DE10230392B4

DE10230392B4 - Solarmodul zum direkten Umwandeln von Sonnenlicht in elektrische Energie

Info

Publication number: DE10230392B4
Application number: DE2002130392
Authority: DE
Inventors: Sven Dipl.-Ing. Tetzlaff; Peter Alberts; Markus Krall
Original assignee: SUNOVATION GES fur REGENERATI; Sunovation Gesellschaft fur Regenerative Energiesysteme Mbh
Current assignee: SUNPLASTICS GMBH, 63820 ELSENFELD, DE
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2022-07-06
Also published as: DE10230392A1

Abstract

Solarmodul zum direkten Umwandeln von Sonnenlicht in elektrische Energie, das mehrere voneinander beabstandete Solarzellen (10) aufweist, wobei die Solarzellen (10) mit Kontaktelektroden (11) versehen sind, die durch metallene Kontaktbrücken (20) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, und wobei die Kontaktbrücken (20) einen mit einer flexiblen Ummantelung (22) versehenen elektrischen Leiter (21) aufweisen, der mit freigelegten Kontaktabschnitten (23) versehen ist, die an den Kontaktelektroden (11) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Kontaktelektroden (11) befestigten Kontaktabschnitte (23) von einer nichtleitenden Paste (25) überdeckt sind, welche die Ummantelung (22) und die Solarzellen (10) stoffschlüssig miteinander verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul zum direkten Umwandeln von Sonnenlicht in elektrische Energie, das mehrere voneinander beabstandete Solarzellen aufweist. Die Solarzellen sind mit Kontaktelektroden versehen, die durch metallene Kontaktbrücken elektrisch leitend miteinander verbunden sind: Die Kontaktbrücken weisen einen mit einer flexiblen Ummantelung versehenen elektrischen Leiter auf, der mit freigelegten Kontaktabschnitten versehen ist, die an den Kontaktelektroden befestigt sind.
Unter einem Solarmodul im voranstehenden Sinne wird ein photovoltaischer Generator verstanden, der in einem oder mehreren Feldern angeordnete Solarzellen aufweist. Die in einer Parallelschaltung oder Reihenschaltung miteinander verbundenen Solarzellen wandeln die Strahlungsenergie des Sonnenlichts aufgrund des inneren Fotoeffekts direkt in elektrische Energie um. Die Solarzellen bestehen zu diesem Zweck aus einem elektrische Ladungsträger freisetzenden Halbleitermaterial und können beispielsweise aus Einkristallscheiben geschnitten oder in Form von Dünnschichtzellen als Folien ausgestaltet sein. Um die Solarzellen elektrisch zu verschalten, sind Kontaktelektroden vorgesehen, die üblicherweise auf der Oberseite und der Unterseite des Halbleitermaterials aufgedruckt oder aufgedampft sind. Die Kontaktelektroden der Solarzellen werden durch Kontaktbrücken elektrisch leitend miteinander verbunden, und zwar derart, daß die Kontaktelektrode auf der Oberseite einer Solarzelle mit der Kontaktelektrode auf der Unterseite einer benachbarten Solarzelle in Verbindung steht.
Die Kontaktbrücken werden an den Kontaktelektroden gewöhnlich durch Löten oder. Punktschweißen befestigt. Ein Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von Solarzellen mittels Kontaktbrücken wird in der DE 198 04 877 A1 beschrieben. Die Kontaktbrücken bestehen in der Regel aus einem elektrischen Leiter, der entweder zu einer Litze verseift oder in Form einer Entlastungsschleife ausgebildet ist, um aufgrund von äußeren Umgebungseinflüssen auftretende Zug-, Druck- und Biegespannungen aufnehmen zu können. Die Ausgestaltung der Kontaktbrücken als Litze ist mit einem vergleichsweise hohen Fertigungsaufwand verbunden und hat sich in Hinsicht auf eine zuverlässige Befestigung an den Kontaktelektroden als unbefriedigend erwiesen. Demgegenüber gewährleistet die Anordnung der Kontaktbrücken in Form einer Entlastungsschleife zwar eine ausreichende Flexibilität, um durch Spannungen hervorgerufene Dehnungen und Kontraktionen zu kompensieren. Die Entlastungsschleife ist aber ungeeignet, einer Versprödung des metallischen Werkstoffs, aus dem die Kontaktbrücken bestehen, in ausreichendem Maße entgegenzuwirken. Die im Laufe der Zeit zu einem Bruch der Kontaktbrücken führende Versprödung des metallischen Werkstoffs wird durch eine thermische Beanspruchung der Kontaktbrücken hervorgerufen, die aufgrund des während eines Tags unterschiedlich einfallenden Sonnenlichts unweigerlich auftritt.

