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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, eine photovoltaische Solarzelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 12 sowie ein Photovoltaikmodul gemäß Oberbegriff des Anspruchs 15.
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Photovoltaische Solarzellen weisen typischerweise an einer bei Benutzung dem Lichteinfall zugewandten Vorderseite gitterartige Metallisierungsstrukturen zur Kontaktierung des Emitters und an einer Rückseite ganzflächige Metallschichten zur Kontaktierung der Basis der Solarzelle auf. In einem Photovoltaikmodul werden nebeneinanderliegende Solarzellen typischerweise in Reihe geschaltet, indem mittels eines Zellverbinders die rückseitige metallische Kontaktierungsstruktur einer Solarzelle mit der vorderseitigen metallischen Kontaktierungsstruktur einer benachbarten Solarzelle elektrisch leitend verbunden wird.
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Als Zellverbinder werden typischerweise metallische Elemente verwendet, welche während des Erstellens des Photovoltaikmoduls jeweils zwischen benachbarten Solarzellen angeordnet werden. Ebenso ist aus
EP 2 629 339 A1 die Verwendung einer Folie mit einer metallischen Schicht, einer Isolierungsschicht und einem teilweise optisch transparenten Bereich als Zellverbinder bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Verschaltung von photovoltaischen Solarzellen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle gemäß Anspruch 1, eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 12 sowie ein Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße photovoltaische Solarzelle ist bevorzugt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zum Erzeugen einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle ausgebildet, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle umfasst einen Verfahrensschritt A, mit Bereitstellen mindestens eines Solarzellenprecursors mit zumindest einer Basis und zumindest einem Emitter sowie einen Verfahrensschritt B mit Anordnen einer Metallfolie (nachfolgend auch abkürzend „Folie“) an einer Rückseite des Solarzellenprecursors, sodass die Metallfolie mit der Basis oder dem Emitter elektrisch leitend verbunden ist.
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Hierbei wird die Metallfolie als integraler Bestandteil der Rückseitenkontaktierung der photovoltaischen Solarzelle ausgebildet. Weiterhin schließt die Metallfolie die Rückseite der Solarzelle ab.
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Wesentlich ist, dass die Metallfolie mit zumindest einem Zellverbindungsbereich an zumindest einer Seite den Rand des Solarzellenprecursors um zumindest 200 µm, bevorzugt um zumindest 1 mm, bevorzugt um zumindest 3 mm, überragt.
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Es ist bereits bekannt, die rückseitige Kontaktierung einer Solarzelle mittels einer Metallfolie durchzuführen. Eine solche Solarzelle und ein solches Verfahren sind beispielsweise aus
DE 10 2016 115 355 A1 bekannt. Die Metallfolie stellt einen integralen Bestandteil der photovoltaischen Solarzelle dar, um die rückseitige Abführung von Ladungsträgern der Solarzelle zu gewährleisten. Die Metallfolie entspricht somit hinsichtlich ihrer Hauptfunktion der sonst üblichen ganzflächigen rückseitigen Metallisierung einer photovoltaischen Solarzelle mittels einer Metallschicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren überlappt die Metallfolie an zumindest einem Rand die Solarzelle um zumindest 1 mm, bevorzugt um zumindest 3 mm, weiter bevorzugt um zumindest 5 mm. Mit diesem Zellverbindungsbereich kann die Solarzelle somit einfacher und auf kostengünstige Weise mit einer benachbarten Solarzelle elektrisch leitend verbunden werden. Der Zellverbindungsbereich der rückseitigen Metallfolie übernimmt somit ganz oder zumindest teilweise die Funktion der sonst üblichen, separaten Zellverbinder.
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Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Weiterentwicklung der vorbekannten rückseitigen metallischen Kontaktierungsstruktur einer photovoltaischen Solarzelle unter Verwendung einer Metallfolie dar, wobei zumindest ein Zellverbindungsbereich der Metallfolie als Zellverbinder oder zumindest Bestandteil eines aufzuwickelnden Zellverbinders verwendet wird.
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Hierdurch ergeben sich erhebliche Kostenvorteile. Weiterhin kann jedoch aufgrund der Flexibilität der Metallfolie auf an sich bekannte Verbindungsverfahren bei Solarzellenmodulen zurückgegriffen werden. Insbesondere können an sich bekannte Standardstrukturen von Solarzellen verwendet werden, bei welchen die Rückseite einer Solarzelle elektrisch leitend mit der Vorderseite einer benachbarten Solarzelle zur Ausbildung einer Serienschaltung verbunden werden.
