DE102015001942A1

DE102015001942A1 - Verschaltung von Solarzellen in Solarmodul

Info

Publication number: DE102015001942A1
Application number: DE102015001942.2A
Authority: DE
Inventors: Julian Mattheis; Lars Hamann; Robert Wade
Original assignee: SOLSOL GmbH
Current assignee: SOLSOL GmbH
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2016-09-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul sowie ein Verfahren und eine Maschine zur Herstellung des Solarzellenmoduls. Während die Lötbändchen, die zur Verschaltung der einzelnen Solarzellen im Modul verwendet werden, gemäß dem Stand der Technik über einen konstanten Querschnitt verfügen, reduziert die Erfindung optische und resistive Verluste im Modul durch die Variation des Lötbändchenquerschnitts. In Bereichen hoher Stromflüsse oder ohne Abschattung wird der Lötbändchenquerschnitt vergrößert und in Bereichen kleiner Stromflüsse oder mit Abschattung wird der Querschnitt verringert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verschaltung von Solarzellen in einem Solarmodul
Stand der Technik
Gemäß dem Stand der Technik werden Solarzellen aus kristallinem Silizium in einem Solarmodul elektrisch verschaltet. Hierbei werden typischerweise 10 oder 12 einzelne Zellen durch Lötbändchen in einem sogenannten String in Serie geschaltet, wie in und exemplarisch anhand von zwei Solarzellen (101) dargestellt. Die Lötbändchen (102) sind Lot-beschichtete Kupferbändchen. Typischerweise handelt es sich um Zinn-haltige Lote. Die Lötbändchen werden in einer Lötmaschine, dem sogenannten Stringer, aufgebracht und es wird jeweils die Frontseite einer Zelle mit der Rückseite der nächsten Zelle verbunden, um die Serienverschaltung der Einzelzellen zu erhalten. Die Lötbändchen werden im Stringer von einer Rolle abgewickelt, auf die gewünschte Länge geschnitten und anschließend mit den Zellen verlötet. Die Lötbändchen verfügen über eine konstante Breite und Dicke.
Aufgrund der hohen Ströme im Solarmodul von bis zu 9 A sind die resistiven Leistungsverluste in den Lötbändchen sehr hoch. Gemäß dem Stand der Technik betragen die resistiven Verluste in den Lötbändchen typischerweise ca. 4% der Gesamtleistung. Um die Verluste zu reduzieren, ist man bestrebt, möglichst dicke und breite Lötbändchen einzusetzen. Die Dicke der Bändchen kann jedoch nicht beliebig erhöht werden, da mit zunehmender Dicke der zunehmende thermomechanische Stress in den Solarzellen beim Verlöten und während des Betriebs der Solarmodule zur Bildung von Rissen und μ-Rissen in den fragilen Solarzellen führt. Daher beträgt die Dicke der Lötbändchen typischerweise nicht mehr als 200–250 μm. Die Breite der Lötbändchen kann ebenfalls nicht beliebig erhöht werden, da ansonsten die optischen Verluste durch die Abschattung der Lötbändchen zu hoch werden. Es ergibt sich eine optimale Breite aus Optimierung der resistiven und optischen Verluste. Die optimale Breite hängt von der Anzahl der Lötbändchen ab, die zur Verschaltung verwendet werden. Bei den typischerweise verwendeten 3 Bändchen liegt die optimale Breite zwischen 1–2 mm. Der lichtgenerierte Strom fließt auf der Vorderseite der Solarzelle (201) über die Frontseitenmetallisierung (203) in die Lötbändchen (202) wie in durch Pfeile dargestellt. Am Anfang des Lötbändchens bei der x-Koordinate x₀ ist der Strom sehr gering und nimmt durch den stetigen Eintrag aus der Solarzelle in Richtung der nächsten Zelle linear zu bis er an der Koordinate x₁ sein Maximum erreicht. Auf der Rückseite nimmt der Strom in den Lötbändchen wieder ab.
Beschreibung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, die optischen und resistiven Verluste in den Lötbändchen zu reduzieren. Die Erfindung löst das Problem durch einen variablen Querschnitt, insbesondere eine variable Breite der Lötbändchen und eine Entkopplung der Vorderseiten- und Rückseitengeometrie der Lötbändchen.
In einer Auslegungsform der Erfindung besitzen die Lötbändchen eine Breite, die über ca. eine Zell-Länge zwischen x₀ und x₁ zunimmt wie in dargestellt. Die Zunahme kann beispielsweise linear erfolgen. Die Anfangsbreite des Bändchens an der Stelle x₀ auf der Solarzellenvorderseite ist deutlich geringer als die Endbreite des Bändchens an der Stelle x₁ auf der Vorderseite. Im Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Zellen bleibt der Strom konstant. Die Lötbändchenbreite kann konstant bleiben oder erhöht werden, da sie keine photovoltaisch aktive Fläche auf der Solarzelle abdeckt. Auf der Rückseite der nächsten Solarzelle gibt es auch keine optische Abschattung. Daher kann die Breite dort ebenfalls erhöht werden. Um Material zu sparen, verringert sich die Bändchenbreite von der Position x₂ zum Bändchenende x₃. Die Anfangsbreite an der Stelle x₀ auf der Frontseite beträgt beispielsweise 0.2–0.5 mm, die Endbreite an der Verbindungsstelle x₁ zur nächsten Solarzelle beträgt beispielsweise mehr als 1 mm bei Solarzellen mit mindestens 5 Bus Bars und mehr als 2 mm bei Solarzellen mit 2–4 Bus Bars. Für den Widerstand des Lötbändchens ist der Querschnitt maßgeblich. Neben der Breite des Bändchens kann daher auch die Dicke variiert werden. Allerdings ergibt sich hier die Einschränkung durch die mit der Dicke zunehmende thermomechanische Belastung beim Abkühlen nach dem Lötprozess.
