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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle und ein Verfahren zum Kontaktieren der Solarzelle und insbesondere auf ein Rückseitenlayout von zweiseitigen Solarzellen, um die Rückseiteneffizienz zu verbessern, die Zuverlässigkeit zu erhöhen und einen Silberverbrauch zu verringern.
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Hintergrund
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Bei einem derzeit üblichen Design für Solarzellen, die sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite zur Stromerzeugung genutzt werden, sind auf der Rückseite der Solarzelle Kontaktpads und Stromsammelschienen (sogenannte Busbars) breiter ausgebildet als auf der Vorderseite. Dies liegt unter anderem an der Fertigung, die für die Vorderseite optimiert ist, was zu größeren Ablagetoleranzen auf der Rückseite führt.
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6A und 6B zeigen beispielhaft ein konventionelles Design einer Solarzelle, wobei die 6A eine Draufsicht und 6b eine Querschnittsansicht entlang der Querschnittslinie B-B zeigt. In der Draufsicht ist zu erkennen, dass eine Vielzahl von Kontaktfingern 620 in horizontaler Richtung parallel zueinander ausgebildet sind, die durch die Stromsammelschienen 650 (sogenannte Busbars) elektrisch kontaktiert werden. Die Stromsammelschienen 650 wiederum werden über Kontaktpads 630 mit Zellverbindern 640 (siehe 6B) elektrisch kontaktiert. Die Kontaktpads 630 sind dazu in einer Ausnehmung der Stromsammelschienen 650 ausgebildet. Die elektrische Verbindung wird in der Regel über eine Lötverbindung hergestellt. Die mittig unterbrochenen Stromsammelschienen 650 zeigen eine Schnittlinie an, entlang der die einzelnen Solarzellen geschnitten werden.
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Die 6B zeigt die Querschnittsansicht entlang der Schnittebene B-B, die durch eine Stromsammelschiene 650 verläuft. Wie aus der 6B ersichtlich, sind auf einem Halbleitermaterial 610 (Zellenkörper) eine Vielzahl von Kontaktpads 630 ausgebildet, die durch den Zellverbinder 640 kontaktiert werden. Zwischen zwei benachbarten Kontaktpads 630 ist jeweils ein Abschnitt der Stromsammelschiene 650 zu sehen, der wiederum die Kontaktfinger 610 (siehe 6A) kontaktiert. Die Kontaktpads 630 sind in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene mit der Stromsammelschiene 650 in einem überlappenden Kontakt, so dass der Strom von den einzelnen Kontaktfingern 620 aufgenommen, an die Kontaktpads 630 weitergeleitet und über die Zellverbinder 640 abgeleitet wird. Die Zellverbinder 640 verbinden beispielsweise mehrere seriell angeordnete Solarzellen.
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In dem gezeigten konventionellen Design ist eine ebene Oberfläche kaum erreichbar, da die Kontaktpads 630 mit den zusätzlich Stromsammelschienen 650 überlappen und somit eine unebene Oberflächentopologie erzeugen. In der konventionellen Designtechnologie kann dieses Problem nicht gelöst werden, da die Fläche für die Kontaktpads 630 ausreichend groß sein muss, um der Lötmaschine zum Ausbilden der Lötverbindung zwischen der Zellverbindern 640 und den Kontaktpads 630 ausreichende Toleranzen beim Ausrichten zu gewähren. Die breiter ausgebildeten Kontaktpads 630 und Stromsammelschienen 650 führen überdies zu einer vergrößerten Abschattung der rückseitigen Solarzellenoberfläche, was eine Verringerung der Effizienz der Stromerzeugung auf der Rückseite zur Folge hat. Da außerdem eine Mindestanzahl von ordnungsgemäßen Lötverbindungen(beispielsweise 6 bis 8) sicherzustellen ist, um den Strom mit einem minimalen seriellen Widerstand zu sammeln, führen die großen Kontaktpads 630 auch zu einem erhöhten Silberverbrauch, welches als Material für die Kontaktpads 630 genutzt wird.