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Im Gegensatz zu vorbekannten Verfahren ist hierfür somit ein externer Zellverbinder nicht zwingend notwendig. Weiterhin werden keine besonderen Anforderungen an den Aufbau oder die Struktur der Metallfolie gestellt. Vorteilhafterweise wird daher eine einlagige Metallfolie verwendet. Insbesondere ist es vorteilhaft, eine unstrukturierte, insbesondere unstrukturierte einlagige Metallfolie zu verwenden. Hierdurch ergeben sich Kostenvorteile, da eine kostengünstige Metallfolie verwendet werden kann und darüber hinaus auch die Handhabung im Prozess gegenüber mehrlagiger Folien oder strukturierter Folien vereinfacht ist. Die Metallfolie ist gegenüber vorbekannten Zellverbindern auch mechanisch stabiler, da flexibel und weniger starr.
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Vorteilhafterweise überragt die Metallfolie an genau einer Seite den Rand des Solarzellenprecursors. Hierdurch kann an diesem Rand die Verbindung mit einer benachbarten Solarzelle mittels des Zellverbindungsbereiches der Metallfolie ausgebildet werden und an den anderen Rändern wird die Modulanordnung nicht durch überstehende Folie beeinträchtigt.
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Vorteilhafterweise ist die Metallfolie mit dem Solarzellenprecursor über eine Mehrzahl von Punktkontakten elektrisch leitend verbunden. Hierdurch werden einerseits geringe Serienwiderstandsverluste und andererseits eine erhöhte mechanische Haftung der Metallfolie realisiert.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass zwischen Metallfolie und Solarzellenprecursor zumindest eine elektrisch isolierende Isolierungsschicht angeordnet ist, welche eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, an welchen jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Metallfolie und Solarzellenprecursor ausgebildet ist. Durch die Isolierungsschicht wird verhindert, dass die Metallfolie außerhalb des Bereichs der Punktkontakte unkontrolliert elektrisch leitend mit einer Halbleiterschicht der Solarzelle in Verbindung steht und unerwünschte Nebeneffekte wie eine erhöhte Rekombination oder Kurzschlüsse werden hierdurch vermieden.
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Vorteilhafterweise ist die Mehrzahl von Punktkontakten außerhalb des Solarzellenprecursors ausschließlich über die Metallfolie elektrisch leitend miteinander verbunden. Zur Kostenreduzierung und Vereinfachung des Herstellungsverfahrens ist es vorteilhaft, dass keine zusätzlichen metallischen Verbindungsstrukturen für eine elektrische Verbindung der Punktkontakte untereinander, abgesehen von der Metallfolie, vorgesehen sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform bedeckt die Metallfolie die Rückseite des Solarzellenprecursors vollständig. Hierdurch wird einerseits ein geringer Serienwiderstand erzielt und andererseits wird die Wirkung einer optisch spiegelnden Rückseite aufgrund der Spiegelung von Strahlung an der dem Solarzellenprecursor zugewandten Seite der Metallfolie hierdurch optimal ausgenutzt und somit die Lichtabsorption und dadurch der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht.
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In einer alternativen Ausführungsform wird die Metallfolie einen Verbindungsrandbereich der Rückseite aussparend angeordnet, insbesondere einen Verbindungsrandbereich mit einer Breite im Bereich 50 µm bis 1 cm. In dieser vorteilhaften Ausführungsform kann im Verbindungsrandbereich eine elektrische Kontaktierungsmöglichkeit für die entgegengesetzte Polarität vorgesehen sein. Mittels der Metallfolie wird bevorzugt eine rückseitige oder rückseitennahe Halbleiterschicht der photovoltaischen Solarzelle elektrisch leitend kontaktiert. Insbesondere ist es vorteilhaft, mittels der Metallfolie eine Basis der Solarzelle elektrisch leitend zu kontaktieren. Der Verbindungsrandbereich, an welchem die Metallfolie bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ausgespart ist, kann somit zur elektrischen Kontaktierung der entgegengesetzten Polarität verwendet werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, an dem Verbindungsrandbereich einen Emitter der Solarzelle elektrisch leitend zu kontaktieren.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, randseitig eine elektrisch leitende Verbindung von der Vorderseite zu dem Verbindungsrandbereich der Rückseite auszubilden. Eine solche elektrisch leitende Verbindung kann in einem metallischen Verbindungselement am Rand der Solarzelle ausgestaltet sein. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, einen an der Vorderseite angeordneten Emitterbereich durch Emitterkanäle von der Vorderseite zu der Rückseite zu führen und an der Rückseite im Verbindungsrandbereich elektrisch leitend zu kontaktieren. Solche Strukturen sind als EWT-Strukturen (Emitter Wrap Through) bekannt.
