallel oder in Reihe zu verschalten.
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Nach einem Moldschritt, bei welchem die PV-Zellen Rückseite, die auf der Rückseite angeordneten Bauelemente 120 bzw. 125, sowie die Rückseite 140 des Interposers 177 (zweite Oberfläche) mit einer Vergussmasse 165 (zumindest teilweise) überdeckt werden, wird die Trägerfolie 500 abgezogen bzw. abgelöst. Das Ergebnis dieses Herstellungsschritts bzw. der Vorgang des Abziehens der Trägerfolie 500 ist in der 5D dargestellt. Dieses Abziehen kann unter anderem mechanisch oder durch einen thermischen Prozessschritt durchgeführt werden. Zudem ist es möglich, bestimmte Bereiche von der Vergussmasse 165 freizuhalten, beispielsweise als Medienzugang für Drucksensoren. Das auf diese Weise hergestellte Fotovoltaik-Modul 100 ist (bis auf den Medienzugang) in der 5E dargestellt.
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Alternativ zur direkten Kontaktierung von Bauelementen 120 bzw. 125 zum Interposerring 150, kann die PV-Zellen-Rückseite 183 auch Umverdrahtungsschichten 600 enthalten, welche es erlauben die elektronischen Bauelemente 120 bzw. 125 von der Anordnung her flexibler aufzubringen und zur Umverdrahtung bzw. der Trägereinheit 150 zu kontaktieren. Ein solches Ausführungsbeispiel eines Fotovoltaik-Moduls der vorliegenden Erfindung ist als Schnittdarstellung in der 6 wiedergegeben. Über eine Leiterbahnführung 600 werden die Signale der elektronischen Bauelemente 10 bzw. 125 dann zu weiteren z. B. nahe des Interposers 150 platzierten Kontaktfläche 185 geführt und über Drahtbonds 190 zum Interposer 150 kontaktiert. Die Umverdrahtung bzw. der Leiterbahnen 600 für die Umverdrahtung kann z. B. durch lithografische Prozesse erfolgen.
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7 zeigt eine Schnittdarstellung eines Fotovoltaik-Moduls 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die solaraktive Seite 135 der PV-Zelle 110 kann durch Schutzschichten 700, Schutzfolien oder Schutzlacke geschützt werden. Diese können sich lateral bis zum Interposerring 150 bzw. dessen Unterseite 140 ausdehnen und zur Isolierung von metallisierten Kontaktflächen 175 genutzt werden. Im Bereich der solaraktiven Seite 135 (Einstrahlungsseite) ist die Schutzschicht 700 entsprechend optisch transparent ausgeführt, wie dies in der 7B dargestellt ist. Des Weiteren kann es sich bei der Schutzschicht 700 auch um die Trägerfolie 500 gemäß der Beschreibung des Herstellungsverfahrens in den Teilfiguren der 5 handeln. Des weiteren kann die Umverdrahtungsschicht 600 selbst eine Umverdrahtung enthalten um unter anderem eine elektrische Kontaktierung der solaraktiven Seite 135 (Vorderseitenkontaktierung) der PV-Zelle 110 zu gewährleisten. Bei Verwendung einer mechanisch robusten und tragfähigen Schutzschicht 700 / Schutzfolie bei der Ausführung mit Interposerring 150 kann alternativ zu Vergussmasse 165 ein Metall- oder Kunststoffdeckel eingesetzt werden, welche mit dem Interposerring 150 mechanisch fest verbunden wird und den Bereich der PV-Zellerückseite 183 überragt und abdeckt. Gegebenenfalls sind Durchlöcher im Metalldeckel als Medienzugang möglich.
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8 zeigt eine Schnittdarstellung eines Fotovoltaik-Moduls 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung alternativ zur Kontaktierung des Interposers 150 zur PV-Zellen-Rückseite 183 bzw. dort angeordneten Bauelementen 120 bzw. 125 können Molddurchkontakte 800 ausgeführt werden, welche den mit Pressmasse 165 ausgefüllten Bereich 160 zwischen PV-Zelle 110 und Interposer 150 überspannen. Die Verbindung der Molddurchkontakte 800 an einer der Solarzelle 110 und/oder der Trägereinheit 150 gegenüberliegenden Moldoberseite 810 der Vergussmasse 165 über Leiterbahnen 820 kann bei Ausführung von Kontaktflächen auch zur Kontaktierung weiterer Systeme verwendet werden (Package an Package).
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9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 900 zur Herstellung eines Fotovoltaik-Moduls 100. Das Fotovoltaik-Modul umfasst zumindest eine Solarzelle, die eine Einstrahlungshauptfläche (135) zum Empfang von Licht aufweist, welches zur Bereitstellung einer Spannung vorgesehen ist, wobei das Fotovoltaik-Modul eine Trägereinheit aufweist, die zumindest auf einer ersten Seite lateral versetzt zu der Solarzelle angeordnet ist, wobei eine erste Oberfläche der Trägereinheit innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs bündig mit der Einstrahlungsfläche der Solarzelle ausgerichtet ist. Das Fotovoltaik-Modul umfasst ferner zumindest einem elektrischen Leiter, der einen Trägerkontaktanschluss an einer der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche der Trägereinheit mit einem Zellenkontaktanschluss eines elektronischen Bauelements an der Solarzelle oder der Solarzelle elektrisch leitfähig kontaktiert, wobei der Zellenkontaktanschluss auf einer der Einstrahlungsfläche gegenüberliegenden Kontaktierungsseite der Solarzelle angeordnet ist. Das Verfahren 900 umfasst einen Schritt 910 des Bereitstellens der Trägereinheit und der Solarzelle. Ferner umfasst das Verfahren 900 einen Schritt 920 des Anordnens der Solarzelle in Bezug zur Trägereinheit, derart dass die Trägereinheit zumindest auf einer ersten Seite lateral versetzt zu der Solarzelle angeordnet ist, und wobei die erste Oberfläche der Trägereinheit innerhalb des vordefinierten Toleranzbereichs bündig mit der Einstrahlungsfläche der Solarzelle ausgerichtet ist. Schließlich umfasst das Verfahren 900 einen Schritt 930 des elektrisch leitfähigen Verbindens des Zellenkontaktanschlusses mit dem Trägerkontaktanschluss, um das Fotovoltaikmodul herzustellen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0169554 A1 [0005]