Zur Herstellung von Lötbändchen mit konstanter Breite wird typischerweise ein Kupferdraht flach gewalzt und anschließend mit Lötzinn beschichtet. Die Herstellung von Lötbändchen mit variabler Breite erfordert einen aufwändigeren und teureren Stanzprozess, bei dem es auch zu Ausschuss kommen kann. In einer weiteren Auslegungsform der Erfindung wird daher auf den Einsatz von Bändchen mit variabler Breite verzichtet. Stattdessen werden zwei verschiedene Arten von Lötbändchen auf Vorder- und Rückseite der Solarzellen verwendet, wie in dargestellt. Auf der Vorderseite werden schmale Bändchen (402) verwendet, die auf minimale optische und elektrische Verluste optimiert sind. Im Vergleich zum Stand der Technik wird die Breite der Bändchen reduziert, da die elektrischen Verluste aufgrund der halbierten Länge nur halb so groß sind und daher den Abschattungsverlusten eine höhere Bedeutung zukommt. Auf der Rückseite hingegen wird die Lötbändchenbreite (403) deutlich erhöht. Neben der Breite kann ebenso auch die Dicke des Bändchens erhöht werden. Es gibt keine Abschattungsverluste und eine Verbreiterung der Bändchen reduziert die elektrischen Verluste. zeigt den Einfluss der Bändchenbreite auf der Solarzellenrückseite auf die Modulleistung. Durch verbreiterte Bändchen können die Verluste im Modul um bis zu 2% rel. verringert werden. Mit zunehmender Breite wird der Leistungsgewinn immer geringer, so dass zwischen Materialkosten und Leistungsgewinn abgewogen werden muss. Die experimentellen Ergebnisse passen sehr gut zu den simulierten Werten. Es wurde bei 300 W Modulen ein Leistungsgewinn von 6 W erzielt, was genau den simulierten 2% entspricht. Die zusätzlichen Kosten für den erhöhten Materialeinsatz auf der Rückseite werden durch den Leistungsgewinn überkompensiert. Im Zwischenraum zwischen den Zellen werden die Lötbändchen von Vorder- und Rückseite verbunden, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Um die Solarzellen gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung zu verlöten, muss der Stringer die doppelte Anzahl von Lötbändchenrollen bereithalten. Durch geschickte Anordnung der Rollen lassen sich die Zellen jedoch gut verschalten. Beispielsweise können Vorder- und Rückseitenbändchen in verschiedenen vertikalen oder horizontalen Ebenen arrangiert und anschließend zum Verlöten bereitgestellt werden. Die Verbindung der Vorder- und Rückseitenbändchen geschieht in demselben Lötprozess, in dem auch die Bändchen an den Zellen angelötet werden. Hierzu bedarf es zusätzlicher Niederhalter in den Zwischenräumen zwischen den Zellen. Alternativ können die Bändchen auch miteinander verlötet werden, bevor die Bändchen auf den Zellen abgelegt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Erfindung mit kolorierten oder strukturierten Lötbändchen kombiniert werden wie sie beispielsweise aus den Druckschriften US020070125415A1 oder DE 10 2010 004 439 A1 bekannt sind. Ziel der Kolorierung oder Strukturierung auf der Frontseite ist die Verringerung der Reflexionsverluste auf dem Lötbändchen durch Streuung des Lichts an der Bändchenoberfläche und Rückreflexion auf die aktive Solarzellenfläche mittels totaler interner Reflexion am Modulglas. Da die kolorierten oder nicht-verzinnten strukturierten Bereiche sich nicht auf die Rückseite der Solarzellen löten lassen, müssen die Bändchen verschiedene Abschnitte für Vorder- und Rückseite aufweisen. Am Stringanfang und Ende führt die regelmäßige Folge der Abschnitte typischerweise zu einem Verschnitt von ca. 10% und einem Durchsatzverlust im Stringer. Die Erfindung löst das Problem durch die Kombination von zwei Bändchentypen für Vorder- und Rückseite wie oben beschrieben und in dargestellt. Hierbei sind nur die Bändchen für die Vorderseite strukturiert oder koloriert. Für die Rückseite werden durchgängig verzinnte Lötbändchen verwendet. Dadurch können die Lötbändchen für die Vorderseite auf der gesamten Länge koloriert oder strukturiert werden. Es entstehen weder Verschnitt noch Durchsatzverlust.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Leitfähigkeit der Lötbändchen auf der Rückseite der Solarzellen unterstützt werden, indem manuell zusätzliche Lötbändchen oder -folien aufgebracht werden. Diese Alternative wird verwendet, wenn kein geeigneter Stringer in der Modulproduktion zu Verfügung steht. Der elektrische Kontakt zu den bereits im String vorhandenen Lötbändchen wird über einzelne Lötpunkte oder auch rein über die Druckverbindung im Laminat hergestellt.
Die vorliegende Erfindung kann für alle Arten beidseitig kontaktierter Silizium Solarzellen verwendet werden. Der Effekt ist unabhängig von der Anzahl der Stromsammelschienen (Bus Bars) pro Solarzelle. Typischerweise werden derzeit 2–3 Bus Bars pro Zelle verwendet. Das Konzept ist jedoch auch für mehr Bus Bars geeignet, z. B. für 4–10 Bus Bars.
Beschreibung der Abbildungen
Nachfolgend werden beispielhaft Ausführungsformen solcher Strukturen mit Bezug auf die begleitenden Abbildungen beschrieben. Die in den Abbildungen dargestellten Elemente sind nicht maßstabsgetreu dargestellt. Sie dienen der Erläuterung wesentlicher Aspekte der Ausführungsformen. Vollständige Solarmodule können weitere Elemente enthalten, die hier nicht dargestellt sind. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, sofern eine solche Kombination nicht explizit oder aus technischen Gründen ausgeschlossen ist.
: Verschaltung von Solarzellen (101) zu einem String mittels Lötbändchen (102) nach dem Stand der Technik dargestellt als Aufsicht (a) und Querschnitt (b)
: Stromfluss zwischen zwei Solarzellen. Der Licht-generierte Strom fließt auf der Vorderseite der Solarzelle (201) über die Metallfinger (203) von der Solarzelle in die Lötbändchen (202). Der Strom im Lötbändchen nimmt in Richtung der nächsten Zelle linear zu. Auf der Rückseite der nächsten Solarzelle nimmt der Strom im Lötbändchen wieder ab, da er über die Rückseitenmetallisierung in die Solarzelle fließt.
: Solarzellen (301), die mit Lötbändchen (302) mit variabler Lötbändchenbreite verschaltet werden. Die Anfangsbreite auf der Frontseite an der Stelle x₀ ist deutlich geringer als die Endbreite auf der Vorderseite an der Stelle x₁. Die Anfangsbreite auf der Rückseite an der Stelle x₂ ist deutlich größer als die Endbreite auf der Rückseite an der Stelle x₃.
: Verschaltung von Solarzellen (401) zu einem String mittels schmalen Lötbändchen (402) auf der Vorderseite und breiten Lötbändchen (403) auf der Rückseite der Solarzellen.
: Simulierte Abhängigkeit der Modulleistung von der Breite der Lötbändchen auf der Zellrückseite, wenn die Zellen gemäß verschaltet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 020070125415 A1 [0007]
DE 102010004439 A1 [0007]