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Um Serienwiderstandsverluste insbesondere innerhalb von Emitterkanälen zu vermeiden, ist es jedoch vorteilhaft, eine metallische elektrisch leitende Verbindung von der Vorder- zur Rückseite vorzusehen: In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in dem Verbindungsrandbereich, welcher nicht durch die Metallfolie bedeckt ist, zumindest eine, bevorzugt eine Mehrzahl von metallischen Durchverbindungen von einer Vorderseite zu der Rückseite des Solarzellenprecursors ausgebildet. Mittels dieser metallischen Durchverbindungen können somit Ladungsträger von der Vorder- zu der Rückseite geführt werden, um an der Rückseite abgeführt zu werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, mittels der metallischen Durchverbindungen einen an der Vorderseite angeordneten Emitter elektrisch leitend zu kontaktieren. Die photovoltaische Solarzelle wird somit bevorzugt als MWT-Solarzelle (Metal Wrap Through) ausgebildet.
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Diese vorteilhafte Ausgestaltung weist zwar den Nachteil auf, dass keine Standard-Solarzellenstruktur verwendet wird. Im Gegenzug besteht jedoch der Vorteil, dass eine Verschaltung von Solarzellen in Reihe in einem Solarzellenmodul ausschließlich durch eine rückseitige Verschaltung ermöglicht wird: Vorteilhafterweise werden in einem Solarzellenmodul die Solarzellen derart nebeneinanderliegend angeordnet, dass jeweils ein Zellverbindungsbereich einer Solarzelle dem Verbindungsrandbereich einer benachbarten Solarzelle zugewandt ist. Hierdurch kann in unaufwendiger Weise der Zellverbindungsbereich der Metallfolie unter dem Verbindungsrandbereich der benachbarten Solarzelle angeordnet und mit dieser mechanisch und elektrisch leitend verbunden werden, sodass eine Serienverschaltung erzielt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Zellverbindungsbereich mit zumindest einem länglichen Kontaktierungsfingerfortsatz an der dem Solarzellenprecursor abgewandten Seite des Zellverbindungsbereiches ausgebildet, insbesondere einem Kontaktierungsfingerfortsatz mit einer Breite kleiner 2 mm und einer Länge größer 1 mm. Der Kontaktierungsfingerfortsatz kann in vorteilhafter Weise zur Vorderseite einer benachbarten Solarzelle bei Serienverschaltung in einem Photovoltaikmodul geführt werden. Vorteilhafterweise weist die Solarzelle daher auf der Vorderseite eine sich entlang des Kontaktierungsfingerfortsatzes erstreckende metallische Kontaktierungsstruktur, insbesondere einen Busbar, auf und der Kontaktierungsfingerfortsatz wird auf dieser metallischen Kontaktierungsstruktur der benachbarten Solarzelle angeordnet und mit dieser elektrisch leitend und mechanisch verbunden, um eine Serienverschaltung im Photovoltaikmodul zu erzielen.
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Die eingangs erwähnte Aufgabe ist weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls gelöst. Dieses weist einen Verfahrensschritt A mit Herstellen von mehreren erfindungsgemäßen Solarzellen, insbesondere gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform, auf. Weiterhin erfolgt in einem Verfahrensschritt B ein Nebeneinanderanordnen von zumindest zwei solcher Solarzellen und ein elektrisches Verbinden der Solarzellen, indem der Zellverbindungsbereich der Metallfolie einer Solarzelle elektrisch leitend mit der benachbarten Solarzelle verbunden wird.