Weiterhin ist aus der gattungsbildenden JP 61-202474 A ein Solarmodul bekannt, das sich aus mehreren voneinander beabstandeten Solarzellen zusammensetzt. Die Solarzellen sind mittels eines Klebstoffs auf einem Substrat befestigt und auf der dem Substrat abgewandten Seite mit die Solarzellen vor Strahlung schützenden Glasscheiben bedeckt. Die Glasscheiben sind mittels eines transparenten Klebstoffs an den Solarzellen befestigt. Die Solarzellen können parallel oder in Serie geschaltet sein. Zum Verbinden der einzelnen Solarzellen sind Kontaktbrücken vorgesehen, die mit einer Isolierung überzogen sind. Die Isolierung bildet eine Spannungsbarriere, um die Emission von Elektronen an der Oberfläche der Kontaktbrücken auch bei einer verhältnismäßig hohen elektrischen Feldstärke zu verhindern.

Ein Solarmodul, das sich aus durch Kontaktbrücken in Serie geschalteten Solarzellen zusammensetzt wird ferner in der EP 0 095 843 A2 beschrieben. Die Kontaktbrücken weisen eine Kupferfolie auf, die auf der Ober- und Unterseite mit einer Laminatschicht beschichtet ist. Die aus einem dielektrischen Werkstoff, beispielsweise Phenolharz, bestehenden Laminatschichten werden beim Befestigen der Kontaktbrücken an Kontaktstellen der Solarzellen mittels Strahlschweißen durchbrannt, um die Kupferfolie stoffschlüssig mit den Kontaktstellen zu verbinden.

Außerdem beschreibt die US 5679176 A ein Solarmodul, das sich aus mehreren Solarzellen zusammensetzt. Die Solarzellen sind durch Kontaktbrücken miteinander verbunden, die aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, beispielsweise Silber, Kupfer, Zinn, Zink oder Nickel, bestehen und durch Löten mit Kontaktelektroden der Solarzellen stoffschlüssig verbunden sind. Demzufolge sind die Enden der Kontaktbrücken an den Kontaktstellen mit den Kontaktelektroden von einem Lot bedeckt.

Als unbefriedigend bei den aus dem Stand der Technik bekannten Solarmodulen hat sich die im Laufe der Zeit auftretende Versprödung der Kontaktbrücken und die damit einhergehende Beeinträchtigung der Lebensdauer erwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Solarmodul der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich eine Versprödung der Kontaktbrücken vermeiden und damit eine verhältnismäßig lange Lebensdauer erzielen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Solarmodul mit den oben genannten Merkmalen in Übereinstimmung mit Anspruch 1 erfindungsgemäß vorgesehen, daß die an den Kontaktelektroden befestigten Kontaktabschnitte von einer nicht leitenden Paste überdeckt sind, welche die Ummantelung und die Solarzellen stoffschlüssig miteinander verbindet.