Claims

Solarzellenmodul, bei dem der Querschnitt der zur Verschaltung der einzelnen Solarzellen verwendeten Lötbändchen nicht konstant ist.
Solarzellenmodul gemäß Anspruch 1, bei dem der Lötbändchenquerschnitt auf der Frontseite der Solarzellen vom Anfang der Bändchen in Richtung der nächsten verschalteten Zelle im String zunimmt.
Solarzellenmodul gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Lötbändchenquerschnitt auf der Rückseite der Solarzellen vom Anfang der Bändchen in Richtung der nächsten verschalteten Zelle im String zunimmt.
Solarzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Lötbändchenquerschnitt um mehr als einen Faktor 1.5, bevorzugt einen Faktor 2, variiert.
Solarzellenmodul gemäß Anspruch 1, bei dem die Lötbändchen auf der Rückseite der Solarzellen einen größeren Querschnitt besitzen als auf der Vorderseite der Solarzellen.
Solarzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1–5, bei dem die Dicke der Lötbändchen konstant ist und lediglich die Breite der Lötbändchen variiert.
Solarzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1–6, bei dem für Vorder- und Rückseite der Solarzellen verschiedene Lötbändchen verwendet werden, die – bevorzugt im Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Zellen – miteinander verbunden sind.
Solarzellenmodul gemäß einem der Ansprüche 1–7, bei dem die Lötbändchen auf der Vorderseite der Solarzelle koloriert oder strukturiert sind.
Verfahren zur Herstellung von Solarzellenmodulen gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.
Maschine zur Verschaltung von Solarzellen zu Strings in Solarzellenmodulen gemäß einem der Ansprüche 1–8.