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Vorteilhafterweise wird hierbei der Zellverbindungsbereich der Metallfolie auf die Vorderseite der benachbarten Solarzelle geführt und dort elektrisch leitend mit der benachbarten Solarzelle verbunden. Hierdurch kann auf an sich bekannte Solarzellenstrukturen, insbesondere Solarzellenstrukturen mit einem vorderseitigen Emitter und einer vorderseitigen metallischen Kontaktierungsstruktur für den Emitter zurückgegriffen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sollte, insbesondere bei Standardsolarzellen mit einer Kantenlänge von 156mm, die Vorderseitenelektrode entsprechend verstärkt ausgelegt sein, um eine zu großen Serienwiderstandsverluste zu erzeugen. Dazu werden in einer bevorzugten Ausführgsform die Busbars stärker gedruckt oder dispenst oder aber extra Busbars beispielsweise mittels Metallspritzverfahren erzeugt oder die Anzahl an Busbars erhöht.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform werden die Solarzelle an der Rückseite jeweils mit einem nicht durch Metallfolie bedeckten Verbindungsbereich ausgebildet, insbesondere bevorzugt wie zuvor beschrieben, und derart nebeneinander angeordnet, dass jeweils ein Zellverbindungsbereich der Metallfolie einer Solarzelle den Verbindungsrandbereich der benachbarten Solarzelle überlappt und dort der Zellverbindungsbereich mit dem Verbindungsrandbereich elektrisch leitend verbunden wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird an der Vorderseite der Solarzelle zumindest ein elektrisch leitend mit der Solarzelle verbundener Zellverbinder angeordnet, welcher die Solarzelle zumindest an einem Rand in einen Zellverbinderüberlappungsbereich um zumindest 1 mm überlappt und der Zellverbindungsbereich der Metallfolie einer Solarzelle wird mit dem Zellverbinderüberlappungsbereich der benachbarten Solarzelle elektrisch leitend verbunden, insbesondere bevorzugt durch Löten oder Schweißen. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ersetzt der Zellverbindungsbereich der Metallfolie den Zellverbinder somit teilweise. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass im Vergleich zur heutigen Standardbauweise 50% der Zellverbinderlänge eingespart werden kann, da dieser nur noch die Vorderseite der Solarzelle bedeckt, sich aber nicht mehr über die gesamte Rückseite erstreckt. Weiterhin ist die Folie deutlich flexibler, als der relativ starre, ca 200 µm dicke Kupferverbinder, so dass die flexible Verbindung mittels Folie die im Modul im täglichen Gebrauch vorkommenden mechanischen Spannungen zwischen den Zellen reduziert. Ein weiterer Vorteil ist, dass im Zellzwischenbereich lokale Schweiß- oder Hartlötprozesse angewendet werden können, die zu stabileren Verbindungen der beiden Materialien führen und einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufweisen. Bei konventionellen Lötprozessesn ist das nicht möglich, da der lötprozess auf der Zelle stattfindet und diese dazu global erwärmt wird, wesewegen ausschließlich Weichlötprozesse bis zu Temperaturen < 300 Grad eingesetzt werden können.
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Die eingangs erwähnte Aufgabe ist weiterhin durch eine photovoltaische Solarzelle gemäß Anspruch 12 gelöst. Die photovoltaische Solarzelle weist ein Halbleitersubstrat und eine metallische Rückseitenkontaktierung mit einer Metallfolie auf, wobei die Metallfolie die Solarzelle an der Rückseite abschließt.
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Wesentlich ist, dass die Metallfolie in einem Zellverbindungsbereich das Halbleitersubstrat an zumindest einem Rand um zumindest 1 mm, bevorzugt wenigstens 3 mm, überragt.
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Die Solarzelle ist dabei bevorzugt gemäß
DE 10 2016 115 355 A1 hergestellt, weist jedoch zusätzlich den zuvor beschriebenen Zellverbindungsbereich auf.
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Vorteilhafterweise ist die Metallfolie an einer Mehrzahl von Punktkontakten mit dem Halbleitersubstrat verbunden und außerhalb des Halbleitersubstrats sind die Punktkontakte ausschließlich über die Metallfolie elektrisch leitend miteinander verbunden. Hierdurch ergeben sich Kostenvorteile, da keine zusätzlichen metallischen Kontaktierungsstrukturen zur rückseitigen Kontaktierung mittels der Metallfolie ausgebildet werden müssen.
