DE102017214347B4

DE102017214347B4 - Verfahren zur Herstellung eines Fassadenelements sowie Fassadenelement

Info

Publication number: DE102017214347B4
Application number: DE102017214347.9A
Authority: DE
Inventors: Hafis Hermann Issa; Ralph Pätzold; Pavel Schilinsky; Julian Firges; Martin Sulzer
Original assignee: ASCA GmbH
Current assignee: ASCA GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2017-08-17
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2037-08-18
Also published as: DE102017214347A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Fassadenelements (2),- wobei das Fassadenelement (2) ein Flächenelement (4) aufweist,- wobei das Fassadenelement (4) zumindest ein Halbleitermodul (6) aufweist,- wobei das Halbleitermodul (6) einen elektrischen Anschluss (8) aufweist,- wobei in einem ersten Schritt auf das Flächenelement (4) ein Kontaktelement (10) aus einem leitenden Material aufgedruckt wird,- wobei in einem zweiten Schritt das Halbleitermodul (6) auf dem Flächenelement (4) befestigt wird, indem das Halbleitermodul (6) mit dem Flächenelement (4) verpresst wird und indem der elektrische Anschluss (8) mit dem Kontaktelement (10) verpresst wird,- wobei vor dem Verpressen des Halbleitermoduls (6) und des Flächenelements (4) das Halbleitermodul (6) oder das Flächenelement (4) mit einem Klebstoff (16) versehen wird,- wobei beim Verpressen des elektrischen Anschlusses (8) mit dem Kontaktelement (10) der elektrische Anschluss (8) den Klebstoff (16) in einem Bereich zwischen dem elektrischen Anschluss (8) und dem Kontaktelement (10) verdrängt,- wobei der elektrische Anschluss (8) mit dem Halbleitermodul (6) vercrimpt wird und zunächst an das Halbleitermodul (6) angesetzt wird und erst beim Verpressen mit dem Halbleitermodul (6) vercrimpt wird,- wobei ein weiteres Halbleitermodul (6) mit dem Kontaktelement (10) verpresst und verbunden wird, sodass beide Halbleitermodule (6) über das Kontaktelement (10) elektrisch miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fassadenelements sowie ein entsprechendes Fassadenelement.
Ein Halbleitermodul weist allgemein eine aktive Schicht auf, welche zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Ein Beispiel für ein Halbleitermodul ist ein Photovoltaikmodul. Bei einem solchen wird in der aktiven Schicht Licht absorbiert und dabei ein Strom generiert, welcher über zwei Anschlüsse abgeführt werden kann. Halbleitermodule im Allgemeinen und Photovoltaikmodule im Speziellen lassen sich in Gebäudefassaden integrieren, um die Außenfläche des Gebäudes z.B. zur Energieerzeugung zu nutzen. Die Halbleitermodule werden hierbei an einzelnen Fassadenelementen angebracht, welche dann am Gebäude montiert werden.
Diverse Photovoltaikmodule und Verfahren im Zusammenhang damit sind beispielsweise beschrieben in EP 2 833 416 A1 , US 2009/0189515 A1 , US 2012/0234369 A1 und US 2012/0034799 A1 .
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Fassadenelements anzugeben, bei welchem ein Halbleitermodul besonders zuverlässig befestigt ist. Weiterhin soll ein entsprechendes Fassadenelement angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Fassadenelements mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für ein entsprechendes Fassadenelement und umgekehrt.
Das Verfahren dient zur Herstellung eines Fassadenelements. Das Fassadenelement weist ein Flächenelement auf und zumindest ein Halbleitermodul. Das Flächenelement ist insbesondere eine Glasscheibe. Das Halbleitermodul weist einen elektrischen Anschluss auf. Der elektrische Anschluss wird kurz auch lediglich als Anschluss bezeichnet. In einem ersten Schritt wird auf das Flächenelement ein Kontaktelement aus einem leitenden Material aufgedruckt. Das Kontaktelement wird auch als Kontaktfläche oder Modulanschlusspunkt bezeichnet. In einem zweiten Schritt, d.h. insbesondere nach dem ersten Schritt, wird das Halbleitermodul auf dem Flächenelement befestigt, indem das Halbleitermodul mit dem Flächenelement verpresst wird und indem der elektrische Anschluss mit dem Kontaktelement verpresst wird.
Die Erfindung geht zunächst insbesondere davon aus, dass ein Halbleitermodul, z.B. ein Photovoltaikmodul in ein Fassadenelement, z.B. in ein Fensterelement integriert werden soll. Zum Anschließen des Photovoltaikelements werden beispielsweise sogenannte Sammelschienen, auch als „bus bar“ bezeichnet, verwendet, welche an das Photovoltaikelement angeschlossen werden, um dieses wiederum an einen Verbraucher anzuschließen. Ein oder mehrere Photovoltaikelemente werden beispielsweise händisch mit den Sammelschienen verbunden und dann auf eine Glasscheibe transferiert, danach wird eine zweite Glasscheibe aufgedrückt und der gesamte Verbund erwärmt, d.h. das Photovoltaikmodul wird zwischen den beiden Glasscheiben einlaminiert. Da die unterschiedlichen Materialien, vornehmlich die Sammelschiene und das Photovoltaikmodul jedoch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, entstehen entsprechende mechanische Belastungen, welche zu einer Zerstörung der Verbindung zwischen Sammelschiene und Photovoltaikmodul führen können.