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Daher besteht ein Bedarf nach weiteren Rückseitendesigns für Solarzelle, womit die obengenannten Probleme überwunden werden können.
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Zusammenfassung
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Zumindest ein Teil der oben genannten Probleme wird durch eine Solarzelle nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Kontaktieren einer Solarzelle nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Solarzelle nach Anspruch 1 oder des Verfahrens nach Anspruch 12.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit einem Zellenkörper, mehreren Kontaktfingern und Anschlusspads. Die Kontaktfinger erstrecken sich auf einer Hauptoberfläche des Zellenkörpers, um einen elektrischen Strom von dem Zellenkörper aufzunehmen. Die Anschlusspads dienen zum Ausbilden von Lötkontakten mit Zellverbindern, die den elektrischen Strom von dem Zellenkörper abführen. Jedes Anschlusspad erstreckt sich zumindest teilweise zwischen dem Zellenkörper und zwei benachbarten Kontaktfingern. Der Zellenkörper umfasst insbesondere das Halbleitermaterial zur Erzeugung des elektrischen Stromes bei Lichteinstrahlung.
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Optional sind auf einer der Hauptoberfläche gegenüberliegenden Oberfläche weitere Kontaktfinger und weitere Anschlusspads ausgebildet, sodass die Solarzelle beidseitig zur Stromerzeugung nutzbar ist. Die Hauptoberfläche kann daher eine Rückseite und die gegenüberliegende Oberfläche eine Vorderseite des Zellenkörpers (und somit der Solarzelle) sein. Optional sind auf der Vorderseite eine oder mehrere Stromsammelschienen zur Kontaktierung der Kontaktfinger ausgebildet. Die Stromsammelschiene(n) kann/können mit einem oder mehreren Zellverbindern einer benachbarten Solarzelle verbunden werden. Die elektrische Verbindung wird insbesondere durch eine Lötverbindung hergestellt, wobei die Stromsammelschiene(n) insbesondere Lötpads für das Verlöten aufweisen oder diese kontaktieren kann.
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Optional sind die mehreren Kontaktfinger auf der Hauptoberfläche entlang von parallelen Linien ausgerichtet und die Anschlusspads verbinden jeweils zwei benachbarte Kontaktfinger entlang einer der parallelen Linien elektrisch miteinander.
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Optional erstrecken sich die Anschlusspads in einer länglichen Form (z. B. rechteckig oder oval) in einer Erstreckungsrichtung der Kontaktfinger.
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Optional ist jeder der Kontaktfinger mit zumindest einem Anschlusspad in direktem Kontakt.
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Optional weist die Solarzelle außerdem zumindest eine Verbindungslinie auf, die mehrere Kontaktfinger oder mehrere Anschlusspads in einer senkrechten Richtung zu einer Längserstreckung der Kontaktfinger elektrisch miteinander verbindet. Die zumindest eine Verbindungslinie kann in einem Randbereich der Solarzelle mehrere parallele Kontaktfinger elektrisch miteinander verbinden, wobei die parallelen Kontaktfinger zusammen mit einem Anschlusspad elektrisch kontaktiert sind. Diese Verbindung kann senkrecht zum Rand ausgebildet werden. Die zumindest eine Verbindungslinie kann ebenfalls die Anschlusspads in dem Randbereich der Solarzelle elektrisch miteinander verbinden. Dies bietet den Vorteil, dass die vorzunehmenden Lötkontakte nicht direkt in dem Randbereich auszubilden sind und somit der Randbereich geschützt wird.
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Optional sind die Anschlusspads senkrecht zur Längserstreckung der Kontaktfinger breiter oder dünner als die Kontaktfinger ausgebildet. Sie können aber auch genauso breit ausgebildet sein. Für das Ausbilden der Lötverbindung ist es von Vorteil, wenn die Anschlusspads in einem mittigen Bereich breiter ausgebildet sind als weiter außen. In Richtung zu den Kontaktfingern können sich die Anschlusspads verjüngen. Die Breite der Anschlusspads kann beispielsweise an Toleranzen beim Ausrichten der Lötmaschine angepasst werden, sodass eine hohe Zuverlässigkeit beim Löten erreicht wird.