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Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass das Metall der Metallfolie unmittelbar zur Kontaktierung einer Halbleiterschicht der photovoltaischen Solarzelle verwendet wird. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass bei Herstellung der Solarzelle zunächst separate metallische Punktkontakte ausgebildet werden und anschließend die Metallfolie mit den Punktkontakten elektrisch leitend verbunden wird, insbesondere durch lokales Aufschmelzen.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass an der Rückseite des Halbleitersubstrats eine Heterokontaktstruktur mit einer Heteroübergangsschicht und einer mittelbar oder bevorzugt unmittelbar zwischen Heteroübergangsschicht und Halbleitersubstrat angeordneten dielektrischen Tunnelschicht angeordnet ist und dass die Metallschicht elektrisch leitend mit der Heteroübergangsschicht verbunden ist. Hierdurch kann eine hocheffiziente und dennoch kostengünstige photovoltaische Solarzelle erzielt werden, da einerseits über die Heteroübergangsschicht eine geringe effektive Rückseitenrekombinationsgeschwindigkeit erzielt werden kann und andererseits durch die Kontaktierung mit der Metallfolie eine kostengünstige Kontaktierung möglich ist, die darüber hinaus keinen oder nur einen geringen Wärmeeintrag zur Herstellung erfordert, sodass keine oder allenfalls eine geringfügige Beeinträchtigung der Heteroübergangsschicht aufgrund des Wärmeeintrags erfolgt.
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Die eingangs gestellte Aufgabe ist weiterhin gelöst durch ein Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 15, mit mehreren nebeneinander angeordneten und elektrisch leitend verbundenen Solarzellen. Wesentlich ist, dass die Rückseite einer Solarzelle mittels einer an einer Rückseite der Solarzelle angeordneten Metallfolie, welche integraler Bestandteil der Rückseitenkontaktierung dieser Solarzelle ist, elektrisch leitend mit der Vorderseite der benachbarten Solarzelle verbunden ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Ausbildung einer Dehnungsreserve zwischen den Solarzellen geeignet:
- In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Herstellung eines Solarzellenmoduls mit den zuvor genannten Verfahrensschritten A und B. Nach Verfahrensschritt B werden die beiden Solarzellen einander angenähert, um eine Dehnungsreserve mittels des Zellverbindungsbereichs auszubilden. Die beiden Solarzellen werden somit derart einander angenähert, dass sich die durch den Zellverbindungsbereich überbrückte Strecke zwischen den Solarzellen verkürzt und sich hierdurch im Zellverbindungsbereich zwischen den Solarzellen eine Wölbung und/oder Faltung im Zellverbindungsbereich ausbilden kann. Diese Wölbung und/oder Faltung des Zellverbindungsbereichs ermöglicht somit eine Dehnungsreserve, sofern im Solarzellenmodul beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen oder mechanischer Belastung durch Schneelast oder Wind eine Abstandsänderung zwischen den Solarzellen erfolgt. Vorteilhafterweise werden die Solarzellen um eine Strecke im Bereich 100 µm bis 300 µm einander angenähert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für schmale Solarzellen, sogenannte „Halbzellen“ geeignet, da eine etwaige geringere Querleitfähigeit der Folie im Vergleich zu Zellverbinderbändchen hier geringere Verluste im Wirkungsgrad verursacht. Vorteilhafterweise weisen daher die Solarzelle senkrecht zu dem Rand des Zellverbindungsbereichs eine Breite kleiner 10 cm, insbesondere kleiner 6 cm, bevorzugt kleiner 3 cm auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Schindelsolarzellen geeignet, insbesondere, wenn diese in einer weiter bevorzugten Ausführform eine für Schindelsolarzellen typische Größe aufweisen, die nochmals deutlich kleiner als Halbzellen ist. Die generierte Strommenge ist damit kleiner und der Widerstandsbeitrag aufgrund der begrenzten Leitfähigkeit bei dünnen Folien deutlich geringer. Da es bei dieser Art des Modulbaus keinerlei Zell-Zwischenräume gibt, genügt eventuell sogar ein Folienüberstand, der gerade breit genug ist, dass man die Folie noch an der Nachbarzelle befestigen kann. Ein weiterer Vorteil ist, das Standardzellverbinder aufgrund ihrer Steifigkeit für die Verschaltung in Schindelmodulen nicht angewendet werden können und lediglich Kleben mittels teurem leitfähigem Kleber als einzige Verbindungstechnologie übrigbleibt. Dünne Folien können aufgrund ihrer Flexibilität derart stark geformt werden, dass sich sogar Schindelsolarzelle damit elektrisch verbinden lassen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Photovoltaikmoduls werden die Verfahrensschritte A und B wie zuvor beschrieben ausgeführt. Anschließend wird die Solarzelle, deren Metallfolie zum Verbinden der beiden Solarzellen verwendet wurde, angehoben und auf den Rand der benachbarten Solarzelle gelegt, so dass in Draufsicht von oben die Solarzelle die Metallfolie überdeckt, bevorzugt vollständig überdeckt. Hierdurch wird eine Schindelanordnung von Solarzellen realisiert, welche einen hohen Modulwirkungsgrad ermöglicht. Gleichzeitig sind die Zellen mechanisch nicht starr miteinander verbunden, was die Modulhaltbarkeit wesentlich verbessert.