Der Erfindung liegt zunächst insbesondere die Beobachtung zugrunde, dass die Verbindung zwischen einer Sammelschiene und einem Halbleitermodul beim Laminieren einen kritischen Punkt darstellt. Grundsätzlich ist es möglich, zunächst wie beschrieben händisch eine Sammelschiene an dem Halbleitermodul festzukleben. Zweckmäßigerweise wird hierbei ein elektrisch leitfähiger Klebstoff verwendet. Diese Herstellung ist jedoch besonders zeitaufwändig. Das Halbleitermodul und die Sammelschiene werden dann auf ein Flächenelement transferiert. Hierbei wird bereits ein mechanischer Stress erzeugt. Desweiteren ist die erzeugte Verbindung auch beim anschließenden Laminieren nicht ausreichen robust. Dies ergibt sich insbesondere aus den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der diversen Bauteile, welche beim Laminieren zu mechanischen Spannungen führen.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht nun insbesondere darin, die Anbindung des Halbleitermoduls nunmehr über ein aufgedrucktes Kontaktelement herzustellen, anstatt eine separat positionierte Sammelschiene zu verwenden. Das fest aufgedruckte Kontaktelement und die damit hergestellte Verbindung zum Halbleitermodul sind besonders robust. Die beim Aufdrucken festgelegte Positionierung bleibt vorteilhaft erhalten. Eine händische Positionierung und Verbindung entfällt vorteilhaft, vielmehr erfolgt nun ein automatisiertes Aufdrucken.
Das Fassadenelement dient insbesondere zur Ausbildung einer Fassade an einem Bauwerk und stellt entsprechend am fertigen Bauwerk einen Teil von dessen Fassade dar. Das Fassadenelement ist beispielsweise ein Wandelement oder ein Überdachungselement. Das Fassadenelement ist vorzugsweise ein Fensterelement, d.h. Licht kann von einer Seite zur anderen Seite durch das Fassadenelement hindurchtreten.
Das Flächenelement ist ein flächiges Bauteil, typischerweise mit Abmessungen von mehreren Quadratzentimetern bis zu mehreren Quadratmetern. Für das Flächenelement kommt grundsätzlich eine Vielzahl an Ausgestaltungen in Frage. Das Flächenelement ist beispielsweise rechteckig oder alternativ anders geformt. Das Flächenelement ist zweckmäßigerweise plan, eine gekrümmte Ausgestaltung ist jedoch auch geeignet. Bevorzugterweise ist das Flächenelement transparent. Aufgrund der Transparenz wird ein Fensterelement oder ein Beleuchtungselement und allgemein ein lichtdurchlässiges Fassadenelement realisiert. Das transparente Flächenelement ist vorzugsweise klar und weist dann einen Transmissionsgrad von wenigstens 90% auf. In einer Variante ist das Flächenelement getönt oder mit einer zusätzlichen Beschichtung versehen und weist dann einen geringeren Transmissionsgrad auf. Ganz besonders bevorzugt ist das Flächenelement eine Glasscheibe, welche als solche transparent ist. Alternativ zu einer Glasscheibe wird ein Flächenelement aus einem transparenten Kunststoff verwendet. Eine Glasscheibe ist jedoch üblicherweise robuster, einerseits was die Belastungen während des Verpressens im Rahmen der Herstellung angeht, anderseits bezüglich der Umgebung, z.B. der Witterung bei einer Verwendung im Außenbereich eines Gebäudes. Je nach Ausgestaltung und Anwendungszweck des Halbleitermoduls sind auch nicht-transparente Flächenelemente vorteilhaft, z.B. aus einem nicht-transparenten Kunststoff oder einem nicht-transparenten oder beschichteten Glas.
Das Halbleitermodul ist an sich insbesondere wie das Flächenelement ebenfalls flächig und erstreckt sich über eine Fläche von mehreren Quadratzentimetern bis z.B. zu mehreren Quadratmetern. In der Fläche folgt das Halbleitermodul dem Verlauf des Flächenelements, liegt also an diesem an. Das Halbleitermodul ist nicht zwingend genauso groß und genauso geformt wie das Flächenelement. Vorzugsweise ist das Halbleitermodul kleiner als das Flächenelement. Das Hableitermodul ist vorzugsweise in einem Rollendruckverfahren als Endlosware, d.h. als Meterware hergestellt und wird dann vor dem Einbau in das Fassadenelement konfektioniert, d.h. in einzelne Halbleitermodule zertrennt. Das konfektionierte Halbleitermodul ist selbst insbesondere ein an sich bereits einsatzfähiges und betriebsfertiges Bauteil und wird in dieser Form dann in das Fassadenelement integriert.
Das Halbleitermodul ist insbesondere ein organisches Halbleitermodul. Organische Halbleitermodule zeichnen sich durch eine besonders hohe Flexibilität aus und können dadurch besonders gut in Fassadenelemente integriert werden, vor allem auch in solche Fassadenelemente, welche nicht plan sind, sondern gekrümmt sind. Ein organisches Halbleitermodul weist einen hohen Grad an Designfreiheit auf, wodurch sich das Fassadenelement auch ästhetisch anspruchsvoll herstellen lässt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil von organischen Halbleitermodulen besteht insbesondere auch darin, dass diese in gewissem Grade transparent sind. Dies ergibt sich insbesondere aus einer üblicherweise dünnen, aktiven Schicht und mehreren üblicherweise transparenten Elektroden, welche z.B. aus Indiumzinnoxid gefertigt sind oder als Gitterelektroden ausgebildet sind. Das organische Halbleitermodul weist zudem insbesondere ein Substrat auf, welches vorzugsweise aus Kunststoff besteht. Auf dem Substrat ist eine Schichtstruktur aus der aktiven Schicht und den mehreren Elektroden aufgebaut. Das organische Halbleitermodul ist dabei insgesamt folienartig ausgebildet, d.h. als flexible Folie.
