DE10261876A1

DE10261876A1 - Herstellungsverfahren für Solarmodule mitels Leitkleber-Bonding und Solarmodule mit Leitkleberbrücken

Info

Publication number: DE10261876A1
Application number: DE2002161876
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Lang; Karl-Heinz Dr. Segsa; Joachim Müller
Original assignee: Mueller Joachim Dipl-Chem; Solarc Innovative Solarprodukte GmbH
Current assignee: Solarc Innovative Solarprodukte GmbH
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: DE10261876B4

Abstract

Bekannte Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen aus seriell oder parallel geschalteten Solarzellen verwenden zur Kontaktierung Löttechniken unter Einsatz spezieller Solarzellen. Sonderverfahren benutzen zur Frontkontaktierung leitkleberbeschichtete Folienstreifen. Eine Automatisierung ist nur unter Nutzung von kostenintensiven Sondermaschinen möglich. Eine fortgeschrittene Automatisierung ist aus der Chip-on-Board(COB)-Technik beim sogenannten "Draht-Bonding" bekannt, das jedoch nicht ohne Weiteres auf die Solarmodulfertigung übertragbar ist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren nutzt gängige Bestückungs- und Dispens-Automaten für eine Serienfertigung von preiswerten Solarmodulen aus handelsüblichen Solarzellen. Dazu wird ein Trägerplatte (3) mit Solarzellen (2) bestückt, die mittels einer zuvor gedruckten oder dispensten Leitkleberschicht (8) rückseitig kontaktiert werden. Die Frontkontakte (7) werden über dispenste Leitkleberbrücken (12) mit den entsprechenden Leiterbahnabschnitten (4b) zu den benachbarten Solarzellen (2) kontaktiert, sodass von einem "Leitkleber-Bonding" gesprochen werden kann. Die Leitkleberbrücken (12) liegen an den Solarzellen (2) auf. Solarmodule (1) mit Leitkleberbrücken (12) können vergossen werden, sind preiswert und unempfindlich im Betrieb.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für Solarmodule aus mehreren, auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörper angeordneten Solarzellen mit je einem elektrisch gegeneinander isolierten Front- und einem Rückkontakt, die pro Solarzelle zwischen den Solarzellen entsprechend der Solarmodulverschaltung über Leiterbahnabschnitte auf dem Trägerkörper elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der elektrische Kontakt zu den Leiterbahnabschnitten über Verbindungen aus elektrisch hochleitfähigem Leitkleber hergestellt ist, und auf Solarmodule mit Leitkleberbrücken die insbesondere mit dem beanspruchten Verfahren hergestellt worden sind.
Solarzellen werden in der praktischen Anwendung als Stromerzeuger in der Regel elektrisch zu Solarmodulen verschaltet. Hierbei können die einzelnen Solarzellen in Serien-, Parallel- oder Serien-Parallelschaltung miteinander verbunden werden. Dies geschieht in der Regel dadurch, dass hintereinander angeordnete Solarzellen mit Hilfe von einzelnen Kontaktierungsstreifen miteinander verschaltet werden. Bei der Serienschaltung verbindet jeweils ein Kontaktierungsstreifen den Frontkontakt einer Solarzelle mit dem Rückkontakt einer nachfolgend angeordneten Solarzelle. Zur Verschaltung werden die einzelnen Solarzellen auf einem isolierenden Trägerkörper angeordnet, der beispielsweise aus Glas oder einem Kunststoff (Leiterplatte) besteht. Die für den Lichteinfall vorgesehene Vorderseite aller Solarzellen im Solarmodul kann schließlich zum Schutz noch mit Glasplatten oder durchsichtigen, optisch neutralen Kunststofffolien oder -massen abgedeckt werden. Derartige Solarmodule in relativ kleinen Bauformen werden zunehmend für die autarke Stromversorgung von elektrischen Kleingeräten geringer Leistung sowohl für industrielle Applikationen (Telematik, Sensorik etc.) als auch im Konsumentenbereich (Akkulader, Rasierapparat, Gartenfeuchte etc.) verwendet. Gerade in diesem Anwendungsbereich ist eine kostengünstige Ausführungsform, die neben den einzelnen Komponenten in der Hauptsache vom Herstellungsverfahren bestimmt wird, von besonderer Bedeutung.
Für die Herstellung von Solarmodulen ergeben sich folgende Anforderungen:

1. Die Solarzellen müssen untereinander elektrisch verbunden werden. Dies kann durch Verlöten, Verkleben (mit Leitkleber), Drahtbonden oder Aneinanderpressen der Kontakte erfolgen. Dabei ist bei allen derzeit serienmäßig verwendeten Solarzellen der Minus-Kontakt auf der lichtzugewandten Frontseite der Solarzelle in Form einer filigranen Metallgitterstruktur ausgeführt, während der Plus-Kontakt zumeist als ganzflächige Metallisierung auf der Rückseite angebracht ist. Die Metalloberflächen sind innerhalb der typischen Verbindungsbereiche auf gute Lötfähigkeit optimiert.
2. Die Solarzellen müssen von einer tragenden Struktur mechanisch stabilisiert werden. Dies kann entweder eine frontseitige Glasplatte, ein rückseitiger Trägerkörper (Grundplatte) oder eine umschließende ausreichend stabile Folie sein. Auch rück- und frontseitige Kombinationen hiervon sind möglich.
3. Die Solarzellen sollten in der Regel frontseitig durch eine hochtransparente Verkapselung vor Feuchtigkeit und mechanischer Beschädigung geschützt sein. Dies kann entweder eine gleichzeitig zur Stabilisierung dienende Glasplatte oder auch eine transparente Folie sein. Zur Einkapselung und optischen Anpassung werden üblicherweise Laminier- oder Vergussverfahren verwendet.

Insbesondere bei der Montage von kleinen Solarmodulen im Peak-Leistungsbereich bis ca. 10 Watt (Modulfläche bis ca. 0,1 m²) ist die Montage der Solarzellen mit einem hohem manuellem Aufwand verbunden, was zu hohen Kosten und einer zunehmenden Verlagerung der Produktion in Billiglohnländer bei entsprechend schlechter Qualität führt. Bei der Montage von großen Solarmodulen setzen sich heute dagegen zunehmend automatisierte Methoden mit Sondermaschinen durch, die jedoch hohe Stückzahlen eines gleichen Produkts erfordern, um rentabel zu arbeiten. Da das Verhältnis zwischen Fertigungstakt und Modulgröße bei gleicher Zellenanzahl weitgehend unabhängig von der Modulgröße ist, sind die Fertigungskosten bei Kleinmodulen jedoch anteilig höher und hier derartige Sondermaschinen eher unrentabel.

In der Praxis werden derzeit in der Hauptsache zwei prinzipiell verschiedene Verfahren für die Modulmontage angewendet, die beide jedoch lötfähige Kontaktoberflächen voraussetzen:

A) Verlöten der Solarzellen mittels verzinnter Cu-Bänder zu Strings, die entweder lose zusammenhängend in einen äußeren Verbund einlaminiert oder vergossen werden oder einzeln auf einer Leiterplatte verlötet werden.
B) Verlöten der Solarzellen zu sogenannten Schindelstrings, wobei jeweils der Rückkontakt einer Zelle auf dem Frontkontakt (frontseitiger Busbar) der nächsten Zelle angeordnet ist. Damit ergibt sich eine optimale Ausnutzung der aktiven Solarzellenfläche, da im Idealfall alle Busbars abgedeckt sind. Ein großer Nachteil dieser Anordnung ist ihre Bruchempfindlichkeit, die einerseits eine Automatisierung drastisch erschwert und andererseits Verkapselungsverfahren wie Laminierung nur in Ausnahmefällen zulässt. Schindelstrings werden deshalb in der Regel vergossen, was zumeist umständlicher als eine Laminierung ist (Schindeltechnik, vergleiche beispielsweise DE 100 20 784 A1 ).