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Die Metallfolie weist bevorzugt eine Dicke im Bereich 6 µm bis 40 µm auf. Hierdurch ist eine Optimierung zwischen Flexibilität und Leitfähigkeit gegeben.
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Die Metallfolie ist bevorzugt als Aluminiumfolie ausgebildet.
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Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Zellverbindungsbereich zum Kontaktieren der Vorderseite einer benachbarten Solarzelle;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Zellverbindungsbereich einen Teil eines Zellverbinders ausgebildet;
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit MWT-Solarzellen;
- 4 ein viertes Ausführungsbeispiel mit Dehnungsreserve und
- 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel in Schindeltechnik.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente. In den Figuren sind schematische, nicht maßstabsgerechte Darstellungen gezeigt. Insbesondere die Dicke der Solarzelle und deren Metallisierungskomponenten sind zur besseren Darstellbarkeit erheblich vergrößert in Bezug zu der Breite der Solarzelle. Im Ergebnis ist auch der Anstellwinkel der Schindeldarstellung gemäß 4 in der Darstellung erheblich vergrößert. Die Solezellenreihe setzt sich nach rechts zur Ausbildung eines Solarzellenstrings analog fort. An der jeweils rechten Solarzelle wurde in Draufsicht der Zellverbindungsbereich der Metallfolie zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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1a, b), 2a), 3a) und b) zeigen Seitenansichten, wobei die Oberseiten der Solarzelle stets obenliegend dargestellt sind. 1c) und d) sowie 2b) zeigen Draufsichten von oben.
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In 1a) ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle 1a schematisch dargestellt. Die Solarzelle 1a weist ein Halbleitersubstrat 2a auf, welches als p-dotierter Siliziumwafer ausgebildet ist und an der obenliegenden Vorderseite einen per Diffusion ausgebildeten, n-dotierten Emitter aufweist. Weiterhin können an der Vorderseite dielektrische Schichten zur Passivierung und Erhöhung der Lichtabsorption vorgesehen sein. Vorliegend ist die Vorderseite mit einer Siliziumnitridschicht bedeckt. Auf der Siliziumnitridschicht ist eine an sich bekannte, gitterförmige Metallisierungsstruktur angeordnet. Diese ist als an sich bekanntes kammartiges Metallisierungsgitter umfassend Busbars und Metallisierungsfinger ausgebildet und durchdringt die Siliziumnitridschicht bereichsweise, um den Emitter elektrisch zu kontaktieren. Die Rückseite ist vollständig durch eine Isolierungsschicht, welche als 50 nm dicke Siliziumoxidschicht ausgebildet ist, bedeckt. Es wurde somit in einem Verfahrensschritt A ein Solarzellenprecursor bereitgestellt, welcher eine Basis und einen vorderseitigen Emitter aufweist.
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In einem Verfahrensschritt wird rückseitig eine Metallfolie 3a angeordnet, welche vorliegend als Aluminiumfolie mit einer Dicke von 20 µm ausgebildet ist.
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Mittels Laserstrahlung wird die Metallfolie 3a an einer Mehrzahl von Punkten lokal aufgeschmolzen, sodass das lokal aufgeschmolzene Metall die Siliziumdioxidschicht durchdringt und auch im Bereich der lokalen Erwärmung mittels des Laserstrahls geringfügig Silizium des Halbleitersubstrats 2a aufgeschmolzen wird. Nach Erstarren besteht somit an jedem Ort der vorherigen lokalen Erwärmung ein Punktkontakt, an welchen die Metallfolie 3a mechanisch und elektrisch leitend mit dem Halbleitersubstrat 2a und somit mit der Basis der photovoltaischen Solarzelle verbunden ist. Darüber hinaus wird jeweils am Bereich der Punktkontakte Aluminium lokal im Halbleitersubstrat 2a eingelagert, welches ein sogenanntes Back Surface Field ausbildet und die Ladungsträgerrekombination im Kontaktbereich verringert.
