DE102017110207B4

DE102017110207B4 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von photovoltaik-minizellen

Info

Publication number: DE102017110207B4
Application number: DE102017110207.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2037-05-12
Also published as: DE102017110207A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Photovoltaik-Minizellen mit den Schritten:a) Bereitstellen von zumindest einer Photovoltaik-Basiszelle (BZ) ;b) Partitionieren der zumindest einen Photovoltaik-Basiszelle (BZ) in eine Vielzahl vongleich großen Photovoltaik-Minizellen (MZ); undc) Durchführen einer Kantenbehandlung der Vielzahl von gleich großen Photovoltaik-Minizellen (MZ),dadurch gekennzeichnet, dassin Schritt a) eine Vielzahl von Photovoltaik-Basiszellen (BZ) mit einem Verbindungsmittel (VM) zu einem Basis-Zellenstapel (ZS) verbunden werden und der Basis-Zellenstapel (ZS) in einem Trennkäfig 4 abgelegt wird;in Schritt b) eine Vielzahl von ersten Trennschnitten am Basis-Zellenstapel (ZS) in einer ersten Orientierung (01) zum Ausbilden von Zellenstapel-Scheiben durchgeführt werden, und eine Vielzahl von zweiten Trennschnitten an den Zellenstapel-Scheiben in einer zur ersten Orientierung (01) um 90 Grad gedrehten zweiten Orientierung (02) zum Ausbilden von Mini-Zellenstapeln durchgeführt werden;in Schritt c) die Kantenbehandlung an den als Mini-Zellenstapeln vorliegenden Photovoltaik-Minizellen (MZ) durchgeführt wird; wobeiin einem weiteren Schritt d) die Mini-Zellenstapel in Photovoltaik-Minizellen (MZ) durch Lösen des Verbindungsmittels (VM) vereinzelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Photovoltaik-Minizellen und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Photovoltaik-Minizellen für mobile Einrichtungen, gebäudeintegrierte Photovoltaik und kleinteilige Dachinstallationen.
Die vorherrschende, massenhaft produzierte Photovoltaik (PV) basiert vorwiegend auf Silizium. Dabei kommen überwiegend PV-Zellen mit folgenden Abmessungen zum Einsatz:

1) quadratische Photovoltaik (PV)-Zellen mit Kantenlängen von 15,6 cm x 15,6 cm = 243,36 cm² pro PV-Zellen die auch 6"-Zellen genannt werden. Die Zelldicken liegen typischerweise im Bereich von 160 µm bis etwa 200 µm, es können aber davon abweichende Dicken eingesetzt werden.
2) ältere Produktions- und Pilotlinien produzieren PV-Zellen mit Kantenlängen von 12,5 cm x 12,5 cm = 156,25 cm², die auch 5"-Zellen genannt werden. Die Zelldicken liegen ebenfalls im Bereich von 160 µm bis etwa 200 µm.

Die 6"-Silizium-PV-Zellen sind de facto die PV-Basiszellen. Es werden mehrere Milliarden derartiger Zellen pro Jahr hergestellt. Die entsprechenden Kapazitäten werden weiter ausgebaut. Die Produktion von PV-Zellen erfolgt in Produktionslinien, die mittels Nutzen der Skalierungseffekte Produktionskapazitäten im 1 - 2 stelligen GWpeak-Bereich aufweisen. PV-Zellen werden neben dem absolut vorherrschenden kristallinen Silizium auch auf Basis von Dünnschicht-Technologien, z.B. auf Basis von amorphem Si (α-Si), α-Si + mikrokristallinem Si als Tandemzellen sowie auf Basis von Materialkombinationen wie CIG/CISG, CdTe, GaAs u.a. großtechnisch hergestellt.
Jede der vorwiegend betrachteten 6"-Si-PV-Zellen erzeugt unter Testbedingungen bei international standardisierten Einstrahlungsbedingungen je nach eingesetzter Technologie der Zellherstellung und den dabei erreichten Wirkungsgraden etwa 4 - 6 Watt pro Zelle an elektrischer Leistung. Die Klemmspannungen der Si-PV-Zellen liegen im Bereich 0,5 - 0,7 V. Dabei fließen in derartigen 6"-Si-PV-Zellen Ströme im Bereich von 8 - 12 A. Bei den 5"-Si-PV-Zellen ist dieser Wert flächenproportional etwa 35% geringer.
Das Einsammeln der durch das Licht generierten elektrischen Ladungsträger erfolgt in 2 technologisch getrennten Etappen: Zunächst wird eine große Anzahl sehr dünner, leitfähiger Bahnen über die gesamte Oberfläche (sowohl auf Vorder- als auch Rückseite) der Zellen aufgebracht, z.B. per Masken- oder Siebdruckverfahren. Als Leitbahnmaterial wird überwiegend Silber eingesetzt. Kostengünstigere Materialien nehmen an Bedeutung zu. Teilweise wird auch die gesamte Rückseite mit einer leitfähigen Schicht, vorzugsweise Aluminium, bedeckt. Die primären, dünnen, leitfähigen Bahnen werden in einem zweiten Schritt durch im 90°- Winkel dazu aufgebrachte, breitere Stromsammelhauptlinien, sog. Bus Bars, verbunden.