Ein solchermaßen ausgebildetes Solarmodul macht sich die Erkenntnis zu eigen, einer Versprödung des elektrischen Leiters durch das Vorsehen einer flexiblen Ummantelung zu begegnen. Die Ummantelung bewirkt eine thermische Isolierung des elektrischen Leiters und verhindert auf diese Weise, daß die Festigkeit des metallischen Werkstoffs, aus dem der elektrische Leiter besteht, durch thermische Einflüsse absinkt. Die freigelegten Kontaktabschnitte tragen ferner dazu bei, daß der elektrische Leiter trotz der Ummantelung auf einfache Weise an den Kontaktelektroden der Solarzellen befestigt werden kann. Die nicht leitende Paste schützt zum einen die Verbindungsstelle und trägt somit zu einer zuverlässigen Befestigung der Kontaktabschnitte an den Kontaktelektroden bei. Zum anderen verbindet die Paste die Solarzellen mit der Ummantelung, so daß beispielsweise durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen entstehende Relativbewegungen zwischen benachbarten Solarzellen, die eine Zug-, Druck- oder Biegespannung der Kontaktbrücken zur Folge haben, von der Ummantelung aufgenommen werden. Der elektrische Leiter läßt sich somit in der neutralen Faser der Kontaktbrücken anordnen, wodurch eine lange Lebensdauer sichergestellt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Solarmoduls stellen die Gegenstände der Ansprüche 2 bis 10 dar.

So ist es von Vorteil, wenn die nicht leitende Paste ein Klebstoff ist. Denn die Verwendung eines Klebstoffs führt zu einer praxisgerechten stoffschlüssigen Verbindung von Solarzellen und Ummantelung.

Von besonderem Vorteil ist ferner, wenn der elektrische Leiter aus Kupfer, Zinn, Zink oder Nickel besteht und vorzugsweise mit einem Edelmetall plattiert ist.

Die vorstehend genannten Metalle zeichnen sich durch eine gute Lötfähigkeit und damit einfache Befestigung an den Kontaktelektroden sowie eine verhältnismäßig kostengünstige Herstellung aus. In Hinsicht auf die mechanische Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit kann es unter Umständen zweckmäßig sein, die Metalle mit einem Edelmetall, beispielsweise Silber, zu plattieren.

Um bei ausreichender Festigkeit eine hohe Verformungsfähigkeit zu gewährleisten, ist die Ummantelung vorteilhafterweise aus einem biegsamen Kunststoff, vorzugsweise Polyester, gefertigt.

In Hinsicht auf eine einfache Fertigung ist die Ummantelung bevorzugt eine Folie, mit welcher der elektrische Leiter überzogen ist. Wird der elektrische Leiter als flaches Band ausgestaltet, läßt sich die Ummantelung beispielsweise durch Laminieren auf den elektrischen Leiter aufbringen.

Bevorzugt sind die Kontaktabschnitte stoffschlüssig, vorzugsweise durch Löten oder Schweißen, mit den Kontaktelektroden verbunden, um eine praxisgerechte Befestigung zu gewährleisten.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solarmoduls sind die Kontaktbrücken in Form einer Entlastungsschleife angeordnet. Die Entlastungsschleife erhöht die Flexibilität der Ummantelung und gewährleistet somit, daß in den Kontaktbrücken auftretende Zug-, Druck- und Biegespannungen wirksam kompensiert werden.

Außerdem sind in vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls die Solarzellen zumindest auf einer Seite durch eine Platte abgedeckt, die vorzugsweise transparent oder farbig ausgestaltet ist. Die Platte schützt die Solarzellen und trägt somit zu einer robusten, witterungsbeständigen und damit langlebigen Bauweise des Solarmoduls bei. Je nach Anwendungsfall kann es allerdings zweckmäßig sein, anstelle der Platte eine biegsame Folie vorzusehen, um etwa dem Solarmodul eine gekrümmte Kontur zu verleihen. Die Platte kann auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Solarzellen angeordnet werden. Befindet sich die Platte auf der Oberseite der Solarzellen, ist eine transparente Ausgestaltung sinnvoll, um einen ungehinderten Einfall von Sonnenlicht zu ermöglichen. Wird die Platte dagegen auf der Unterseite der Solarzellen angeordnet, kann auch eine farbige Ausgestaltung, beispielsweise durch Siebdruck oder Lackierung, vorgesehen werden, um etwa eine den Wirkungsgrad des Solarmoduls erhöhende Reflexion des Sonnenlichts zu erreichen.

In Hinsicht auf eine leichtgewichtige Ausgestaltung ist die Platte bevorzugt aus Kunststoff, vorzugsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), gefertigt. Vor allem der nicht splitternde und optisch klare Kunststoff PMMA, im allgemeinen auch als Acrylglas bezeichnet, zeichnet sich durch eine hohe Witterungsbeständigkeit und Schlagfestigkeit aus. Zudem läßt sich PMMA auf einfache Weise mit beispielsweise Silikonharzlacken beschichten, um die Kratzfestigkeit zu verbessern.