Besonders bevorzugt ist das Halbleitermodul ein Photovoltaikmodul, d.h. insbesondere ein organisches Photovoltaikmodul (kurz: OPV), also eine organische Solarzelle, z.B. eine dye sensitized solar cell (DSCC) oder eine Perovskit Solarzelle. Ein solches Photovoltaikmodul ist in einem Fassadenelement besonders gewinnbringend, da das Fassadenelement typischerweise der Umwelt und somit der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Das Fassadenelement ist demnach vorzugsweise ein Außenfassadenelement. In einer Variante ist das Fassadenelement dagegen ein Innenfassadenelement, zur Montage und Verwendung im Inneren eines Gebäudes. Alternativ oder zusätzlich ist das Fassadenelement als Gestaltungselement ausgebildet und z.B. von einer Fassade eines Gebäudes isoliert oder abgesetzt angeordnet. Ganz besonders vorteilhaft ist ein organisches Photovoltaikelement in einem Fensterelement, da ein organisches Photovoltaikelement zunächst zwar Licht absorbiert, jedoch auch einen gewissen Anteil hindurchlässt, also transparent ist, sodass nicht absorbiertes Licht ins Innere des Gebäudes gelangt. Durch einen geeignet gewählten Füllfaktor, d.h. des Anteils des Fensterelements, welcher mit dem Photovoltaikelement bedeckt ist, lassen sich die hindurchgelassene Lichtmenge und die Menge an erzeugter Energie bedarfsgerecht dosieren. Auch eine Ausgestaltung des Fassadenelement als ein Segel ist vorteilhaft.
Alternativ ist das Halbleitermodul eine organische Leuchtdiode (OLED), eine Laserdiode, ein organischer Transistor, insbesondere ein Dünnschichttransistor (OTFT), ein organischer Feldeffekttransistor (OFET), ein organischer Photodetektor (OPD), eine Schottky-Diode, ein Photoleiter, ein Photodetektor oder ein thermoelektrisches Bauteil.
Das Halbleitermodul und das Flächenelement werden insbesondere im Rahmen einer Lamination miteinander verpresst, d.h. im Rahmen eines Laminierverfahrens. Bei der Lamination, d.h. beim Laminieren werden zugleich auch der Anschluss des Halbleitermoduls und das Kontaktelement miteinander verpresst. Bei einer Lamination werden allgemein mehrere flächige Elemente, hier das Halbleitermodul und das Flächenelement, miteinander zusammengefügt, um ein Laminat mit mehreren Schichten zu erhalten, welche fest und insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Das Fassadenelement ist demnach insbesondere ein Laminat. Die Lamination erfolgt insbesondere bei einer erhöhten Temperatur, welche konkret von den verwendeten Materialien abhängt. Die Lamination erfolgt insbesondere unter erhöhtem Druck, geeigneterweise bei mehreren Bar. Vor der Lamination wird zwischen den einzelnen Schichten zweckmäßigerweise ein Klebstoff aufgetragen, um die Schichten miteinander flächig zu verkleben und dadurch insbesondere stoffschlüssig zu verbinden.
Da das Kontaktelement aufgedruckt wird, ist dessen Form vorteilhaft beliebig ausgestaltbar, wodurch sich das Kontaktelement in das Design des Fassadenelements und auch des gesamten Gebäudes mit einbeziehen lässt. Demgegenüber weist eine herkömmliche Sammelschiene eine generell längliche und bandartige Form auf, sodass deren Form und Verlauf typischerweise vorgegeben sind. Grundsätzlich wird das Kontaktelement mit so geringen Abmessungen wie möglich ausgebildet, um möglichst wenig der Gesamtfläche des Fassadenelement zu verdecken. In einer geeigneten Ausgestaltung weist das Kontaktelement eine Breite im Bereich von 1mm bis 10mm auf. In einer geeigneten Ausgestaltung weist das Kontaktelement eine Länge im Bereich von 1 cm bis 20cm auf. Die Länge entspricht dann insbesondere einem Abstand zwischen zwei Halbleitermodulen, welche über das Kontaktelement miteinander verbunden sind. Zusätzlich dient das Kontaktelement in einer besonders vorteilhaften Variante auch als Designelement und wird in einer ästhetisch ansprechenden Form ausgebildet. Entsprechend ergeben sich dann auch die Abmessungen, d.h. die Breite und Länge des Kontaktelements aus Designerwägungen und weichen unter Umständen von den vorgenannten Abmessungen insbesondere hinsichtlich der Länge ab. Auch weist das Kontaktelement einen Verlauf auf, welcher in einer einfachen ersten Ausgestaltung gerade ist, in einer anderen Ausgestaltung jedoch gekrümmt oder gebogen verläuft, um ein bestimmtes Design und eine bestimmte optische Erscheinung zu verwirklichen. Das Kontaktelement dient vorrangig als Modulanschlusspunkt, d.h. als Anschlusspunkt für das Halbleitermodul, wobei unter „Anschlusspunkt“ ein elektrischer Anschlusspunkt verstanden wird. Das Kontaktelement wird daher auch als Modulverbinder bezeichnet. Da das Kontaktelement effektiv insbesondere die Funktion einer Sammelschiene übernimmt, wird das Kontaktelement auch als Sammelschiene bezeichnet. Das Kontaktelement wird aus einem leitenden Material hergestellt.
Das Kontaktelement dient nun sowohl als elektrischer Kontakt für das Halbleitermodul als auch als mechanischer Kontakt zwischen dem Halbleitermodul und dem Flächenelement. Insofern erfüllt das Kontaktelement vorteilhaft eine Doppelfunktion. Demgegenüber stellt die eingangs erwähnte Sammelschiene lediglich einen elektrischen Kontakt dar, während eine mechanische Anbindung z.B. durch einen zusätzlichen Klebstoff erfolgt. Demgegenüber benötigt das Kontaktelement selbst keinen zusätzlichen Klebstoff zur Verbindung mit dem Halbleitermodul. Der elektrische Anschluss des Halbleitermoduls wird vielmehr direkt an das Kontaktelement angepresst, wodurch eine elektrisch gut leitende und mechanisch robuste Verbindung entsteht. Beim Verpressen und insbesondere bei der Lamination insgesamt ist das Kontaktelement besonders stabil und sorgt somit für eine reproduzierbar gute Anbindung des Halbleitermoduls.