Pro PV-Zelle werden zwischen typisch 3 und 5, teilweise auch mehr derartiger Stromsammelhauptlinien (Bus Bars) angeordnet. Eine entsprechende Anzahl von PV-Zellen, überwiegend 60 oder 72, wird elektrisch in Reihe verschalten und zu Modulen integriert. Eine Reihenschaltung von typischerweise 60 Zellen bildet ein Modul mit rund 30 V-Klemmspannnung. Je nach Technologie und Licht-Einstrahlung repräsentiert ein derartiges Gebilde eine potentiell installierte Leistung von derzeit bis zu 330 Wattpeak. Neuere Modulgenerationen integrieren auch jeweils 72 Standard-PV-Zellen zu einem Modul. Die Flächen derartiger Module liegen fast durchweg im Quadratmeterbereich.
Die gegenwärtig als Massenprodukt verfügbaren PV-Basis-Zellen und die sich darauf stützenden PV-Module sind in mehrfacher Hinsicht nicht oder nur sehr unzureichend geeignet für den Einsatz im Bereich der Vehikel-integrierten Photovoltaik (VIPV) als auch für Applikationen an Gebäuden oder Fassaden (BIPV) sowie diversen Dächern und Überdachungen (RTPV).
Die Gründe hierfür sind wie folgt: Eine Silizium-PV-Zelle stellt einen p-n- oder einen sog. hetero-Übergang dar, der aus prinzipiellen physikalischen Gründen Klemmspannungen im Bereich von etwa 0,5 bis 0,7 V generiert. Diese Klemmspannung ist flächenunabhängig. Die Menge der generierten Ladungsträger und damit die erzeugten Ströme sind proportional zur Solarzellenfläche. Die Anzahl der am Stromfluss teilnehmenden Ladungsträger variiert bei gewählter Technologie und dem Zelldesign lediglich in Abhängigkeit von den herrschenden, zeitlich sich ändernden Bestrahlungsbedingungen und der Temperatur der Zellen selbst.
Praktisch direkt nutzbare Gleichspannungen beim Einsatz von Photovoltaik für die Applikationen mobile Einrichtungen (vehicle integrated PV, VIPV), gebäudeintegrierte Photovoltaik (building integrated PV, BIPV) und kleinteilige Dachinstallationen (roof-top PV, RTPV) liegen im Bereich von 2 - 48 V. Zum Erreichen dieses Ausgangsspannungs-Zielbereichs zwischen 2 - 48 V muss eine größere Anzahl von Zellen in Reihe geschalten werden, konkret wären dies 4 Zellen, um 2V Klemmspannung zu erzeugen und 96 PV-Basiszellen, um 48V Klemmspannung zu generieren.
Die massenhaft eingesetzten herkömmlichen 6"-Si-PV-Zellen haben Flächen von ca. 234 cm² pro Zelle. Legt man andererseits die üblichen Fahrzeug-Akku-Spannungen von 12 V, 24 V oder 48 V zu Grunde, ergeben sich Flächen für derartige Module von ca. 0,6 m² (12V-Modul), 1,15 m² (24V-Modul) oder 2,3 m² für ein 48V-Modul. Für die genannten PV-Einsatzgebiete VIPV, BIPV und RTPV stehen die Anforderungen an die Module hinsichtlich Flächennutzung und Bereitstellen der optimalen, anwendungsspezifischen Spannungen absolut im Vordergrund.
Parallel dazu sind die Anforderungen des Berührungs- sowie Brandschutzes von entscheidender Bedeutung. Deshalb werden Betriebsspannungen von max. 50 V vorgeschrieben und gleichzeitig entsprechend geringe Ströme im Bereich von <100 mA.
Wie bereits ausgeführt, sind im Gegensatz zur PV-Applikation in Solarparks und kommerziellen, großflächigen Gebäudedach-Installationen die zukünftigen PV-Anwendungen VIPV, BIPV und RTPV sehr viel begrenzter und komplexer hinsichtlich des verfügbaren Platzangebotes, der Flächenstruktur selbst, der Einstrahlungsbedingungen und der mechanischen Belastungen. Aus dieser großen Vielfalt inklusive der erforderlichen Kleinteiligkeit und Konfigurierbarkeit von adäquaten PV-Lösungen wird deutlich, dass für VIPV, BIPV und RTPV deutlich höhere Ansprüche hinsichtlich Flächen-Konfigurierbarkeit und dem gleichzeitigen Bereitstellen nutzbarer und breit eingeführter Klemmspannungen zu erfüllen sind.
Aus der den Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bildenden Druckschrift JP H10 - 229 211 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Photovoltaik-Minizellen bekannt, wobei zumindest eine Photovoltaik-Basiszelle bereitgestellt wird, welche in eine Vielzahl von gleich großen Photovoltaik-Minizellen partitioniert wird, und abschließend eine Kantenbehandlung der Vielzahl von gleich großen Photovoltaik-Minizellen durchgeführt wird.