Schließlich wird in vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solarmoduls vorgeschlagen, zwischen der Platte und den Solarzellen eine Füllmasse anzuordnen, die vorzugsweise aus einem synthetischen Harz besteht. Durch die Füllmasse läßt sich eine Kapselung der Solarzellen erreichen, die einen zuverlässigen Schutz vor Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Hitze, Frost, Feuchtigkeit oder Erschütterungen, bietet. Als geeignete Werkstoffe für die Füllmasse haben sich synthetische Harze, beispielsweise Polyolefinharze, erwiesen, wobei Ethylvinylacetat (EVA) aufgrund einer verhältnismäßig hohen mechanischen Festigkeit und Lichtdurchlässigkeit in besonderem Maße geeignet ist.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Solarmoduls ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles. In der das Ausführungsbeispiel lediglich schematisch darstellenden Zeichnung veranschaulichen im einzelnen:
1 eine Seitenansicht eines Solarmoduls;
2 eine vergrößerte Darstellung des in 1 mit II gekennzeichneten Bereichs und
3 einen Längsschnitt durch eine Kontaktbrücke.
Das in 1 dargestellte Solarmodul dient dazu, Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Zu diesem Zweck weist das Solarmodul mehrere durch einen Zwischenraum 15 voneinander beabstandete Solarzellen 10 auf. Die Solarzellen 10 sind multikristalline Siliziumzellen, die eine Größe von ca. 100 cm² und eine Dicke zwischen 8 mm und 10 mm aufweisen. Die Solarzellen 10 sind zwischen einer oberen Platte 12 und einer unteren Platte 13 in eine Füllmasse 14 eingebettet, die aus lichtdurchlässigem EVA besteht. Die obere Platte 12 ist aus transparentem Acrylglas gefertigt, das einen ungehinderten Einfall des Sonnenlichts gewährleistet. Demgegenüber ist die untere Platte 13 farbig ausgestaltet, beispielsweise weiß, um das durch den Zwischenraum 15 einfallende Sonnenlicht zu reflektieren.
Wie besonders deutlich 2 erkennen läßt, sind die Solarzellen 10 auf der Oberseite und der Unterseite mit Kontaktelektroden 11 versehen, welche die in dem Halbleitermaterial der Solarzellen 10 aufgrund des einfallenden Sonnenlichts freigesetzten Ladungsträger aufnehmen. Die Kontaktelektroden 11 zweier benachbarter Solarzellen 10 sind durch metallene Kontaktbrücken 20 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Kontaktbrücken 20 sind derart angeordnet, daß die Kontaktelektrode 11 auf der Oberseite einer Solarzelle 10 mit der Kontaktelektrode 11 auf der Unterseite einer benachbarten Solarzelle 10 in Verbindung steht.
Die Kontaktbrücke 20 ist in Form einer Entlastungsschleife angeordnet, die über ein in der Kontaktbrücke 20 auftretende Zug-, Druck- und Biegespannungen kompensierendes Dehnungs- und Kontraktionsvermögen verfügt. Ein die Kontaktbrücken 20 verformender Spannungszustand kann sich durch eine Relativbewegung zwischen zwei benachbarten Solarzellen 10 ergeben, der beispielsweise durch unterschiedliche thermische Ausdehnung hervorgerufen wird.
Die Kontaktbrücken 20 weisen einen mit einer flexiblen Ummantelung 22 versehenen elektrischen Leiter 21 auf, wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist. Der elektrische Leiter 21 ist mit freigelegten Kontaktabschnitten 23 versehen, die stoffschlüssig mit den Kontaktelektroden 11 verbunden sind. Zu diesem Zweck findet ein Lötmetall 24 Anwendung, das den Kontaktabschnitt 23 an der Kontaktelektrode 11 befestigt.
Der elektrische Leiter 21 ist als flaches Band ausgestaltet, das zum Beispiel aus Kupfer besteht und im Bedarfsfall etwa mit Silber plattiert sein kann. Die Ummantelung 22 ist eine aus Polyester gefertigte Folie, die den elektrischen Leiter 21 mit Ausnahme der Kontaktabschnitte 23 allseitig umgibt.
Die Verbindungsstelle von Kontaktabschnitt 23 und Kontaktelektrode 11 ist durch eine nichtleitende Paste 25 überdeckt. Die Paste 25 ist beispielsweise ein aushärtender Klebstoff, der die Ummantelung 22 und die Solarzellen 10 stoffschlüssig miteinander verbindet.
Das zuvor beschriebene Solarmodul zeichnet sich durch eine verhältnismäßig lange Lebensdauer aus. Grund hierfür ist zum einen, daß die flexible, thermisch isolierende Ummantelung 22 den elektrischen Leiter 21 vor einer Versprödung schützt. Ein die Funktionsweise des Solarmoduls beeinträchtigender Ermüdungsbruch der Kontaktbrücke 20 wird auf diese Weise wirksam verhindert. Zum anderen trägt die stoffschlüssige Verbindung der Ummantelung 22 mit den Solarzellen 10 durch die Paste 25 dazu bei, daß in der Kontaktbrücke 20 auftretende Spannungen vornehmlich von der Ummantelung 22 aufgenommen werden. Der elektrische Leiter 21 hingegen befindet sich weitgehend in der neutralen Faser der Kontaktbrücke 20 und wird demzufolge nicht oder nur unwesentlich beansprucht. Darüber hinaus bewirkt die Einbettung der Solarzellen 10 in der Füllmasse 14 zwischen der oberen Platte 12 und der unteren Platte 13 eine Kapselung, die wirksam vor die Funktionsweise des Solarmoduls beeinträchtigenden Umgebungseinflüssen, wie etwa Frost, Feuchtigkeit und Erschütterungen, schützt. Nicht zuletzt wird durch die Fertigung der oberen Platte 12 und der unteren Platte 13 aus Acrylglas einer leichtgewichtigen, robusten und witterungsbeständigen Bauweise Rechnung getragen.