Aus der DE 35 29 341 A1 ist weiterhin ein Solarmodul in Reihenschaltung bekannt, das durch eine vom beschriebenen Verfahren A) ausgehende, etwas modifizierte Verfahrensweise herstellbar und damit kostengünstiger ist. Bei diesem Solarmodul werden die je einen Front- und einen Rückkontakt aufweisenden Solarzellen mit einem hochleitfähigen Leitkleber flächig auf einen isolierenden Trägerkörper aufgeklebt. Dieser wird dann reihenweise zwischen den Solarzellenreihen zerteilt, sodass an den entstandenen vorderen Trägerkörperkanten die Front- und Rückkontakte der entsprechenden Solarzellen einander gegenüberliegen. Die elektrische Reihenverbindung erfolgt nun durch Aufbringen von Folienstreifen, die mit einem Leitkleber beschichtet sind. Eine ähnliche Ausführungsform ist aus der DE 35 20 423 C2 bekannt, bei der jedoch der Trägerkörper mit Leiterbahnabschnitten vorkon, fektioniert ist und keine Modulvereinzelung erfolgt. Somit liegt in diesem Punkt eine Verfahrensvereinfachung vor. Desweiteren werden bei diesem bekannten Solarmodul nicht einzelne Folienstreifen geklebt, sondern es wird eine großflächige, isolierende Folie verwendet, auf die alle elektrischen Verbindungen zwischen Front- und Rückkontakten eines Solarmoduls in Form von Leitkleberraupen bereits aufgebracht sind. Durch Überziehen des gesamten Solarmoduls mit der Folie werden in einem Arbeitsschritt alle Kontaktierungen gleichzeitig vorgenommen. Zudem wird die Vorderseite durch die Folie geschützt. Durch die Verwendung spezieller Kontaktfolien-Formteile ist bei diesen Verfahren die Flexibilität bezüglich Designänderungen erheblich eingeschränkt. Darüberhinaus muss die Vermeidung von Kurzschlüssen im Kantenbereich sichergestellt werden.

Weiterhin ist bei beiden Verfahren zum einen eine aufwändige Vorkonfektionierung der Folie mit den Leitkleberraupen vorzunehmen, zum anderen ist eine exakte Anordnung der Folie über dem Solarmodul zu gewährleisten, damit die Kontaktierungen auch zustande kommen. Hierfür sind spezielle Maschinen erforderlich, die einer Unterstützung von Hand bedürfen. Eine vollständig automatisierte Herstellung des bekannten Solarmoduls mit herkömmlichen Automatisierungsmaschinen ist daher nicht möglich.

Aus der Chipfertigung sind Verfahren zur automatisierten Montage von Halbleiterchips (z.B. Speicherchips aus Silizium) auf Leiterplatten oder anderen Trägerkörpern bekannt, bei denen der Chip zunächst rückseitig unter Verwendung von einem Leitkleber, der zuvor auf die Leiterplatte dispenst wurde (dispensen = Aufbringen von Löt- oder Klebemittel auf vorgegebenen Bahnen auf einen Träger mittels einer präzise positionierbaren hohlen Dosiernadel), aufgeklebt und dann an seinen außenliegenden Kontakten mittels sogenannter „Drahtbonds" mit Kontakten bzw. Leiterbahnabschnitten auf der Leiterplatte verbunden wird (vergleiche beispielsweise US 6.392.302 B1 ). Diese Verfahren eignen sich jedoch nicht ohne Weiteres für eine Montage und Kontaktierung von Solarzellen, da spezielle Kontaktoberflächen aus z.B. Ni/Au oder Ag mit speziellen Anforderungen an das relativ enge Prozessfenster der Drahtbondtechnik erforderlich sind. Derartige Oberflächen werden bei handelsüblichen Solarzellen jedoch nicht eingesetzt und würden teure Sonderanfertigungen bzw. Sonder-Bondtechnologien erfordern. Desweiteren ist ein Verfahren zur Kontaktierung eines Schaltungschips aus der DE 198 45 296 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein extrem dünner Halbleiterchip (maximale Dicke von 50 μm) auf den Trägerkörper mit einem elektrisch isolierenden Kleber aufgebracht. Anschließend werden die Kontakte, die sich bei diesem Chip alle auf der Chipoberseite befinden, durch Aufbringen von Leiterbahnabschnitten aus Leitkleber mittels Siebdruck kontaktiert. Dieses Verfahren ist nur bei sehr dünnen Chips anwendbar. Somit ist es ebenfalls nicht auf die Montage und Kontaktierung von Solarzellen mit deren üblichen Geometrien übertragbar.