Ferner ist aus der Druckschrift JP 2011 - 249 523 A eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vereinzelung von Halbleiterchips bekannt, wobei eine Vielzahl von Wafern unter Verwendung eines Verbindungsmittels zu einem Waferstapel verklebt werden, um anschließend durch eine Drahtsäge gesägt und nach Auflösen des Verbindungsmittels vereinzelt zu werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von PV-Minizellen in Großserie zu schaffen, welche(s) kostengünstig und effizient ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 12 gelöst.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.
Insbesondere durch das Verbinden einer Vielzahl von Photovoltaik-Basiszellen mit einem Verbindungsmittel zu einem Basis-Zellenstapel, dem Durchführen einer Vielzahl von ersten Trennschnitten am Basis-Zellenstapel in einer ersten Orientierung und dem Durchführen einer Vielzahl von zweiten Trennschnitten in einer zur ersten Orientierung um 90 Grad gedrehten zweiten Orientierung zum Ausbilden von Mini-Zellenstapeln können PV-Minizelle auf äußerst kostengünstige und effiziente Weise in Großserie hergestellt werden.
Vorzugsweise können hierbei Diamantdraht-Sägen, SiC-Draht-Sägen oder Diamant-Trennscheiben zum Partitionieren verwendet werden. Die großtechnische Fertigung lässt sich hierdurch besoders effizient realisieren.
Beispielsweise kann als Verbindungsmittel elastischer Klebstoff, Plastwerkstoff und/oder ein beidseitig klebendes Klebeband verwendet werden, was die mechanische Stabilität beim Partitionieren erhöht.
Vorzugsweise kann das Verbindungsmittel den gesamten Zwischenraum zwischen den Photovoltaik-Basiszellen ausfüllen, wodurch die mechanische Stabilität beim Partitionieren weiter erhöht wird.
Vorzugsweise kann der erste und zweite Trennschnitt in einem Winkel von bis zu 7° verkippt gegenüber der Oberfläche des Basis-Zellenstapels durchgeführt werden, wodurch eine Beschädigung bzw. ein Bruch der Photovoltaik-Basiszellen beim Partitionieren verringert und somit eine Ausbeute an PV-Minizellen erhöht wird.
Beispielsweise kann der erste und zweite Trennschnitt nacheinander durchgeführt werden, wodurch sich der Aufbau für die Vorrichtung vereinfacht. Alternativ kann der erste und zweite Trennschnitt auch gleichzeitig in einem Arbeitsdurchgang durchgeführt werden, wobei zwei Draht-Sägevorrichtungen zueinander versetzt oder miteinander verschachtelt angeordnet sind, wodurch sich die Produktivität weiter erhöhen lässt.
Beispielsweise kann bei einer Kantenbehandlung 10 bis 20 µm der geschädigten Bereiche mittels Ätzen, insbesondere durch HNO₃, HF-Dip, oder deren Kombination und/oder durch Laserbearbeitung entfernt werden. Die durch das Partitionieren entstanden Beschädigungen werden dadurch vollständig beseitigt, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften der PV-Minizelle wesentlich verbessern lassen.
Beispielsweise können eine Viezahl von Basis-Zellstapeln in einer Vielzahl von Trenn-Käfigen gleichzeitig partitioniert werden, wodurch sich eine Produktivität weiter erhöhen lässt.
Vorzugsweise umfasst eine Vorrichtung zur Herstellung von Photovoltaik-Minizellen zumindest eine Trennvorrichtung mit einer Vielzahl von parallel zueinander laufenden Trennelementen, eine Transportvorrichtung zum Transportieren einer Vielzahl von Photovoltaik-Basiszellen in einem Trennkäfig, eine vertikale Hubvorrichtung zum vertikalen Anheben des Trennkäfigs gegenüber den Trennelementen und eine Steuervorrichtung zum Ansteuern der Trennvorrichtung, der Transportvorrichtung und der Hubvorrichtung.
Beispielsweise kann eine Drehvorrichtung zum Drehen des Trennkäfigs um 90° in einer horizontalen Ebene vorgesehen werden, wodurch sich die Kosten für die Vorrichtung wesentlich verringern lassen.
Alternativ kann eine Sub-Draht-Sägevorrichtung mit einer Draht-Sägevorrichtung als jeweilige Trennvorrichtung versetzt bzw. verschachtelt angeordnet werden, wobei die Transportvorrichtung in einem Winkel von 45° zur Draht-Sägevorrichtung und zur Sub-Draht-Sägevorrichtung angeordnet ist und die Hauptachsen des Trennkäfigs zum Ausgleich des 45°-Anordnung der Tranportvorrichtung ebenfalls in einem Winkel von 45° zur Transportvorrichtung gedreht sind. Eine Produktivität kann dadurch weiter gesteigert werden.
Beispielsweise kann der Trennkäfig an jeder Seite eine Vielzahl von Trennspalten aufweisen, deren Spaltbreite 2- bis 3-mal so groß ist als der Durchmesser der verwendeten Trennelemente (z.B. Sägedrähte oder der Trennscheibendicke). Die zu partitionierenden PV-Basiszellen erfahren dadurch eine optimale mechanische Stabilisierung.