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Die Metallfolie 3a ist die Rückseite des Halbleitersubstrats 2a vollständig bedeckend ausgebildet. Wesentlich ist, dass die Metallfolie mit einem Zellverbindungsbereich 4a den Rand des Solarzellenprecursors an der in 1a) rechts dargestellten Seite überragt, vorliegend um 2 cm.
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Mit diesem flexiblen Zellverbindungsbereich 4a der Metallfolie 3a kann die Solarzelle 1a somit in einem Photovoltaikmodul in Serienverschaltung mit einer benachbarten Solarzelle verschaltet werden, wie in 1b dargestellt:
- Hierzu wird der Zellverbindungsbereich 4a zwischen den beiden benachbarten Solarzellen von der Rückseite der links dargestellten Solarzelle zur Vorderseite der rechts dargestellten Solarzelle geführt und an der Vorderseite mit der metallischen Kontaktierungsstruktur dieser Solarzelle mittels Löten mechanisch und elektrisch leitend verbunden, sodass die beiden Solarzellen in Serie verschaltet sind. Die Solarzellen 1a weisen hierzu eine Vorderseitenmetallisierung auf, welche jeweils an einem Rand einen breiten Busbar aufweist, um diesen jeweils mit dem Zellverbindungsbereich 4a der benachbarten Solarzelle zu verbinden, wie in der Draufsicht gemäß 1c) ersichtlich:
- In der Draufsicht von oben ist bei beiden Solarzellen jeweils die auf der Vorderseite angebrachte Vorderseitenmetallisierung 5 ersichtlich, welche am linken Rand einen breiten Busbar aufweist, von welchem ausgehend sich Metallisierungsfinger über die Vorderseite der Solarzelle erstrecken. Der Busbar der Vorderseitenmetallisierung 5 der rechten Solarzelle 1a wird vom Zellverbindungsbereich 4a der Metallfolie 3 der linken Solarzelle 1a überdeckt und ist mit diesem mechanisch und elektrisch leitend verbunden. Diese Art der Serienverschaltung setzt sich im Photovoltaikmodul entlang jeder Linie von Solarzellen (den sogenannten Strings) fort.
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In 1d) ist ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die Vorderseitenmetallisierung einen mittigen Busbar aufweist, welcher sich in Richtung der Solarzellenreihe erstreckt. Entsprechend weist der Zellverbindungsbereich 4a' der Metallfolie 3a einen länglichen Kontaktierungsfingerfortsatz 3a' auf, welcher den Busbar der rechten Solarzelle bedeckt und mit diesem elektrisch leitend und mechanisch verbunden ist.
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1a) zeigt somit ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen photovoltaischen Solarzelle und die weiteren Figuren zeigen jeweils einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls.
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Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 gleicht in Grundzügen dem ersten Ausführungsbeispiel. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend daher lediglich auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen:
- Wie in 2a) ersichtlich, unterscheidet sich die Solarzelle 1b mit Halbleitersubstrat 2b und Metallfolie 3b von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Zellverbindungsbereich 4b schmaler ausgebildet ist, vorliegend 1 cm, verglichen mit dem Zellverbindungsbereich 4a. Dies ist in der unterschiedlichen Verschaltungsart begründet:
- Wie in 2a) ersichtlich, ist an einer Vorderseitenmetallisierung der rechts dargestellten Solarzelle 1b ein als Metallplatte ausgebildeter Zellverbinder 6 angeordnet. Dieser weist eine Dicke von 200 µm auf und ist nicht flexibel. Der Zellverbinder 6 wurde mittels Löten an der Vorderseitenmetallisierung der rechts dargestellten Solarzelle 1b angeordnet. Der Zellverbindungsbereich 4b der links dargestellten Solarzelle 1b ist mittels Löten mit der Unterseite des Zellverbinders 6 verbunden.