Grundsätzlich ist das Verfahren dazu geeignet, ein Halbleitermodul auf einem einzelnen Flächenelement zu montieren. Vorzugsweise wird das Halbleitermodul aber zwischen zwei Flächenelementen einlaminiert und sozusagen zwischen zwei Flächenelementen eingekapselt, d.h. das Halbleitermodul wird zwischen dem Flächenelement und einem weiteren Flächenelement einlaminiert. Im Ergebnis ist das Halbleitermodul dann zwischen den beiden Flächenelementen angeordnet und derart in das Fassadenelement integriert, dass das Halbleitermodul optimal gegenüber der Umgebung geschützt ist. Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher jedes der beiden Flächenelemente eine Glasscheibe und allgemein ein transparentes Flächenelement ist. Bei einem Photovoltaikelement kann dann Licht, welches nicht absorbiert wird durch das Fassadenelement hindurchtreten, sodass ein Fensterelement realisiert ist. Geeignet ist jedoch grundsätzlich auch eine Alternative, bei welcher eines der Flächenelemente transparent und insbesondere eine Glasscheibe ist und das andere Flächenelement ist nicht transparent. Dann ergibt sich ein Fassadenelement, welches z.B. ein Sichtschutzelement ist. Da zumindest die Seite mit dem transparenten Fassadenelement transparent ist, ist das Halbleitermodul weiterhin noch zugänglich. Bei einem Photovoltaikelement kann dann nach wie vor Licht über das transparente Flächenelement in die aktive Schicht gelangen. Bei einem Lichtmodul, z.B. einer OLED, kann weiterhin Licht zumindest in eine Richtung emittiert werden.
Vor dem Verpressen des Halbleitermoduls und des Flächenelements wird das Halbleitermodul oder das Flächenelement mit einem Klebstoff versehen. Dies schließt die Variante ein, dass sowohl das Halbleitermodul als auch das Flächenelement jeweils mit Klebstoff versehen werden. Bei der Ausgestaltung mit zwei Flächenelementen wird das Halbleitermodul zweckmäßigerweise beidseitig mit Klebstoff versehen oder eines oder beide der Flächenelemente werden mit Klebstoff versehen und dann wird der gesamte Verbund aus Flächenelementen, Halbleitermodul und Klebstoff verpresst. Der Klebstoff dient insbesondere der flächigen und stoffschlüssigen Befestigung des Halbleitermoduls auf dem jeweiligen Flächenelement und vorteilhaft auch der Vermeidung von Lufteinschlüssen. Hierzu wird der Klebstoff vorteilhafterweise flächig, d.h. durchgängig und insbesondere auch lückenlos aufgetragen. Das Verpressen erfolgt beispielsweise bei einem Druck von 7bar bis 8bar und bei einer Temperatur oberhalb von 100°C. Der Klebstoff ist insbesondere ein sogenannter „hot-meit“, welcher bei den genannten Temperaturen aufschmilzt und sich dadurch dann beim Verpressen optimal verteilt.
Beim Verpressen des elektrischen Anschlusses mit dem Kontaktelement verdrängt der elektrische Anschluss den Klebstoff in einem Bereich zwischen dem elektrischen Anschluss und dem Kontaktelement. Mit anderen Worten: beim Verpressen verdrängt der Anschluss denjenigen Klebstoff, welcher über dem Kontaktelement aufgetragen wurde und dieses zunächst überdeckt, sodass der Anschluss insbesondere unmittelbar mit dem Kontaktelement verbunden wird. Das Kontaktelement weist hierzu geeigneterweise eine Dicke auf, welche das Doppelte bis das Fünffache einer Dicke des Klebstoffs beträgt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Kontaktstelle dick genug ist, um beim Verpressen durch den Klebstoff hindurchzutreten und mit dem Anschluss kontaktiert zu werden.
Weiterhin ist ein weiteres Halbleitermodul mit dem Kontaktelement verpresst und verbunden, sodass beide Halbleitermodule über das Kontaktelement elektrisch miteinander verbunden sind. Das Kontaktelement dient als Verbindung zwischen den beiden Halbleitermodulen. In einer Variante sind allgemein mehrere Halbleitermodule in das Fassadenelement integriert. Innerhalb des einen Fassadenelement werden demnach mehrere Halbleitermodule nebeneinander in einer Modulschicht angeordnet und untereinander verschaltet. Vorzugsweise sind sämtliche Halbleitermodule in lediglich einer Modulschicht angeordnet. Speziell bei mehreren Photovoltaikmodulen werden die beiden Halbleitermodule zweckmäßigerweise in einer Parallelschaltung parallel zueinander geschaltet, um möglichst viel Strom zu erhalten. Geeignet ist aber auch eine Serienschaltung, um eine höhere Spannung zu erzielen. Alternativ liegt eine Kombination von Serien- und Parallelschaltung vor. Beide Verschaltungsarten sind auch für andere Halbleitermodule geeignet.
Generell werden die beiden und allgemein die mehreren Halbleitermodule möglichst dicht beieinander positioniert, um die Abmessungen des Kontaktelements möglichst gering zu halten und um auch die zur Verfügung stehende Fläche optimal mit Halbleitermodulen zu belegen. In einer besonders effektiven Ausgestaltung werden die beiden Halbleitermodule auf Stoß angeordnet oder zusätzlich mit einem Toleranzabstand von z.B. höchstens 5mm. Je nach Anforderung ist aber auch eine beabstandete Anordnung vorteilhaft, z.B. falls aufgrund von ästhetischen Erwägungen ein bestimmtes Muster oder eine bestimmte Geometrie oder Anordnung erzielt werden soll. Das Kontaktelement wird dann entsprechend größer ausgebildet, um den Abstand zwischen den beiden Halbleitermodulen zu überbrücken. Ein wesentlicher Vorteil des aufgedruckten Kontaktelements ist hierbei insbesondere, dass sich beliebige Abstände überbrücken lassen, wobei zweckmäßigerweise auch die Form des Kontaktelement optisch ansprechend ausgestaltet wird, um insgesamt einen möglichst gefälligen Gesamteindruck der Anordnung zu erzielen.