Der Trennkäfig kann beispielsweise aus Edelstahl, Kohlefaser, SiC und/oder glasfaserverstärkten Kunsstoff bestehen, wobei als Trennelement ein Diamantdraht, ein SiC-Draht oder eine diamantbestückte Trennscheibe verwendet werden kann.
Vorzugsweise können als Photovoltaik-Basiszellen quadratische bifaciale Photovoltaik-Basiszellen, insbesondere 5"- oder 6"-Silizium-Basiszellen, verwendet werden, wodurch sich für die Anwendungsgebiete VIPV, BIPV und RTPV besonders geeignete PV-Minizellen herstellen lassen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine vereinfachte Draufsicht einer zu partitionierenden PV-Basiszelle;
2 eine vereinfachte Draufsicht einer in 100 PV-Minizellen partitionierten PV-Basiszelle;
3 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Trennkäfigs; und
4 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von Photovoltaik-Minizellen gemäß einem Ausführungsbeispiel.

1 zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer zu partitionierenden PV-Basiszelle BZ bzw. eines zu partitionierenden Basis-Zellenstapels ZS. Beispielsweise können hierfür herkömmliche 6"-PV-Basiszellen aus Silizium oder herkömmliche 5"-PV-Basiszellen aus Silizium mit einer typischen Dicke von 160 µm bis 200 µm verwendet werden. Neben dem absolut vorherrschenden kristallinen Silizium können auch amorphes Si (α-Si), α-Si + mikrokristallinem Si als Tandemzellen sowie auf Basis von Materialkombinationen wie CIG/CISG, CdTe, GaAs als Ausgangsmaterial verwendet werden. Alternativ können ferner auch quadratische oder rechteckige Dünnschichtzellen als PV-Basiszellen BZ bzw. Basis-Zellenstapel ZS verwendet werden. Vorzugsweise werden quadratische bifaciale Photovoltaik-Basiszellen, welche von beiden Seiten (Vorder- und Rückseite) mit Licht beaufschlagt werden können, als Ausgangsmaterial für die PV-Minizellen verwendet.
Erfindungsgemäß werden je nach Anforderung die quadratischen (oder rechteckige) PV-Basiszellen BZ bzw. Basis-Zellen-stapel ZS durch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 (oder mehr) Trennschnitte sowohl in x- als auch in y-Richtung der PV-Zellachsen in quadratische oder rechteckige PV-Minizellen MZ geteilt.
2 zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer durch 9 Trennschnitte (SEx) in x-Richtung und 9 Trennschnitte (SEy) in y-Richtung in 100 PV-Minizellen MZ bzw. Mini-Zellenstapel partitionierten PV-Basiszelle BZ bzw. eines Basis-Zellenstapels ZS. Die Schnittebene SE kann vorzugsweise senkrecht zur PV-Basiszelle BZ ausgelegt sein. Die hierbei erzeugten PV-Minizellen MZ bzw. Mini-Zellenstapel sind hierbei vom Typ MZ-T100.
Das Partitionieren erfolgt beispielsweise durch Trennschnitte, die äquidistant zwischen je 2 Schnittebenen pro Achse gesetzt werden. Das äquidistante Partitionieren/Zerteilen von PV-Basiszellen BZ sowohl in x- als auch y-Achse erzeugt stets gleich große Minizellen MZ. Die Minizellen MZ können sowohl in quadratischer oder auch in rechteckiger Form aus den Basiszellen BZ geteilt werden.
Es können verschiedene Verfahren zum Partitionieren bzw. Zerschneiden der PV-Basiszellen BZ in gleich große PV-Minizellen MZ eingesetzt werden, wobei die Schnitte entweder sequentiell oder gleichzeitig durch paralleles Ausführen des Partitionierens pro Achse erfolgen können.
Das Partitionieren bzw. Zerteilen der PV-Basiszellen BZ kann als Prozess-Schritt im Rahmen des üblichen Herstellungsprozess von PV-Zellen bereits vor dem Aufbringen der primären Stromleitungen erfolgen. Vorzugsweise wird dieses Partitionieren bzw. Zerteilen der PV-Basiszellen BZ vor dem üblichen Aufbringen der Strom-Hauptsammelleitungen/-Schienen (Bus Bars) durchgeführt werden, da die Bus Bars auf Grund der geringeren Stromstärken entfallen können.

Entsprechend der Trennschnittanzahl entstehen aus den PV-Basiszellen BZ eine Vielzahl von PV-Minizellen MZ in unterschiedlicher Anzahl und Flächen. Tabelle 1

Trennschnitte in x- und in y-Richtung, Summe der Schnitte pro PV-Basiszelle	Anzahl entstehender Minizellen (= Minizellen-Typ)	Spezifische Fläche der Minizellen aus einer 6"-Si-Basiszelle
N	n	cm²
1 + 1 = 2	4	60,84
2 + 2 = 4	9	27,04
3 + 3 = 6	16	15,21
4 + 4 = 8	25	9,73
5 + 5 = 10	36	6,76
6 + 6 = 12	49	4,97
7 + 7 = 14	64	3,80
8 + 8 = 16	81	3,00
9 + 9 = 18	100	2,43
10 + 10 = 20	121	2,01
11 + 11 = 22	144	1,69
12 + 12 = 24 etc.	169	1,44

Die vorstehend Tabelle 1 geht von einer quadratischen 6"-Si-PV-Basiszelle aus, deren Ausgangsfläche 243,36 cm² beträgt. Mit der gleichen Anzahl an Schnitten an einer 5"-Si-PV-Zelle werden flächenmäßig kleinere Minizellen je Typ hergestellt. Bei Dünnschichtzellen entstehen ebenfalls Minizellen, jedoch mit anderen Abmessungen, ausgehend von der jeweiligen Grundfläche der zu partitionierenden Dünnschichtzelle.