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Optional sind die Kontaktfinger in einem Überlappbereich mit den Anschlusspads breiter ausgebildet sind als außerhalb des Überlappbereiches.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Photovoltaikmodul mit mehreren Solarzellen, wie sie zuvor definiert wurden. Das Photovoltaikmodul umfasst außerdem zumindest einen Zellverbinder, um die mehreren Solarzellen elektrisch miteinander zu verbinden, wobei der Zellverbinder seitlich neben den Kontaktfingern angeordnet ist und mit den Kontaktpads verlötet ist. Insbesondere sind die Kontaktfinger nicht zwischen dem zumindest einen Zellverbinder und dem Zellenkörper ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Kontaktieren einer Solarzelle. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen eines Zellenkörpers, der eine Vorderseite und eine Rückseite umfasst;
- - Ausbilden von Anschlusspads auf der Rückseite des Zellenkörpers;
- - Ausbilden von mehreren Kontaktfingern, die sich entlang der Rückseite in eine Längserstreckung erstrecken, um einen elektrischen Strom von dem Zellenkörper aufzunehmen, wobei jedes Anschlusspad zumindest teilweise zwischen dem Zellenkörper und zwei benachbarten Kontaktfingern ausgebildet wird; und
- - Ausbilden von Lötkontakten zwischen einem Zellverbinder und den Anschlusspads, wobei der Zellverbinder eine elektrische Verbindung zu einer weiteren Solarzelle oder einer Anschlussdose herstellt.
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In Abhängigkeit der genutzten Zellverbinder (ob Drähte oder Streifen oder sogenannte Ribbons) kann der Abstand zwischen den durch die Anschlusspads verbundenen Kontaktfinger so gewählt werden, dass die Zellverbinder - bis auf mögliche Ablagetoleranzen - in den Zwischenraum möglichst genau hineinpassen.
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Optional umfasst das Verfahren weiter ein Ausbilden von weiteren Anschlusspads auf der Vorderseite des Zellenkörpers und ein Ausbilden von weiteren Kontaktfingern auf der Vorderseite, um den elektrischen Strom von dem Zellenkörper aufzunehmen. Somit ist die Solarzelle beidseitig zur Stromerzeugung geeignet. Die weiteren Kontaktfinger und weiteren Anschlusspads können in dem gleichen Design wie auf der Rückseite ausgebildet werden. Optional ist es jedoch ebenfalls möglich, dass auf der Vorderseite das konventionelle Design genutzt wird, wie es in der 6A und 6B gezeigt ist.
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Optional kann vor dem Löten Lötflussmittel gleichzeitig auf eine Vielzahl von Kontaktpads aufgebracht werden (z.B. auf der gesamten Rückseite der Solarzelle). Durch das vollständige Aufbringen von Flussmittel auf der Rückseite wird automatisch die Lötbarkeit aller Kontaktfinger gewährleistet. Es ist ebenfalls möglich, dass der oder die Zellverbinder bereits das Lötflussmaterial aufweisen.
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Im Vergleich zu dem konventionellen Design bieten Ausführungsbeispiele insbesondere die folgenden Vorteile:
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Das erfindungsgemäße Layout verringert deutlich das Abschattungsproblem des konventionellen Designs, insbesondere wenn eine Drahtverlötung (z. B. für die Zellverbinder) vorgenommen wird. Außerdem führen Ausführungsbeispiele zu einer Einsparung an Silber, welches als typisches Material für die Kontaktpads genutzt wird. Diese Einsparung kann beispielsweise in einem Bereich von bis zu 50% oder mehr liegen. Es versteht sich, dass Kontaktpads nicht zwingenderweise Silber aufweisen müssen. Auch bei silberfreien Pads ergeben sich die genannten Materialeinsparungen.