10: Solarzelle
11: Kontaktelektrode
12: obere Platte
13: untere Platte
14: Füllmasse
15: Zwischenraum
20: Kontaktbrücke
21: elektrischer Leiter
22: Ummantelung
23: Kontaktabschnitt
24: Lötmetall
25: Paste

Claims

Solarmodul zum direkten Umwandeln von Sonnenlicht in elektrische Energie, das mehrere voneinander beabstandete Solarzellen (10) aufweist, wobei die Solarzellen (10) mit Kontaktelektroden (11) versehen sind, die durch metallene Kontaktbrücken (20) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, und wobei die Kontaktbrücken (20) einen mit einer flexiblen Ummantelung (22) versehenen elektrischen Leiter (21) aufweisen, der mit freigelegten Kontaktabschnitten (23) versehen ist, die an den Kontaktelektroden (11) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Kontaktelektroden (11) befestigten Kontaktabschnitte (23) von einer nichtleitenden Paste (25) überdeckt sind, welche die Ummantelung (22) und die Solarzellen (10) stoffschlüssig miteinander verbindet.
Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Paste (25) ein Klebstoff ist.
Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (21) aus Kupfer, Zinn, Zink oder Nickel besteht und vorzugsweise mit einem Edelmetall plattiert ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (22) aus einem biegsamen Kunststoff, vorzugsweise Polyester, gefertigt ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (22) eine Folie ist, mit welcher der elektrische Leiter (21) überzogen ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktabschnitte (23) stoffschlüssig, vorzugsweise durch Löten oder Schweißen, mit den Kontaktelektroden (11) verbunden sind.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbrücken (20) in Form einer Entlastungsschleife angeordnet sind.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen (10) zumindest auf einer Seite durch eine Platte (12, 13) abgedeckt sind, die vorzugsweise transparent oder farbig ausgestaltet ist.
Solarmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (12, 13) aus Kunststoff, vorzugsweise Polymethylmethacrylat, gefertigt ist.
Solarmodul nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Platte (12, 13) und den Solarzellen (10) eine Füllmasse (14) angeordnet ist, die vorzugsweise aus einem synthetischen Harz besteht.