Folgende Technologien können prinzipiell für das Partitionieren der PV-Basiszellen BZ in Minizellen MZ eingesetzt werden: Partitionieren mittels Diamantdraht-Sägen (A), SiC-beschichteten Draht-Sägen (B), diamantbestückten Trennscheiben (C), Anritzen (mechanisch oder per Laser) + Brechen (z.B. mittels Gummimatte, auf der die Wafer aufgeklebt wurden) (D), Laserstrahl-Schneiden (E) und Schneiden mit fokussiertem Hochdruckwasserstrahl (F).
Die Technologien unter A, B und C sind geeignet, um ein paralleles Partitionieren der Basiszellen sowohl in x- als anschließend in y-Achse in einem technologischen Vorgang zu gewährleisten. Um den Verschnitt gering zu halten, können SägeDrähte bzw. Trennscheiben mit minimalst möglichen Durchmessern (A, B) respektive Trennscheibendicken (C) eingesetzt wercen, welche typisch im Bereich von 80 µm bis 160 µm liegen.
Darüber hinaus gestatten diese Verfahren auch, sog. Stacks bzw. Stapel aus PV-Basiszellen BZ in einem Prozessschritt zu partitionieren. Die Basis-Zellenstapel ZS können dabei aus übereinander angeordneten Basiszellen BZ bestehen, zwischen denen jeweils ein Verbindungsmittel VM eingefügt ist und die somit einen Quader ergeben, der auf einer entsprechenden Unterlage befestigt (z.B. aufgeklebt) werden kann. Vorzugsweise kann das Verbindungsmittel VM einen elastischen Klebstoff, einen Plastwerkstoff und/oder ein beidseitig klebendes Klebeband enthalten oder aus einem dieser Materialien bestehen, welcher(s) später einfach zu lösen ist. Vorzugsweise füllt das Verbindungsmittel VM den gesamten Zwischenraum zwischen den jeweiligen Photovoltaik-Basiszellen BZ1 bis BZ5 aus, wodurch sich eine mechanisch besonders feste Verbindung realisieren lässt.
3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Trennkäfigs zum Aufnehmen eines derartigen Basis-Zellenstapels ZS. Erfindungsgemäß können 5 bis 50 Photovoltaik-Basiszellen BZ als Basis-Zellenstapel ZS mit einem Verbindungsmittel VM verbunden werden, wobei in der 3 jedoch zur Vereinfachung lediglich 5 Photovoltaik-Basiszellen BZ1 bis BZ5 mit zugehörigen Verbindungsschichten VM1 bis VM4 dargestellt sind.
Um ein Verschieben der verbundenen, zu partitionierenden Basiszellen BZ im Basis-Zellenstapel ZS während des Schneidvorganges wegen der beim Säge- oder Trennschleifvorgang auftretenden Kräfte zu verhindern, sind Begrenzungen an den Ecken sowie Seitenflächen des Quaders bzw. Basis-Zellenstapel ZS vorgesehen und bilden den in 3 vereinfacht dargestellten Trennkäfig 4, welcher oben geöffnet ist. Die Seitenflächen dieses Trennkäfigs 4 können mit Trennspalten TS versehen sein, in denen (nicht dargestellte) Trennelemente wie z.B. Sägedrähte oder Trennscheiben geführt werden können. Diese Trennspalten TS können eine lichte Weite im Bereich der doppelten bis dreifachen Dicke der Trennelemente (Drahtdicke oder Trennscheibendicke) haben. Beispielsweise kann der Trennkäfig 4 aus einem Material oder einer Materialkombination bestehend aus Edelstahl, Kohlefaser, SiC und/oder glasfaserverstärkten Kunsstoff ausgebildet sein, wodurch sich eine mechanisch besonders stabile Führung ergibt.
Die zu trennenden PV-Basiszellen BZ können im Basis-Zellenstapel ZS unter einem Winkel von bis zu 7°, insbesondere 3° bis 7°, gegenüber der Horizontalen gekippt angeordnet werden (nicht dargestellt). Beispielsweise kann hierfür ein Boden B des Trennkäfigs 4 einen entsprechenden Winkel gegenüber der horizontalen Ebene, d.h. gegenüber einer ersten Trennschnitt-Orientierung O2 und/oder einer zweiten Trennschnitt-Orientierung O2 aufweisen. Alternativ kann aber auch der Boden B ohne Neigung ausgebildet sein und der ganze Trennkäfig 4 gegenüber der ersten Orientierung O2 und/oder der zweiten Orientierung O2 in einem Winkel von bis zu 7°, insbesondere 3° bis 7°, verkippt sein, wodurch auch die entsprechenden Trennschnitte verkippt gegenüber der Oberfläche des Basis-Zellenstapels ZS durchgeführt werden. Ein derartiges Verkippen des Basis-Zellenstapels ZS gegenüber der Trennschnitt-Orientierung verringert die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung bzw. eines Bruches der Photovoltaik-Basiszellen BZ beim Partitionieren, wodurch eine hohe Ausbeute an PV-Minizellen MZ erreicht werden kann.