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Die Kontaktfinger, die typischerweise aus Aluminium gefertigt sind, haben eine Höhe von beispielsweise 25 µm, wobei eine größere Höhe erwünscht sein kann, um den Widerstand möglichst gering zu halten. Die Anschlusspads können demgegenüber eine Höhe von beispielsweise 3 µm aufweisen (diese Höhe ist oft durch die benutzte Paste technologiebedingt). Daher sind nach dem konventionellen Rückseitenlayout größere Höhenunterschiede unvermeidbar. Demgegenüber liegen bei Ausführungsbeispielen die Zellverbinder (z. B. Kontaktdrähte oder Kontaktstreifen) in einer grabenförmigen Vertiefung auf den flachen Anschlusspads und werden seitlich von den Kontaktfingern eingerahmt. Dadurch wird der bei konventionellem Layout vorhandene Höhenunterschied bei der Kontaktierung vermieden.
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Der Höhenunterschied zwischen den Kontaktfingern und den Anschlusspads kann zusätzlich als Führung für die Zellverbinder genommen werden. Der Zellverbinder bleibt in dem „Tal“ auf den Anschlusspads liegen und es kommt zu weniger Fehlorientierungen.
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Figurenliste
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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.
- 1A,1B zeigen ein Rückseitenlayout einer Solarzelle nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Draufsicht auf das Rückseitenlayout gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem Anschlussfinger durch eine Verbindungslinie miteinander verbunden werden.
- 4A-4C zeigen Ausführungsbeispiele, bei welchen die Anschlusspads und die Kontaktfinger variable Ausdehnungen in der vertikalen Richtung aufweisen.
- 5A, 5B zeigen beispielhafte Layouts in einem Randbereich der Solarzelle.
- 6A, 6B zeigt ein konventionelles Rückseitendesign einer Solarzelle.
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Detaillierte Beschreibung
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Die 1A und 1B zeigen ein Ausführungsbeispiel für ein Rückseitenlayout einer Solarzelle, wobei in der 1A eine Draufsicht und in der 1B eine Querschnittsansicht durch den Querschnittlinie B-B zu sehen ist.
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Eine Vielzahl von parallel angeordneten Kontaktfingern 120 sind auf einer Hauptoberfläche (z.B. Rückseite) eines Zellenkörpers 110 der Solarzelle ausgebildet. Der Zellenkörper 110 umfasst beispielsweise das Halbleitermaterial, in welchem durch Lichteinfall ein Strom erzeugt wird, und optional weitere Komponenten, die vorliegend nicht weiter von Bedeutung sind. Die Kontaktfinger 120 sammeln den erzeugten Strom und sind dazu entlang paralleler Linien horizontal aufgereiht. Entlang jeder der horizontalen Linien sind beispielhaft zwei Kontaktfinger 120 zu sehen, die über jeweils ein Anschlusspad 130 elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Anschlusspads 130 teilweise zwischen den Kontaktfingern 120 und dem Zellenkörper 110 ausgebildet sind. Die so miteinander verbundenen Anschlussfinger 120 sind dann als Linien in vertikaler Richtung parallel übereinander ausgebildet.
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Hier und im Folgenden soll die horizontale Richtung durch die Ausrichtung der Anschlussfinger 120 (d.h. ihre Längserstreckung) definiert sein. Die vertikale Richtung ist dann die Richtung senkrecht dazu. Es versteht sich, dass die gezeigte Struktur sich gleichförmig entlang der gesamten Oberfläche fortsetzen kann.
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Die 1b zeigt die Querschnittsansicht entlang der Querschnittslinie B-B. Wie ersichtlich ist, sind auf der Hauptoberfläche des Zellenkörpers 110 die Anschlusspads 130 ausgebildet, die über einen Zellverbinder 140 (eine Anschlussstruktur wie z.B. ein Anschlussdraht oder ein Anschlussstreifen) elektrisch miteinander verbunden sind. Der Zellverbinder 140 nimmt den Strom über die Anschlusspads 130 von den einzelnen Kontaktfingern 120 auf.