Als leitendes Material wird vorzugsweise eine Silbertinte verwendet, d.h. das leitende Material ist eine Silbertinte. Das leitende Material besteht dann insbesondere aus Silber und einem Lösungsmittel. Silber zeichnet sich durch eine besonders hohe Leitfähigkeit aus. Zudem ist ein aus Silber hergestelltes Kontaktelement auch mechanisch besonders robust. Die Silbertinte wird alternativ auch als Silberpaste bezeichnet.
Das leitende Material wird vorzugsweise mittels eines Siebdruckverfahrens aufgedruckt. Ein Siebdruckverfahren eignet sich besonders zur Fertigung hoher Stückzahlen und erlaubt zugleich ein flexibles Design der Kontaktelemente. Zudem lässt sich ein Siebdruckverfahren auch in eine kontinuierliche Fertigung des Fassadenelements integrieren.
Zweckmäßigerweise wird das leitende Material nach dem Aufdrucken gesintert und dadurch die Kontaktstelle fertiggestellt. Beim Sintern wird das leitende Material, welches auf das Flächenelement aufgetragen ist, ausgehärtet und verdichtet, sodass sich ein besonders hartes und robustes Kontaktelement ergibt. Das leitende Material wird insbesondere gesintert, bevor das Flächenelement mit dem Halbleitermodul verpresst wird und insbesondere auch, bevor wir oben beschrieben ein Klebstoff aufgetragen wird.
Vorzugsweise wird zur Herstellung des Kontaktelements ein ähnliches Verfahren verwendet, wie zum Auftragen eines Heizdrahts auf eine Glasscheibe. Abweichend davon wird vorliegend allerdings ein anderes Material aufgetragen, nämlich das im Vergleich zu einem Heizdraht besonders leitfähige leitende Material. Dieses wird insbesondere auch nicht über das gesamte Flächenelement verteilt aufgetragen. Abgesehen von einer Ausgestaltung als Designelement wird das leitende Material vorzugsweise lediglich punktuell, bereichsweise oder abschnittsweise aufgetragen, nämlich genau dort, wo das Halbleitermodul elektrisch angeschlossen werden soll oder mit einem anderen Halbleitermodul verbunden werden soll. Weiterhin wird das Kontaktelement insbesondere breiter aufgedruckt als ein üblicher Heizdraht. Vorzugsweise weist das Kontaktelement eine Breite auf, welche derjenigen einer herkömmlichen Sammelschiene entspricht, da diese ja durch das Kontaktelement ersetzt werden soll. Geeignet ist demnach eine Breite zwischen 1mm und 15mm, besonders geeignet zwischen 5mm und 10mm. Die Dicke des Kontaktelement ist vorzugsweise so gering wie möglich, um die Bauhöhe innerhalb des Fassadenelement möglichst gering zu halten, sodass dieses besonders flach ist. In einer geeigneten Ausgestaltung weist die fertige Kontaktstelle, d.h. das gesinterte leitende Material, eine Dicke im Bereich von 10µm bis 50µm auf.
Der elektrische Anschluss des Halbleitermoduls ist beispielsweise ein Teil einer Elektrode des Halbleitermoduls. Alternativ ist der Anschluss ein separates Bauteil, welches an dem Halbleitermodul befestigt ist. In einer geeigneten Ausgestaltung ist der Anschluss an das Halbleitermodul angelötet. Zweckmäßigerweise ist der Anschluss eine Lötfahne. Insbesondere weist das Halbleitermodul wenigstens zwei elektrische Anschlüsse auf, welche gegensätzliche Pole des Halbleitermoduls sind. Die beiden Anschlüsse sind vorzugsweise gleichartig ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der elektrische Anschluss profiliert und weist eine Anzahl an Vorsprüngen auf, welche beim Verpressen an das Kontaktelement abgedrückt und insbesondere in dieses hineingedrückt werden. Dabei wird der Anschluss generell von oben her und senkrecht zur Glasscheibe mit einer Unterseite in das Kontaktelement hineingedrückt und weist dann vorzugsweise auf der Unterseite eine entsprechende Profilierung auf. Die Vorsprünge dringen dann vorteilhafterweise in das Kontaktelement ein, sodass sich eine besonders feste Verbindung ergibt. Die Vorsprünge sind beispielsweise als Zähne ausgebildet. Auch eine seitliche Profilierung ist alternativ oder zusätzlich geeignet.
Der elektrische Anschluss wird mit dem Halbleitermodul vercrimpt. Der Anschluss ist demnach als ein Crimp ausgebildet, welcher eine Anzahl von Armen aufweist, welche in das Halbleitermodul eingedrückt werden und dadurch für eine mechanische Anbindung sorgen. Auf ein Festlöten, Anlöten oder Kleben wird vorteilhafterweise verzichtet, die Anbindung erfolgt rein mechanisch.
Vorliegend wird der elektrische Anschluss mit dem Halbleitermodul beim Verpressen vercrimpt, also automatisch während des Laminierens. Der Anschluss wird hierzu zunächst an das Halbleitermodul angesetzt, d.h. insbesondere angeschlagen, und die Arme des Crimps werden mit dem Halbleitermodul in Eingriff gebracht. Der Crimp wird jedoch erst beim Verpressen des gesamten Verbunds verformt, insbesondere werden hierbei die Arme des Crimps verbogen und wodurch die endgültige Anbindung an das Halbleitermodul hergestellt wird. Die Verbindung des Crimps mit dem Kontaktelement erfolgt insbesondere wie oben bereits beschrieben.