Ferner kann in einem nachfolgenden Prozessschritt eine Kantenbehandlung der Minizellen durchgeführt werden, wobei etwa 10 µm bis 20 µm der geschädigten Bereiche mittels Ätzen, insbesondere durch HNO₃, HF-Dip, oder deren Kombination und/oder durch Laserbehandlung entfernt werden. Die beim Partitionieren entstanden Beschädigungen der Kanten (insbesondere Kristallschädigungen bei kristallinem oder polykristallinem Ausgangsmaterial) können dadurch vollständig beseitigt werden, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften der PV-Minizelle wesentlich verbessern lassen. Insbesondere lassen sich dadurch unerwünschte parasitäre Effekte, wie z.B. Kurzschlussströme, an den Seiten bzw. Kanten der PV-Minizellen zuverlässig verhindern.
4 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von Photovoltaik-Minizellen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Erfindungsgemäß kann als Trennvorrichtung eine Draht-Sägevorrichtung 1 mit einer Vielzahl von parallel zueinander laufenden Sägedrähten 2 als Trennelementen derart angeordnet sein, dass eine Transportvorrichtung 3 eine Vielzahl von Photovoltaik-Basiszellen BZ in Form von z.B. einem Basis-Zellenstapel ZS in einem Trennkäfig 4 gemäß 3 hindurch fördern kann. Die Transportvorrichtung 3 kann beispielsweise ein Transportband oder eine Transportschiene aufweisen. Eine (nicht dargestellte) Hubvorrichtung dient dem vertikalen Anheben des Trennkäfigs 4 zu den sich bewegenden Sägedrähten 2, wodurch unter Führung der Sägedrähte 2 in den zugehörigen Trennspalten TS im Trennkäfig 4 die Vielzahl von Photovoltaik-Basiszellen BZ bzw. der Basis-Zellenstapel ZS zum Ausbilden von Zellenstapel-Scheiben in einer ersten Orientierung O1 gesägt werden kann (erster Trennschnitt). Der Trennkäfig 4 kann nachfolgend durch die Hubvorrichtung wieder abgesenkt werden und durch eine (nicht dargestellte) Drehvorrichtung um 90° gedreht werden. Die Hubvorrichtung kann nunmehr erneut den Trennkäfig 4 mit den bereits gesägten Zellenstapel-Scheiben anheben, wodurch diese in einer zweiten Orientierung O2 zum Ausbilden von Mini-Zellenstapeln erneut gesägt werden (zweiter Trennschnitt). Eine (nicht dargestellte) Steuervorrichtung dient hierbei der Ansteuerung der Hubvorrichtung, der Drehvorrichtung, der Transportvorrichtung 3 und der Draht-Sägevorrichtung 1 unter Verwendung von (nicht dargestellten) Sensoren. Es versteht sich von selbst, dass die Anzahl, Ausrichtung und Dimensionierung der Trennspalten TS auf die Anzahl, Ausrichtung und Dimensionierung der Sägedrähte 2 abgestimmt ist und die Steuervorrichtung insbesondere die Transportvorrichtung und die Drehvorrichtung derart ansteuert, dass die Sägedrähte 2 im Wesentlichen ohne den Trennkäfig 4 zu berühren beim Sägen innerhalb der Trennspalten TS geführt werden.
Vorzugsweise nach dem Ausbilden der Mini-Zellenstapel kann eine Kantenbehandlung wie vorstehend beschrieben durchgeführt weren.
Abschließend können die Mini-Zellenstapel durch Auflösen des Verbindungsmittels VM in eine Vielzahl von Minizellen MZ vereinzelt werden. Hierbei kann eine Temperaturbehandlung durchgeführt werden und/oder ein Lösungsmittel zum Einsatz kommen. Grundsätzlich kann die Kantenbehandlung jedoch auch nach dem Vereinzeln der Mini-Zellenstapel in PV-Minizellen MZ durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel können auch mehrere dieser Basis-Zellenstapel ZS in mehreren Trennkäfigen 4 auf einer Ebene der Partitionier-Anlage nacheinander auf der Transportvorrichtung 3 angeordnet werden, um die Produktivität derartiger Anlagen weiter zu steigern. Die Anzahl der Sägedrähte 2 ist in diesem Fall entsprechend zu erhöhen und die Ansteuerung entsprechend anzupassen. Beispielsweise können in diesem Falle eine Viezahl von Hubvorrichtungen und Drehvorrichtung verwendet werden. Ferner kann ein innerhalb des Trennbereiches liegender Transportabschnitt der Transportvorrichtung 3 auf dem sich mehrere Trennkäfige 4 befinden können durch eine gemeinsame Dreh- und Hubvorrichtung angehoben und gedreht werden. Vorzugsweise führt die Transportvorrichtung einen gerasterten Transport entprechend der Rasterung (Beabstandung) der Trennelemente 2 bzw. der Trennspalten TS durch, wodurch eine Ansteuerung vereinfacht wird.
Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel können durch eine Höhenversetzung bzw. verschachtelte Anordnung von im 90°-Winkel zueinander angeordneten Trennvorrichtungen (z.B. eine Drahtsäge-Vorrichtung und eine darüber angeordnete weitere Drahtsäge-Vorrichtung oder Trennscheibenvorrichtung) gleichzeitig sowohl in x- als auch in y-Richtung die ersten und zweiten Trennschnitte in einem einzigen Hub-vorgang durchgeführt werden. Auch in diesem Fall lassen sich mehrere Basis-Zellenstapel ZS in jeweiligen Trennkäfigen auf der Transportvorrichtung nebeneinander anordnen. Durch die kombinatorische Anordnung von zwei Trennvorrichtungen nach Technologie-Variante A, B oder C, deren Trennschnitte im 90°-Winkel zueinander angeordneten sind, kann die Anlagenproduktivität weiter gesteigert werden.
Insbesondere kann eine (nicht dargestellte) Sub-Draht-Sägevorrichtung mit einer Vielzahl von parallel zueinander laufenden Sub-Sägedrähten mit der Draht-Sägevorrichtung 1 mit ihrer Vielzahl von parallel zueinander laufenden Sägedrähten 2 derart verschachtelt angeordnet werden, wobei die Transportvorrichtung 3 in einem Winkel von 45° zur Draht-Sägevorrichtung 1 und zur Sub-Draht-Sägevorrichtung angeordnet ist und die Hauptachsen des Trennkäfigs 4 zum Ausgleich der 45°-Anordnung der Tranportvorrichtung 3 ebenfalls in einem Winkel von 45° zur Transportvorrichtung gedreht sind, dass sich der erste und zweite Trennschnitt mit einem einzigen Hub-Vorgang realisieren lassen. Hierdurch lässt sich die Anlagenproduktivität weiter steigern.
Die Technologie-Variante nach D kann beispielsweise durch paralleles Anritzen und Brechen jeweils einen Wafer in seiner Gesamtheit in Kleinstelemente bzw. PV-Minizellen MZ zerlegen.
Bei Einsatz der Technologien unter D, E und F können einzelne 5"- oder 6"-Basiszellen BZ in x- als auch in y-Richtung sequentiell durch Einzelschnitte zerteilt werden, was jedoch eine geringe Produktivität darstellt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel lassen sich durch parallele Anordnung der jeweiligen Einwirkungsquellen (Laser, Elektronenstrahl oder fokussierter Wasserstrahl) auch parallele Trennschnitte pro Achse der PV-Basiszellen BZ an jeweils einer Zelle ausführen.
Im Ergebnis des Einsatzes jeder der aufgelisteten Trennmethoden entstehen aus den PV-Basiszellen BZ identische, quadratische (oder rechteckige), jeweils 0,5-0,7 V Spannung generierende Minizellen MZ mit unterschiedlichen Flächen, je nach Anzahl der Schnitte pro Ausgangszelle (siehe Beispiele gemäß Tabelle 1).
Im Falle des Partitionierens von Dünnschichtzellen können andere, durch die jeweilige Materialart bestimmte Klemmspannungen auftreten, die jedoch alle im Bereich von wenigen Volt liegen, und deshalb mittels Partitionieren und anschließendes Konfigurieren zur gewünschten Klemmspannnung eines resultierenden Minimoduls führen.
Die entstandenen Minizellen repräsentieren gemäß ihrer jeweiligen Flächen unterschiedliche Strom- und Spannungsparameter.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und umfasst insbesondere auch Kombinationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Obwohl die Erfindung insbesondere anhand von Draht-Sägevorrichtungen beschrieben wurde, können alternativ zu den Draht-Sägevorrichtungen auch Trennscheibenvorrichtungen und insbesondere Kombinationen von Draht-Sägevorrichtung mit Trennscheibenvorrichtung zum Einsatz kommen.