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Diese Verschaltungsart weist den Vorteil auf, dass erstens die Hälfte der sonst üblichen Zellverbinder eingespart werden kann und zweitens, dass in den Zellzwischenräumen energieintensivere Verbindungsprozesse wie Hartlöten oder Schweißen eingesetzt werden können, welche qualitativ hochwertigere Verbindungsstellen ermöglichen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der auf der Vorderseite der rechten Zelle angelötet Zellverbinder lediglich eine Lötschicht an der Seite ausgebildet haben muss, welche der rechten Zelle zugewandt ist. In der klassischen Herstellung von Strings benötigt der Zellverbinder auch an der gegenüberliegenden Seite Lot, da diese der Rückseite der linken Solarzelle zugewandt ist. Die Folienverschaltung ermöglicht damit die Verwendung einfacherer Zellverbinderbändchen.
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In 2b) ist eine Draufsicht von oben dargestellt, wobei zur besseren Übersichtlichkeit bei beiden Solarzellen jeweils die Vorderseitenmetallisierung nicht ausgeführt wurde.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem eine Serienverschaltung der Solarzellen ausschließlich über rückseitige Kontaktierung möglich ist:
- Die Solarzelle 1c gleicht im Grundaufbau der gemäß 1a) dargestellten und beschriebenen Solarzelle. Hier ist die Solarzelle jedoch als MWT-Solarzelle ausgebildet. Die Solarzelle weist am linken Rand metallische Durchleitungsstrukturen auf. Diese metallischen Via-Strukturen 7 verbinden eine Vorderseitenmetallisierung der Solarzelle mit der Rückseite der Solarzelle.
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Entsprechend weist die Rückseite der Solarzelle einen Verbindungsrandbereich 8 auf, welcher nicht durch die Metallfolie 3c bedeckt ist. Der Verbindungsrandbereich 8 weist eine Breite von 0,5 cm auf.
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Dies ist notwendig, da die Metallfolie 3c mit der Basis der Solarzelle elektrisch leitend verbunden ist und die Via-Struktur 7 über die Vorderseitenmetallisierung mit dem Emitter der Solarzelle.
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Auf diese Weise kann eine rein rückseitige Serienverschaltung erzielt werden, wie in 3b) dargestellt:
- Der Zellverbindungsbereich 4c der Metallfolie 3c der links dargestellten Solarzelle 1c bedeckt die Via-Struktur 7 der rechts dargestellten Solarzelle 1c im Verbindungsrandbereich 8 der rechts dargestellten Solarzelle und ist elektrisch leitend mit der Via-Struktur 7 verbunden. Hierdurch wird eine Serienverschaltung erzielt, ohne dass der Zellverbindungsbereich 4c zwischen den Solarzellen von der Rückseite zur Vorderseite geführt werden muss.
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In dieser Darstellung ist bei der linken Solarzelle 1c an der Via-Struktur 7 eine metallische Anfangskontaktierungsstruktur 10 im Verbindungsrandbereich 8 dargestellt, welche über ein Kabel oder einen andersartigen Leiter mit externen Anschlüssen des Photovoltaikmoduls verbunden ist.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, welches eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß der 1a bis 1c darstellt:
- Ausgehend von dem Zustand gemäß 1b und c werden die Solarzellen 1a einander um 200 µm angenähert, so dass sich im Zellverbindungsbereich 4a zwischen den Solarzellen 1a eine Dehnungsreserve 9 ausbildet. In dieser Konstellation werden die Solarzellen im Solarzellenmodul fixiert, so dass bei einer etwaigen Ausdehnung beispielsweise durch Temperaturschwankungen eine Dehnungsreserve besteht, welche eine mechanische Belastung im Zellverbindungsbereich 4a vermeidet.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, ebenfalls ausgehend von dem Zustand gemäß 1b und 1c. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Anordnung in Schindeltechnik realisiert, in dem die linke Solarzelle 1a angehoben wird und über dem Rand der rechten Solarzelle 1a abgelegt wird. Aufgrund der flexiblen Metallfolie kann hierbei im Zellverbindungsbereich 4a eine Faltung ausgebildet werden, siehe 5a. Die Überdeckung erfolgt derart, dass in Draufsicht von oben keine Metallfolie 3a ersichtlich ist und somit auch keine Abschattung durch die Metallfolie erfolgt und ein höherer Modulwirkungsgrad erzielt werden kann (siehe 5b).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2629339 A1 [0003]
- DE 102016115355 A1 [0010, 0030]