Zweckmäßigerweise wird vor dem Verpressen auf das Kontaktelement eine Lötstelle aufgebracht. Die Lötstelle zeichnet sich dadurch aus, dass diese weicher ist als das Kontaktelement, d.h. insbesondere weicher als das ausgehärtete oder gesinterte Kontaktelement. Die Lötstelle wird daher auch als weiche Lötstelle oder als weiche Kappe bezeichnet. Die Lötstelle besteht insbesondere aus einem Lot, beispielsweise auf Zinnbasis. Die Lötstelle steht in elektrischem Kontakt mit dem Kontaktelement. Beim Verpressen wird dann der elektrische Anschluss in die Lötstelle hineingedrückt, sodass eine besonders gute elektrische Verbindung hergestellt wird. Dabei verdrängt der elektrische Anschluss die Lötstelle, genauer gesagt das Lot, zumindest teilweise. Die Lötstelle wird also absichtlich verformt, sodass ein optimaler Formschluss zwischen dem elektrischen Anschluss und der Lötstelle hergestellt wird und somit eine optimale elektrische Anbindung an die Kontaktstelle. Die Lötstelle dient hierbei insbesondere nicht dem Anlöten des elektrischen Anschlusses, eine Verbindung wird vielmehr rein mechanisch erzielt. Für die Ausgestaltung mit Lötstelle gilt das weiter oben im Zusammenhang mit der Kontaktstelle Gesagte entsprechend, d.h. dass insbesondere zur Verdrängung der Klebstoffschicht wie oben beschrieben dann zweckmäßigerweise die Lötstelle entsprechend dick gewählt wird, um einen unmittelbaren Kontakt des Anschlusses mit der Lötstelle und vorzugsweise auch der Kontaktstelle zu gewährleisten.
Insgesamt wird bei der Herstellung des Fassadenelements vorzugsweise auf ein Lötverfahren verzichtet. Die elektrische und die mechanische Anbindung des Halbleitermoduls an das Kontaktelement erfolgen vorzugsweise rein mechanisch und beim Verpressen des Halbleitermoduls mit dem Flächenelement oder den beiden Flächenelementen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:

1 ein Fassadenelement in einer perspektivischen Ansicht,
2 das Fassadenelement aus 1 in einer Aufsicht,
3 einen Ausschnitt des Fassadenelements aus 1 in einer Schnittansicht, und
4a, 4b je einen Verfahrensschritt zur Herstellung eines Fassadenelements.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Fassadenelements 2 gezeigt. Das Fassadenelement 2 weist zwei Flächenelemente 4 auf, zwischen welchen eine Anzahl an Halbleitermodulen 6 angeordnet ist. Vorliegend sind zwei Hableitermodule 6 in das Fassadenelement 2 integriert. Das Fassadenelement 2 dient allgemein zur Ausbildung einer Fassade an einem nicht näher gezeigten Bauwerk. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind beide Flächenelemente 4 als Glasscheiben ausgebildet, sodass das Fassadenelement 2 insgesamt als ein Fensterelement ausgebildet ist, sodass Licht von einer Seite zur anderen Seite durch das Fassadenelement 2 hindurchtreten kann. Die Flächenelemente 4 sind jeweils flächige und vorliegend rechteckige und plane Bauteile, typischerweise mit Abmessungen von mehreren Quadratzentimetern bis zu mehreren Quadratmetern. In einer nicht gezeigten Variante weist das Fassadenelement 2 nur ein Flächenelement 4 auf, auf welches die Halbleitermodule 6 aufgebracht sind. Alternativ oder zusätzlich ist eines der oder sind bei Flächenelement 4 aus einem anderen Material als Glas gefertigt.
Die Halbleitermodule 6 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils als organische Photovoltaikmodule ausgebildet und dient als solches der Energiegewinnung durch einfallendes Licht. Nicht absorbiertes Licht gelangt aufgrund der transparenten Flächenelemente 4 ins Innere des Gebäudes. Die Halbleitermodule 6 sind wie die Flächenelemente 4 ebenfalls flächig ausgebildet und erstrecken sich über eine Fläche von mehreren Quadratzentimetern bis hin zu z.B. mehreren Quadratmetern. Die Halbleitermodule 6 sind insgesamt folienartig ausgebildet, d.h. als flexible Folie. Jedes der Halbleitermodule 6 weist vorliegend mehrere elektrische Anschlüsse 8 auf, um die Halbleitermodule 6 untereinander zu verbinden sowie außerhalb des Fassadenelement 2 anschließen zu können, z.B. an einen nicht gezeigten Verbraucher. Die Anschlüsse 8 sind über eine Anzahl an Kontaktelementen 10 miteinander oder mit Anschlüssen außerhalb oder am Rand des Fassadenelement 2 verbunden. Bei der Herstellung des Fassadenelements 2 werden die Kontaktelemente 10 auf eines der Flächenelement 4 aufgedruckt. Die Kontaktelemente 10 bestehen aus einem leitenden Material und werden vorliegend aus einer Silbertinte hergestellt, welche in einem Siebdruckverfahren auf das Flächenelement 4 aufgedruckt wird und anschließend gesintert wird. Das Kontaktelement 10 wird auch als Kontaktfläche oder Modulanschlusspunkt bezeichnet, da ein jeweiliges Halbleitermodul 6 an ein oder mehrere Kontaktelemente 10 angeschlossen wird. Eine direkte Verbindung der Halbleitermodule 6 untereinander erfolgt dagegen nicht. Jegliche elektrische Verbindung eines Halbleitermoduls 6 wird vorliegend über die aufgedruckten Kontaktelemente 10 vermittelt.