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Der elektrische Kontakt zwischen dem Zellverbinder 140 und den Anschlusspads 130 kann beispielsweise über einen Lötkontakt erfolgen. Der Abstand zwischen den horizontal nebeneinander angeordneten Anschlussfingern 120 aus der 1A kann so bemessen sein, dass der Zellverbinder 140 dazwischen Platz findet (mit einer gewissen Ablagetoleranz), ohne in einem direkten Kontakt zu den Kontaktfingern 120 zu gelangen. Auf diese Weise wird eine zuverlässige elektrische Kontaktierung über den beispielhaften Lötprozess sichergestellt, und zwar ohne dass es zu Höhenschwankungen kommt, wie es bei dem konventionellen Design der Fall ist.
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Die Zellverbinder 140 können beispielsweise eine Breite von ca. 1 mm (bei Kontaktstreifen) oder bei Anschlussdrähten einen Durchmesser von beispielsweise 350 µm (falls 6 Drähte genutzt werden) oder von ca. 200 µm (falls beispielsweise 12 Drähte zur Kontaktierung genutzt werden) haben. Der Abstand zwischen benachbarten Kontaktfinger 120 kann so gewählt werden, dass der genutzte Zellverbinder 140 bis die Ablagetoleranzen (z.B. ungefähr 1,5 mm) in den Abstand eingepasst werden kann.
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Die 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Rückseitenlayout gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem nicht nur eine horizontale Verbindung zwischen den Anschlussfingern 120 ausgebildet ist, sondern außerdem vertikale elektrische Verbindungslinien 231, 232, 233 vorhanden sind, die die vertikal übereinanderliegende Kontaktfinger 120 und vertikal übereinanderliegende Anschlusspads 130 elektrisch miteinander kontaktieren. In der 2 sind beispielhaft drei Verbindungslinien 231, 232, 233 gezeigt, wobei deren Material gleich oder verschieden sein kann. Beispielsweise können sie ein gleiches Material (z.B. Silber oder Aluminium) wie die elektrisch miteinander verbunden Strukturen (Anschlusspads, Kontaktfinger) aufweisen. Dies ist aber nicht zwingend. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können mehr oder auch weniger Verbindungslinien 231, 232, ... ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass die Verbindungslinien 231, 232, ... nicht vollständig ausgebildet sind, sondern nur eine Untermenge von Kontaktfingern 120 und/oder eine Untermenge von Anschlusspads 130 elektrisch miteinander verbinden.
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Die 3 zeigt auf der rechten Seite ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Verbindungslinien 231, 232, 233, bei dem zwei vertikal übereinanderliegende Anschlussfinger 120 durch eine erste Verbindungslinie 231 miteinander verbunden werden. Darunter sind wiederum zwei Anschlussfinger 120 durch eine zweite elektrische Verbindungslinie 232 miteinander verbunden. Ebenso ist es möglich, dass eine dritte elektrische Verbindungslinie 233 drei vertikal übereinander angeordneten Anschlussfinger 120 miteinander verbindet.
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Die horizontale Position der Verbindungslinien 231, 232, 233 kann beliebig sein und kann - muss aber nicht - von einem Ende der Kontaktfinger 120 beanstandet sein. Die gezeigte Reihenfolge und Anzahl von Anschlussfingern 120, die durch die Verbindungslinien 231, 232, 233 miteinander verbunden werden, ist lediglich beispielhaft und kann in weiteren Ausführungsformen anders sein.
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Auf der linken Seite der 3 ist im Vergleich dazu das Layout der 1A gezeigt, bei welchem die Kontaktfinger 120 nur in einer Richtung, der horizontalen Richtung, über die Anschlusspads 130 (in der 3 nicht zu sehen) miteinander verbunden sind - nicht jedoch in der vertikalen Richtung.
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Die 4A-4C zeigen Ausführungsbeispiele, bei welchem die überlappenden Anschlusspads 130 und Kontaktfinger 120 eine variable Ausdehnung (senkrecht zur Längserstreckung der Kontaktfinger 120) aufweisen. Insbesondere kann eine horizontale Länge Di und eine vertikale Breite D2 des Anschlusspads 130 variable sein.