Bezugszeichenliste

1: Draht-Sägevorrichtung
2: Sägedraht
3: Transportvorrichtung
4: Trennkäfig
B: Boden des Trennkäfigs
BZ: Photovoltaik-Basiszelle
ZS: Photovoltaik-Basis-Zellenstapel
MZ: Photovoltaik Minizelle
TS: Trennspalten
VM: Verbindungsmittel
O1: erste Orientierung
O2: zweite Orientierung
SE: Schnittebene

Claims

Verfahren zur Herstellung von Photovoltaik-Minizellen mit den Schritten: a) Bereitstellen von zumindest einer Photovoltaik-Basiszelle (BZ) ; b) Partitionieren der zumindest einen Photovoltaik-Basiszelle (BZ) in eine Vielzahl vongleich großen Photovoltaik-Minizellen (MZ); und c) Durchführen einer Kantenbehandlung der Vielzahl von gleich großen Photovoltaik-Minizellen (MZ), dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine Vielzahl von Photovoltaik-Basiszellen (BZ) mit einem Verbindungsmittel (VM) zu einem Basis-Zellenstapel (ZS) verbunden werden und der Basis-Zellenstapel (ZS) in einem Trennkäfig 4 abgelegt wird; in Schritt b) eine Vielzahl von ersten Trennschnitten am Basis-Zellenstapel (ZS) in einer ersten Orientierung (01) zum Ausbilden von Zellenstapel-Scheiben durchgeführt werden, und eine Vielzahl von zweiten Trennschnitten an den Zellenstapel-Scheiben in einer zur ersten Orientierung (01) um 90 Grad gedrehten zweiten Orientierung (02) zum Ausbilden von Mini-Zellenstapeln durchgeführt werden; in Schritt c) die Kantenbehandlung an den als Mini-Zellenstapeln vorliegenden Photovoltaik-Minizellen (MZ) durchgeführt wird; wobei in einem weiteren Schritt d) die Mini-Zellenstapel in Photovoltaik-Minizellen (MZ) durch Lösen des Verbindungsmittels (VM) vereinzelt werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass quadratische bifaciale Photovoltaik-Basiszellen (BZ), insbesondere 5"- oder 6"- Silizium-Basiszellen, bereitgestellt werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Partitionieren durch Elektronenstrahl-Schneiden, durch Laserstrahl-Schneiden und/oder durch Wasserstrahl-Schneiden erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Partitionieren durch Diamantdraht-Sägen, SiC-Draht-Sägen oder durch Trennen mit Diamant-Trennscheiben erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (VM) elastischen Klebstoff, einen Plastwerkstoff und/oder ein beidseitig klebendes Klebeband enthält oder aus einem dieser Materialien besteht.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (VM) den gesamten Zwischenraum zwischen den Photovoltaik-Basiszellen (BZ) ausfüllt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Trennschnitt in einem Winkel von bis zu 7° verkippt gegenüber der Oberfläche des Basis-Zellenstapels (ZS) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Trennschnitt nacheinander in mehreren Arbeitsdurchgängen oder gleichzeitig in einem Arbeitsdurchgang durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass 5 bis 50 Photovoltaik-Basiszellen (BZ) als Basis-Zellenstapel (ZS) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kantenbehandlung 10 bis 20 µm der geschädigten Bereiche mittels Ätzen, insbesondere durch HNO₃, HF-Dip, oder deren Kombination und/oder Laserbearbeitung entfernt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Basis-Zellstapeln (ZS) in einer Vielzahl von Trennkäfigen (1) gleichzeitig partitioniert werden.
Vorrichtung zur Herstellung von Photovoltaik-Minizellen mit: einer Trennvorrichtung (1) mit einer Vielzahl von parallel zueinander laufenden Trennelementen (2); einem Trennkäfig (4) zum Aufnehmen eines Basis-Zellenstapels aus einer Vielzahl von mit einem Verbindungsmittel (VM) verbundenen Photovoltaik-Basiszellen (BZ), wobei der Trennkäfig (4) an jeder Seite eine Vielzahl von Trennspalten (TS) aufweist; einer Transportvorrichtung (3) zum Transportieren des Trennkäfigs (4); einer vertikalen Hubvorrichtung zum vertikalen Anheben des Trennkäfigs (4) gegenüber den Trennelementen (2); und einer Steuervorrichtung zum Ansteuern der Trennvorrichtung (1), der Transportvorrichtung (3) und der Hubvorrichtung.
Vorrichtung nach Patentanspruch 12, mit einer Drehvorrichtung zum Drehen des Trennkäfigs (4) um 90° in einer horizontalen Ebene, wobei die Drehvorrichtung ebenfalls von der Steuervorrichtung angesteuert wird.
Vorrichtung nach Patentanspruch 12, wobei die Trennvorrichtung (1) eine Draht-Sägevorrichtung mit einer Vielzahl von parallel zueinander laufenden Sägedrähten (2) ist, wobei ferner eine Sub-Draht-Sägevorrichtung mit einer Vielzahl von parallel zueinander laufenden Sub-Sägedrähten zur Draht-Sägevorrichtung (1) versetzt angeordnet ist, und wobei die Transportvorrichtung (3) in einem Winkel von 45° zur Draht-Sägevorrichtung (1) und zur Sub-Draht-Sägevorrichtung angeordnet ist und die Hauptachsen des Trennkäfigs (4) zum Ausgleich der 45°-Anordnung der Tranportvorrichtung (3) ebenfalls in einem Winkel von 45° zur Transportvorrichtung gedreht sind.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 12 bis 14, wobei der Trennspalt (TS) eine Spaltbreite aufweist, die 2- bis 3-mal so groß wie der Durchmesser der Trennelemente (2) ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 12 bis 15, wobei der Trennkäfig (4) Edelstahl, Kohlefaser, SiC und/oder glasfaserverstärkten Kunststoff aufweist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 12 bis 16, wobei als Trennelement (2) ein Diamantdraht, ein SiC-Draht und/oder eine diamantbestückte Trennscheibe verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 12 bis 17, wobei die Photovoltaik-Basiszellen (BZ) quadratische bifaciale Photovoltaik-Basiszellen (BZ), insbesondere 5"- oder 6"- Silizium-Basiszellen, sind.