In 2 ist das Fassadenelement 2 aus 1 ausschnittsweise in einer Aufsicht gezeigt, wobei die Halbleitermodule 6 nunmehr detaillierter dargestellt sind. In 2 weist jedes Halbleitermodul 6 mehrere Zellen 12 auf, welche miteinander verschaltet sind, um einen bestimmten Strom und eine bestimmte Spannung zu erzeugen. Jedes der Halbleitermodule 6 weist zudem zwei Elektroden 14 auf, über welche der Strom und die Spannung abgegriffen werden können. Die elektrischen Anschlüsse 8 sind vorliegend endeseitig an den Elektroden 14 angebracht. Die in den 1 und 2 gezeigte Anordnung der einzelnen Elemente des Fassadenelements sowie die konkrete Form und Ausgestaltung eines einzelnen Halbleitermoduls 6 sowie auch die Verschaltung der Halbleitermodule 6 miteinander stellen lediglich eine von einer Vielzahl an geeigneten Ausführungsvarianten dar. Einzelne Aspekte können dabei unabhängig voneinander geändert werden, um beispielsweise ein bestimmtes Aussehen zu erzielen, bestimmte Abmessungen oder bestimmte elektrische Eigenschaften oder eine Kombination hiervon.
Die Halbleitermodule 6 werden zwischen den Flächenelementen 4 befestigt, indem die Halbleitermodule 6 mit den Flächenelementen 4 im Rahmen einer Lamination, d.h. im Rahmen eines Laminierverfahrens miteinander verpresst werden. Hierbei werden auch die elektrischen Anschlüsse 8 mit den Kontaktelementen 10 verpresst. Bei einer Lamination werden allgemein mehrere flächige Elemente, hier die Halbleitermodule 6 und die Flächenelemente 4, miteinander zusammengefügt, um ein Laminat mit mehreren Schichten zu erhalten, welche fest und insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Das Fassadenelement 2 ist demnach ein Laminat. Das Ergebnis und das Verfahren werden nachfolgend anhand der 3, 4a und 4b erläutert. Dabei verdeutlicht die ausschnittsweise Schnittansicht in 3 das Grundkonzept und die 4a und 4b zeigen ein konkretes Ausführungsbeispiel des Verfahrens im Detail. Dabei wird eine Anzahl an Halbleitermodulen 6 zwischen zwei Flächenelementen 4 verpresst. Das Verfahren ist aber grundsätzlich auch dazu geeignet, eine Anzahl an Halbleitermodulen 6 auf einem einzelnen Flächenelement 4 zu verpressen.
Die elektrische und mechanische Anbindung der Halbleitermodule 6 stellt bei der Herstellung des Fassadenelements 2 einen kritischen Punkt dar. Besonders bei den beim Laminieren typischerweise hohen Temperaturen und Drücken muss die Anordnung hinreichend robust sein. Vorliegend erfolgt die Anbindung eines jeweiligen Halbleitermoduls 6 über eine Anzahl an aufgedruckten Kontaktelementen 10. Diese fest aufgedruckten Kontaktelemente 10 und die damit hergestellte Verbindung zum Halbleitermodul sind robust und auch unter starker Belastung positionsfest, d.h. die Positionierung der Kontaktstellen 10 bleibt während des Verfahrens erhalten. Da das Kontaktelement 10 aufgedruckt wird, ist dessen Form beliebig ausgestaltbar und nicht auf die gezeigte Form beschränkt.
In 3 ist nun eine Kontaktstelle 10 gezeigt, an welche die Anschlüsse 8 zweier Halbleitermodule 6 von oben her angedrückt sind. Ein jeweiliger Anschluss 8 wird direkt an das Kontaktelement 10 angepresst, wodurch eine elektrisch gut leitende und mechanisch robuste Verbindung entsteht. Dadurch ist ein sicherer elektrischer Kontakt gewährleistet. Die Halbleitermodule 6 sind zudem in einem Abstand A voneinander beabstandet, dies ist jedoch nicht zwingend. Ein jeweiliges Kontaktelement 10 dient nun sowohl als elektrischer Kontakt für ein jeweiliges Halbleitermodul 6 als auch als mechanischer Kontakt zwischen dem jeweiligen Halbleitermodul 6 und dem Flächenelement 4. Insofern erfüllt das Kontaktelement 10 eine Doppelfunktion.
Das Kontaktelement 10 weist eine Breite B auf, welche vorliegend derjenigen einer herkömmlichen Sammelschiene entspricht und an die Breite der Elektroden 14 im Randbereich der Halbleitermodule 6 angepasst ist, d.h. dieser entspricht. Vorliegend beträgt die Breite etwa 8mm. Andere Breiten B ergeben sich unter Umständen jedoch je nach Ausgestaltung der Halbleitermodule 6 und je nach Verbindungskonzept und Designvorgabe. Die Dicke D des Kontaktelements 10 ist vorzugsweise so gering wie möglich, um die Bauhöhe innerhalb des Fassadenelements 2 möglichst gering zu halten, sodass dieses besonders flach ist. Vorliegend weist die Kontaktstelle 10 eine Dicke D im Bereich von etwa 30µm) auf.
In dem Ausführungsbeispiel der 4a, 4b wird das Halbleitermodul 6 zum Laminieren zuerst mit einem Klebstoff 16 versehen, welcher jeweils flächig auf die beiden Flächenelemente 4 aufgetragen wird, und anschließend mit den Flächenelementen 4 zusammen verpresst. Das Verpressen ist durch zwei Pfeile verdeutlicht. Der Klebstoff 16 dient vorliegend der flächigen und stoffschlüssigen Befestigung der Halbleitermodul 6 auf dem jeweiligen Flächenelement 4.