Zusammenfassend gesehen erfolgt deshalb derzeit die Herstellung von Solarmodulen in der Hauptsache durch relativ aufwändige manuelle Fertigung, gegebenenfalls in Verbindung mit automatisierten Teilabläufen. Eine vollständige Automatisierung ist nur mit großem Aufwand und unter Einsatz kosten- und wartungsintensiver Sondermaschinen möglich. Desweiteren sind bei den eingesetzten Automatisierungsvorgängen in der Regel lötfähige Oberflächen auf den Solarzellen erforderlich. Eine automatisierte Schindelung von Solarzellen kann aufgrund der hohen Bruchgefahr ebenfalls nicht umgesetzt werden. Ausgehend von der weiter oben genannten DE 35 20 423 C2 als der Erfindung nächstliegendem Stand der Technik bezüglich Herstellungsverfahren und hergestelltem Solarmodul ist daher die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, ein weitgehend automatisiertes Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen anzugeben, das schnell und präzise, dabei aber kostengünstig, das heißt ohne Sondermaschinen arbeitet. Desweiteren sollen keine speziellen Kontaktoberflächen oder Kontaktbehandlungen für die Kontaktierungen erforderlich sein. Die hergestellten Solarmodule sollen zuverlässig verschaltet und unempfindlich im Gebrauch sein. Beschädigungen sollen zuverlässig vermieden sein. Dabei sollen die Solarmodule kostengünstig als Serienprodukt. mit einer relativ großen Ausstattungs- und Anwendungsflexibilität dem breiten Verbrauchermarkt anbietbar sein.

