DE102017110377A1

DE102017110377A1 - Verfahren zum Reparieren und zum Herstellen eines Solarzellemoduls

Info

Publication number: DE102017110377A1
Application number: DE102017110377.5A
Authority: DE
Inventors: Ronny Bakowskie; Andreas Pfennig
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-11-15
Also published as: WO2018206047A1

Abstract

Ein Verfahren zum Reparieren einer defekten Lötstelle in einem Solarzellenmodul umfasst die Schritte: Erfassen der defekten Lötstelle; und Aufheizen der defekten Lötstelle durch ein Induktionsfeld, um ein Ausheilen der defekten Lötstelle zu bewirken.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reparieren und auf ein Verfahren zum Herstellen von Solarzellenmodulen und insbesondere auf ein induktives Löten im finalen Solarmodul oder Laminatverband.
Hintergrund
Solarzellenmodule sind häufig extremen Wetterbedingungen ausgesetzt wie z.B. erheblichen Temperaturschwankungen. Die dadurch verursachten thermischen Spannungen können Schäden in Lötstellen hervorrufen, mit denen die einzelnen Solarzellen untereinander verbunden werden oder die der Kontaktierung dienen. Um eine einwandfreie Funktionsweise sicherzustellen, sind solche defekten Lötstellen zu erfassen und anschließend zu reparieren.
Im Stand der Technik wurde dieses Problem bisher dadurch gelöst, dass das Laminat der Solarzellenmodule an der Rückseite geöffnet wurde - zum Beispiel durch ein Aufdremeln und Ablösen des Folienstapels. Dieser Ansatz ist bei Solarzellenmodulen, die zwischen zwei Glassubstraten ausgebildet sind, grundsätzlich nicht anwendbar. Daher wurden solche Solarzellenmodule bei defekten Lötstellen häufig vollständig ausgetauscht.
Eine andere Möglichkeit defekte Lötstellen zu reparieren, besteht in einer Nutzung einer Laserstrahlung. Diese Möglichkeit ist dann einsetzbar, wenn das Solarzellenmodul ein Laminat oder eine Rückseitenfolie aufweist, die für die genutzte Laserstrahlung transparent sind. In diesem Fall kann das Löten der defekten Lötstelle durch das Laminat hindurch geschehen, sodass eine nachträgliche Reparatur möglich ist, ohne dass das Solarzellenmodul dabei geöffnet wird.
Allerdings ist dieses Verfahren nur dann einsetzbar, wenn das Laminat oder die Rückseitenfolie hinreichend transparent für die Laserstrahlung sind, was nicht immer der Fall ist. So kann mit zunehmender Lebensdauer das Material der Rückseitenfolie bzw. des Laminats zunehmend intransparent werden, sodass dieses Verfahren nicht mehr zuverlässig angewendet werden kann. Außerdem wird durch den Laser nur ein Oberflächenbereich erhitzt und geschmolzen, was häufig nicht ausreicht, um eine zuverlässige Lötstelle auszubilden.
Daher besteht ein Bedarf nach weiteren Möglichkeiten, um defekte Lötstellen zu reparieren, ohne dass das Solarzellenmodul beschädigt wird. Ebenso besteht ein Bedarf nach einem Herstellungsverfahren, bei dem das Ausbilden der Lötstellen nachträglich am fertig hergestellten Laminat ausgeführt werden kann.
Zusammenfassung
Zumindest ein Teil der oben genannten Probleme wird durch ein Reparaturverfahren nach Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 7.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reparieren einer oder von mehreren defekten Lötstelle(n) in einem Solarzellenmodul. Das Verfahren umfasst die Schritte: Erfassen der defekten Lötstelle und Aufheizen der defekten Lötstelle durch ein Induktionsfeld, um eine Ausheilung der defekten Lötstelle zu bewirken.
Optional ist das Solarzellenmodul laminiert und der Schritt des Aufheizens der defekten Lötstelle wird durch das Laminat hindurch ausgeführt.
Der Schritt des Aufheizens kann insbesondere durch ein opakes Material von einer Rückseite des Solarzellenmoduls erfolgen, wobei das opake Material eine Folie oder ein opakes Substrat aufweisen oder ein Teil davon sein kann.
Optional kann der Schritt des Erfassens der defekten Lötstelle mittels Elektrolumineszenz erfolgen, um die defekte Lötstelle zu identifizieren.
Optional kann das Aufheizen der defekten Lötstelle durch ein Induktionsfeld erfolgen, das fokussiert auf das Solarzellenmodul durch einen manuell bedienbaren Induktionskopf erzeugt wird.
Das Induktionsfeld kann durch eine Induktionsspule erzeugt werden, durch die ein Wechselstrom fließt, der durch die folgenden Parameterbereiche charakterisiert werden kann:

Stromstärke: I = 3-30 A,
Spannung: U = 100-400 V,
Frequenz: f = 40 - 1000 kHz.

Die dadurch erzeugte Feldstärke ist von der geometrischen Ausgestaltung des Spulenkopfes abhängig, die wiederum an die konkrete Aufgabenstellung angepasst werden kann, wobei z.B. unterschiedliche Dicken der Rückseitenmaterialien (Kunststoff-Rückseitenfolie, Glas, etc.) zu berücksichtigen sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte:

(a) Anordnen eines Stapels mit zumindest zwei Solarzellen und Verbindungselementen (z.B. Querverbinder, Zellverbinder, etc.);
(b) Laminieren des Stapels; und
(c) Ausbilden einer Lötverbindung zwischen den Solarzellen mittels induktiven Aufheizens.

Die Verbindungselemente umfassen z.B. Zellverbinder und Querverbinder. Die Zellverbinder stellen z.B. eine elektrische Verbindung zwischen den Solarzellen her, um Stränge (strings) von Solarzellen zu bilden, während die Querverbinder z.B. elektrische Querverbindungen für Strompfade durch verschaltete Stränge von Solarzellen bilden.
Optional kann der Schritt (b) vor dem Schritt (c) ausgeführt werden.
Figurenliste
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränkt, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

1 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Reparieren einer defekten Lötstelle in einem Solarzellenmodul nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Herstellen eines Solarzellenmoduls nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Umsetzung der Verfahren.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Reparieren einer defekten Lötstelle in einem Solarzellenmodul. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Erfassen Sno der defekten Lötstelle, und
- Aufheizen S120 der defekten Lötstelle durch ein Induktionsfeld, um eine Ausheilung der defekten Lötstelle zu bewirken.

Das Induktionsfeld kann entsprechend dem Solarzellenmodul und dem verwendeten Lotmaterial gewählt werden. Umgekehrt kann ebenfalls ein Lotmaterial gezielt ausgewählt werden, um das induktive Aufheizen/Schmelzen effizient zu erreichen. Beispielweise kann ein hochfrequentes Induktionsfeld von außen in das Modul eingebracht werden, sodass das Lot unter dem hochfrequenten Induktionsfeld schmilzt und dadurch die defekten Lötstellen repariert werden, sodass potentiell vorhandene Risse in dem Lotmaterial sich wieder schließen. Daher wird zumindest ein Teil der oben genannten technischen Probleme durch ein induktives Ausheilen von beschädigten Lötstellen gelöst.
Um den genauen Ort der defekten Lötstelle herauszufinden, nutzen Ausführungsbeispiele beispielhaft die Elektrolumineszenz. Dabei wird ein Strom durch die Solarzellen geleitet, woraufhin sie selbst Licht (oder allgemein eine elektromagnetische Strahlung) aussenden, wobei Licht am intensivsten dort erzeugt wird, wo ein großer Strom fließt, d.h. wo die Lötverbindungen keine Schäden aufweisen. Diese Stromstärke und somit die Elektrolumineszenz wird durch die defekten Lötstellen beeinflusst und somit sichtbar. Die Stellen, wo die Lötverbindungen Risse aufweisen, sind dunkler bzw. die Strahlung ist weniger intensiv. Durch ein Erfassen der durch die Solarzellen erzeugten Strahlung können somit die defekten Stellen (z.B. Mikrorisse in Lötstelle) genau eingegrenzt werden. Wenn der Ort der defekten Lötstelle ermittelt wurde, kann dort gezielt die induktive Verschmelzung durchgeführt werden. Es können aber auch andere Methoden genutzt werden, um beispielhafte Risse in Lötstellen zu detektieren (z.B. hochpräzise optische Analysen).
Diese Vorgehensweise soll jedoch nicht auf eine Reparatur eingeschränkt werden. Vielmehr kann die erfinderische Idee ebenfalls für die Herstellung eines Solarzellenmoduls genutzt werden. In diesem Fall braucht keine Erfassung der defekten Lötstellen durchgeführt werden.
2 zeigt Flussdiagramm für ein beispielhaftes Herstellungsverfahren eines Solarzellenmoduls, das folgende Schritte umfasst:

- Anordnen S210 eines Stapels mit zumindest zwei Solarzelle, Querverbindern, Zellverbindern oder allgemein Verbindungselementen;
- Laminieren S220 des Stapels; und danach
- Ausbilden S230 einer Lötverbindung zwischen den Solarzellen mittels induktiven Aufheizens.

Der Stapel kann alle Komponenten des Solarmoduls aufweisen, sodass nach dem induktiven Löten das Solarzellenmodul fertig prozessiert ist. Bei diesem Herstellungsverfahren werden daher die Komponenten des Solarzellenmoduls zunächst an ihren jeweiligen Positionen richtig angeordnet (optional mit einer Rückseitenfolie) und der Stapel wird ohne Löten laminiert. Nach dem Laminieren erfolgt zum Schluss das Verlöten der elektrischen Verbindungen zwischen den Komponenten mittels der Induktionslöteinheit. Auf diese Weise kann ein Strompfad zwischen den Solarzellen und/oder den Quer- und Längsverbindern nach dem Laminieren des Stapels erfolgen.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Nutzung einer mobilen induktiven Lötvorrichtung 110 zum Verlöten von elektrischen Verbindungen in Solarzellenmodulen, wie es in den genannten Verfahren definiert wurde. Das Solarzellenmodul umfasst ein Glas 50 auf der Licht-zugewandten Seite (Vorderseite) und eine Rückseitenfolie 60 auf der Licht-abgewandten Seite (Rückseite), zwischen denen sich in zumindest einer EVA-Folie (EVA=Ethylen-Vinylacetat) eingebettete Solarzellen 52 befinden. Die Solarzellen 52 sind durch Querverbinder 53 und Zellverbinder 54 als Verbindungselemente elektrisch miteinander verbunden. Anstelle der Rückseitenfolie 60 kann auch auf der Rückseite ein Glassubstrat vorhanden sein. Der gesamte Stapel 70 wird durch laminieren versiegelt, um so gegen äußere Einflüsse geschützt zu sein.
Jede Beschädigung oder Öffnung des laminierten Stapels 70 birgt das Risiko, dass Mikroöffnungen bei der erneuten Versiegelung zurückbleiben, die auf Dauer das gesamte Solarzellenmodul schädigen können. Dieses Problem umgehen Ausführungsbeispiele der Erfindung dadurch, dass der Stapel 70 zur Reparatur nicht geöffnet wird, sondern die Reparatur der defekten Lötstellen mittels der Induktionslöteinheit 110 erfolgt, die in die Nähe der defekten Lötstelle gebracht wird. Dort wird ein Induktionsfeld (hochfrequentes Magnetfeld) 200 ausgebildet, welches das Lotmaterial induktiv aufheizt und z.B. über ein Schmelzen eine Reparatur der defekten Lötstellen bewirkt. Ausführungsbeispiele bewirken somit ein kontaktloses Ausbilden/Reparieren von elektrischen Verbindungen mittels Induktion.
Im Gegensatz zu konventionellen Reparaturverfahren braucht das Solarzellenmodul nicht geöffnet oder in irgendeiner Weise beschädigt zu werden und kann nach dem Verlöten sofort wiedereingesetzt werden (ohne eine erneute Versiegelung). Dieses Verfahren ist unabhängig davon anwendbar, ob das Laminat oder die Rückseitenfolie 60 transparent ist/sind oder über die Jahre eingetrübt worden sind. Insbesondere ist es möglich, die Reparatur der Solarzellenmodule vor Ort mittels einer mobilen Induktionslöteinheit 110 auszuführen, und zwar ohne dass die Solarzellenmodule zu deinstallieren wären.
Um defekte Lötstellen zu finden, ohne dabei das Solarzellenmodul zu beschädigen (das Laminat zu öffnen), kann wie gesagt eine Messung basierend auf einer Elektrolumineszenz durchgeführt werden. Mittels des mobilen Induktionslötkopfes 110 können dann die detektierten defekten Lötstellen repariert werden. Dieses Verfahren ist sowohl von der verglasten Seite als auch von Folienseite durchführbar, wobei durch die Elektrolumineszenz-Messungen insbesondere defekte Lötstellen an den Querverschaltungen entdeckt werden können.
Ausführungsbeispiele bieten eine Reihe von Vorteile, die wie folgt zusammengefasst werden können:

- Durch die Induktion werden primär nur leitende Teile induktiv aufgeheizt (da in isolierenden Materialien keine Wirbelströme induziert werden). Im Gegensatz hierzu werden bei konventionelle Lötverfahren unter der Nutzung von Laserstrahlen alle Licht-absorbierende Teile, d.h. auch isolierende Bereiche, aufgeheizt. Dies ist häufig nicht erwünscht.
- Außerdem bietet das induktive Aufheizen den Vorteil, dass auch tieferliegenden Bereiche sich sehr gut aufheizen und schmelzen lassen - was bei einer Aufheizung mittels Laserstrahlung nicht der Fall wäre.
- Die induktive Aufheizung funktioniert in Bereichen besonders gut, die einen erhöhten elektrischen Widerstand aufweisen. Aus diesen Gründen ist es bei Ausführungsbeispielen nicht zwingend erforderlich, die genaue Position der defekten Lötstellen zu kennen, da Mikrorisse in den Lötverbindungen den elektrischen Widerstand erhöhen und diese Bereiche besonders aufgeheizt werden.

- Bei einem entsprechenden Lötkopf-Design kann die Reparatur der defekten Lötstelle von der Rückseite (aber auch von der Vorderseite) ausgeführt werden, ohne dass vorher der Rahmen des Solarzellenmoduls entfernt wird, was bei einer konventionellen Reparatur von üblichen Modul-Designs nicht möglich ist.
- Im Gegensatz zum Stand der Technik kann die Reparatur vor Ort ausgeführt werden.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Verfahren zum Reparieren einer defekten Lötstelle in einem Solarzellenmodul, mit folgenden Schritten: Erfassen (S110) der defekten Lötstelle; und Aufheizen (S120) der defekten Lötstelle durch ein Induktionsfeld (200), um eine Ausheilung der defekten Lötstelle zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Solarzellenmodul laminiert ist und der Schritt des Aufheizens (S120) der defekten Lötstelle durch das Laminat hindurch ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Schritt des Aufheizens (S120) durch ein opakes Material, insbesondere durch eine Folie oder ein opakes Substrat von einer Rückseite des Solarzellenmoduls erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Erfassens (S110) der defekten Lötstelle mittels Elektrolumineszenz erfolgt, um die defekte Lötstelle zu identifizieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Induktionsfeld (200) fokussiert auf das Solarzellenmodul durch einen manuell bedienbaren Induktionskopf ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Induktionsfeld durch eine Induktionsspule erzeugt wird, durch die ein Wechselstrom mit einer Stromstärke in einem Bereich von 3 Abis 30 A bei einer Spannung in einem Bereich von 100 V bis 400 V fließt, wobei der Wechselstrom eine Frequenz in einem Bereich von 40 kHz bis 1000 kHz aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls mit folgenden Schritten: Anordnen (S210) eines Stapels (70) mit zumindest zwei Solarzelle und Verbindungselementen (52, 53); Laminieren (S220) des Stapels (70); und Ausbilden (S230) einer Lötverbindung zwischen den Solarzellen mittels induktiven Aufheizens.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Laminierens (S220) vor dem Schritt des Ausbildens (S230) der Lötverbindung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei der Schritt des Anordnens (S210) weiter ein Anordnen von zwei EVA-Folien umfasst, zwischen denen die zumindest zwei Solarzellen angeordnet werden.