Die 4a, 4b zeigen auch ein Ausführungsbeispiel für den elektrischen Anschluss 8. Dieser ist hier als ein separates Bauteil ausgebildet, welches an dem Halbleitermodul 6 befestigt ist. Der hier gezeigte Anschluss 8 ist als ein Crimp ausgebildet, welcher eine Anzahl von Armen 18 oder Zähnen aufweist, welche in das Halbleitermodul 6 eingedrückt werden und dadurch für eine mechanische Anbindung sorgen. Der Anschluss 8 wird wie in 4a gezeigt zunächst an das Halbleitermodul 6 angesetzt, d.h. die Arme 18 werden mit dem Halbleitermodul 6 in Eingriff gebracht. Beim Verpressen wird der elektrische Anschluss 8 mit dem Halbleitermodul 6 vercrimpt und dadurch die endgültige Anbindung an das Halbleitermodul 6 hergestellt. Dies ist besonders deutlich in 4b zu erkennen, welche die Anordnung nach dem Verpressen zeigt. Die Arme 18 sind hier verformt und halten das jeweilige Halbleitermodul 6 fest. Auf ein Festlöten, Anlöten oder Kleben wird vorliegend verzichtet, die Anbindung erfolgt rein mechanisch. In einer nicht gezeigten Variante ist der Anschluss alternativ oder zusätzlich an das Halbleitermodul 6 angelötet.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird zudem vor dem Verpressen auf das Kontaktelement 10 eine zusätzliche Lötstelle 20 aufgebracht, welche weicher ist als die gesinterte Kontaktstelle 10. Beim Verpressen wird nun der elektrische Anschluss 8 in die Lötstelle 20 hineingedrückt, wobei der Anschluss 8 die Lötstelle 20 zumindest teilweise verdrängt. Die Lötstelle 20 wird demnach absichtlich verformt, sodass ein Formschluss zwischen dem Anschluss 8 und der Lötstelle 20 hergestellt wird. Die Lötstelle 20 dient dabei nicht dem Anlöten des Anschlusses 9, eine Verbindung wird hier vielmehr rein mechanisch erzielt.
Aus den 4a und 4b wird weiterhin deutlich, dass der Klebstoff 14 vorliegend mit einer geringeren Dicke als die Kombination von Lötstelle 20 und Kontaktelement 10 aufgetragen wird. Dadurch ist sichergestellt, dass der Anschluss 8 beim Verpressen den Klebstoff 14 hinreichend verdrängt, sodass der Anschluss 8 sicher mit der Kontaktstelle 10 verbunden wird, hier vermittels der Lötstelle 20.
Zusätzlich zu den Armen 18 ist der elektrische Anschluss 8 auch zum Kontaktelement 10 hin profiliert und weist eine Anzahl an Vorsprüngen 22 auf, welche beim Verpressen in das Kontaktelement 10 oder zumindest in die Lötstelle 20 hineingedrückt werden. Der Anschluss 8 wird generell von oben her und senkrecht zum Flächenelement 4 mit einer Unterseite U, auf welcher hier die Vorsprünge 22 angeordnet sind, an das Kontaktelement 10 angedrückt. Die Vorsprünge 22 dringen vorliegend sogar in das Kontaktelement 10 ein, sodass sich eine feste Verbindung ergibt. Die Vorsprünge 22 sind hier als Zähne auf der Unterseite U ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich weisen die Vorsprünge eine andere Form auf. Alternativ oder zusätzlich ist eine Profilierung seitlich angeordnet.
Bezugszeichenliste

2: Fassadenelement
4: Flächenelement
6: Halbleitermodul
8: elektrischer Anschluss
10: Kontaktelement
12: Zelle
14: Elektrode
16: Klebstoff
18: Arm
20: Lötstelle
22: Vorsprung
A: Abstand
B: Breite
D: Dicke
U: Unterseite

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Fassadenelements (2), - wobei das Fassadenelement (2) ein Flächenelement (4) aufweist, - wobei das Fassadenelement (4) zumindest ein Halbleitermodul (6) aufweist, - wobei das Halbleitermodul (6) einen elektrischen Anschluss (8) aufweist, - wobei in einem ersten Schritt auf das Flächenelement (4) ein Kontaktelement (10) aus einem leitenden Material aufgedruckt wird, - wobei in einem zweiten Schritt das Halbleitermodul (6) auf dem Flächenelement (4) befestigt wird, indem das Halbleitermodul (6) mit dem Flächenelement (4) verpresst wird und indem der elektrische Anschluss (8) mit dem Kontaktelement (10) verpresst wird, - wobei vor dem Verpressen des Halbleitermoduls (6) und des Flächenelements (4) das Halbleitermodul (6) oder das Flächenelement (4) mit einem Klebstoff (16) versehen wird, - wobei beim Verpressen des elektrischen Anschlusses (8) mit dem Kontaktelement (10) der elektrische Anschluss (8) den Klebstoff (16) in einem Bereich zwischen dem elektrischen Anschluss (8) und dem Kontaktelement (10) verdrängt, - wobei der elektrische Anschluss (8) mit dem Halbleitermodul (6) vercrimpt wird und zunächst an das Halbleitermodul (6) angesetzt wird und erst beim Verpressen mit dem Halbleitermodul (6) vercrimpt wird, - wobei ein weiteres Halbleitermodul (6) mit dem Kontaktelement (10) verpresst und verbunden wird, sodass beide Halbleitermodule (6) über das Kontaktelement (10) elektrisch miteinander verbunden sind.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (4) eine Glasscheibe ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul (6) ein organisches Photovoltaikelement ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul (6) zwischen dem Flächenelement (4) und einem weiteren Flächenelement (4) einlaminiert wird, wobei jedes der beiden Flächenelemente (4) eine Glasscheibe ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material eine Silbertinte ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material in einem Siebdruckverfahren aufgedruckt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material nach dem Aufdrucken gesintert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss (8) profiliert ist und eine Anzahl an Vorsprüngen (22) aufweist, welche beim Verpressen an das Kontaktelement (10) angedrückt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verpressen auf das Kontaktelement (10) eine Lötstelle (20) aufgebracht wird, welche weicher ist als das Kontaktelement (10).