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In der 4A ist ein Ausführungsbeispiel zu sehen, bei dem das Anschlusspad 130 in vertikaler Richtung breiter ausgebildet ist als der jeweilige Kontaktfinger 120. Die 4B zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kontaktfinger 120 sich in dem Überlappungsbereich L verbreitern. Außerhalb des Überlappungsbereiches L sind sie schmaler ausgebildet. Beispielsweise kann der betreffende Kontaktfinger 120 in dem Überlappungsbereich L genauso breit ausgebildet sein wie das entsprechende Anschlusspad 130. In der 4C ist ein Ausführungsbeispiel zu sehen, bei welchem der Kontaktfinger 120 in vertikaler Richtung breiter als das jeweilige Anschlusspad 130 ausgebildet ist.
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Die 5A und 5B zeigen ein beispielhaftes Layout in einem Randbereich R der Solarzelle. Wenn in dem Randbereich R keine Lötkontakte zu den Zellverbindern 140 ausgebildet werden (z.B. um den Rand der Solarzelle zu schützen), können in diesem Bereich zusätzliche Verbindungslinien 231, 232 ausgebildet werden, die die betreffenden Kontaktfinger 121, 122, 123 elektrisch miteinander verbinden (siehe 5A). Zum Beispiel können die drei oberen Kontaktfinger 121, 122, 123 (vom Rand aus gezählt) zusammen mit einem ersten Anschlusspad 131 elektrisch verbunden werden. Dieses erste Anschlusspad 131 ist dann von dem Rand der Solarzelle ausreichend entfernt, um eine sichere Lötverbindung dort ausbilden zu können und gleichzeitig die Solarzelle zu schützen.
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Die 5B zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem in dem Randbereich R eine Vielzahl von Anschlusspads 130 durch eine Verbindungslinie 231 elektrisch miteinander verbunden sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann die Lötverbindung mit dem Zellverbinder 140 ganz gezielt von dem Rand beanstandet werden.
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Die Verbindungslinien 231, 232 können beispielsweise entlang des Stromflusses einen gleichbleibenden Querschnitt aufweisen (siehe 5A) oder einen wachsenden Querschnitt (siehe 5B), der einen wachsenden Strom (z.B. infolge der zusätzlichen Kontaktfinger) aufnehmen kann. Dadurch wird eine homogene Stromführung gewährleistet.
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Diese Vorgehensweise ist, wie gesagt, immer dann vorteilhaft, wenn nicht direkt auf dem Rand der Solarzelle gelötet werden kann, ohne die Solarzelle durch den Lötprozess zu gefährden. Die vom Rand vertikal weiter entfernt liegenden Kontaktfinger 123 können dann wie in den anderen Ausführungsbeispielen über ihre Anschlusspads 130 sicher verlötet werden.
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Die gezeigten Verbindungslinien 231, 232, 233 können aus dem gleichen Material gefertigt werden und in dem gleichen Schritt ausgebildet werden, wie die Anschlusspads 130 oder die Kontaktfinger 120. Um das beispielhafte Silbermaterial möglichst optimal für die Anschlusspads 130 einzusetzen, brauchen mit dieser Strukturierung nur dort Verbindungslinien 231, 232, 233 ausgebildet werden, wo es erforderlich ist (um den elektrischen Widerstand möglichst klein zu halten). Insbesondere brauchen die Anschlusspads 130 nicht vollflächig ausgebildet werden.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 110, 610
- Zellenkörper
- 120, 121,...,620
- Kontaktfinger
- 130, 131, ...,630
- Anschlusspads
- 140,640
- Zellverbinder
- 230, 231, 232 ...
- Verbindungslinien
- 650
- Stromsammelschiene(n)
- R
- Randbereich
- D1, D2
- Länge/Breite des Anschlusspads
- L
- Überlappbereich