Die Lösung für die Aufgabe der Verfahrensökonomisierung ist bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für Solarmodule durch den Hauptanspruch beschrieben. Vorteilhafte Fortbildungen des beanspruchten Herstellungsverfahrens sind den nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen. Die Lösung für die Aufgabe der Solarmoduloptimierung ist in dem nebengeordneten Erzeugnisanspruch aufgezeigt. Auch hier sind vorteilhafte Weiterbildungen des beanspruchten Solarmoduls, das insbesondere auch nach dem beanspruchten Verfahren hergestellt werden kann, den nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung in ihrem gesamten Erscheinungsbild und deren Weiterbildungen werden nachfolgend im Einzelnen näher erläutert.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erfolgt die Montage der Solarzellen mittels eines standardisierten und aus der Aufbau- und Verbindungstechnik bekannten Pick-and-Place-Verfahrens. Die dort bekannten Maschinen können ohne weiteres auch für die Montage der Solarzellen verwendet werden. Hierin begründet sich bereits ein erster, wesentlicher Vorteil des beanspruchten Verfahrens, der darin liegt, dass keine Sondermaschinen für die automatisierte Herstellung erforderlich sind. Gleiches gilt für das Dispensen von Leitkleber mittels einer hochgenau positionierbaren Dosiernadel. Dieser Vorgang ist im Stand der Technik bekannt und wird zum Aufbringen von Lötmittel oder Leitkleber eingesetzt. Die Anwendung des Leitkleber-Dispensens zur Erzeugung von direkt aufgetragenen Leitkleberbrücken für die Kontaktierung von Solarzellen ist allerdings neu und besonders vorteilhaft. Somit werden bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren zwei automatisierbare Vorgänge in optimaler Weise miteinander kombiniert. Zur Verfahrensdurchführung sind weder spezielle Sondermaschinen, noch vorkonfektionierte Halbzeuge oder Solarzellen mit Spezialkontakten erforderlich. Die Herstellung ist dadurch äußerst kostengünstig und wirtschaftlich. Teure Sondertechnologien werden vermieden. Es können problemlos große Serienfertigungen mit hohen Stückzahlen gefahren werden. Bei der stetig zunehmenden Bedeutung von Solarmodulen insbesondere bei der Stromversorgung von leistungsarmen Kleingeräten ist die mögliche preiswerte Massenfertigung von Solarmodulen als besonderer Vorteil des beanspruchten Herstellungsverfahrens zu sehen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das Hauptaugenmerk der vorliegenden Erfindung zwar der Herstellung von Solarmodulen gilt, dass aber eine Kontaktierung durch dispenste Leiterbahnabschnitte aus einem hochleitfähigen Leitkleber durchaus auch bei anderen Halbleiterbauelementen, beispielsweise Schaltungschips oder Leuchtdioden, durchgeführt werden kann. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren insofern flexibel einsetzbar, dass es allgemein zur automatisierten Kontaktierung von flachen Halbleiterbauelementen eingesetzt werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Modulherstellung kann aufgrund der hohen Montagepräzision im Pick-and-Place-Verfahren eine hohe Flächenausnutzung auf dem Trägerkörper erzielt werden. Die zu montierenden Solarzellen werden auf entsprechenden Trägern, beispielsweise Trays oder Folien, vorgehalten und angeboten. Durch die für die Mikroelektronik erforderliche hohe Genauigkeit der Bestückungs- und Dispensautomaten können die Solarzellen im Bereich ca. 100–500 μm hochgenau angeordnet werden. Für den Randbereich des Solarmoduls, an dem die Frontkontakte angeordnet sind, werden nur ca. 1–2 mm Randbreite benötigt. In diesem Bereich werden Solarmodule üblicherweise befestigt oder eingefasst, sodass dieser Bereich ohnehin zur Verfügung steht. Beim Absetzen auf dem Trägerkörper wird eine hohe mechanische Stabilität erzielt, eine Bruchgefahr für die Solarzellen besteht zu keiner Zeit des Montageverfahrens. Dabei werden die Solarzellen zunächst beispielsweise auf einer aus der Elektronik üblichen Leiterplatte rückseitig mittels Leitkleber kontaktiert. Der Kontakt zu den Leiterbahnabschnitten kann linien- oder auch flächenförmig erfolgen. Dabei wird der Prozess so geführt, dass eine auf den Solarzellen-Kontaktflächen überwiegend vorhandene nichtleitende Oxidschicht, beispielsweise Aluminiumoxid, durch die Eigenschaften des Leitklebers und der Prozessparameter ihre isolierende Wirkung verliert. Es können vorgefertigte Leiterplatten mit metallisierten Kontaktbereichen zum Einsatz gelangen, es ist aber auch möglich, dass ein Dispensen oder Drucken von Leitkleber zur Herstellung der Leiterbahnabschnitte auf dem Trägerkörper, zumindest im Bereich der Rückkontakte der zu kontaktierenden Solarzellen zum Vorbereiten der Leiterplatte vorgesehen ist. Die Integration dieses Verfahrensschrittes kann die Herstellkosten weiter senken. Nach der Montage und rückseitigen Kontaktierung der Solarzellen werden diese mit zumindest einer aus Leitkleber dispensten Leiterkleberbrücke frontseitig mit dem entsprechenden Kontakt auf der Leiterplatte verbunden. Weitere parallele Verbindung sind aus Sicherheitsgründen möglich. Diese Verbindung ist dem Drahtbonding ähnlich, verwendet aber anstatt der Drahtbonds Leitkleber, sodass die zu kontaktierenden Stellen nicht löt- oder drahtbondfähig sein müssen. Bei dem Leitkleber-Bonding spielt die Höhe des zu kontaktierenden Bauelements nahezu keine Rolle. Um einen Kurzschluss zwischen Front- und Rückkontakt an der Solarzellenkante durch den Leitkleber zu vermeiden, wird hier vor dem Dispensen der Leitkleberbrücke ein lokal genau dosiertes Isolationsmittel, beispielsweise ein Isolationslack, aufgetragen und ausgehärtet. Dies kann ebenfalls durch Dispensen erfolgen. Da sich die Leitkleberbrücke auf dem Isolationsmittel ablegt, ist ein wallartiger Verlauf mit einer abgerundeten Außenkante von Vorteil. Weiterhin sollte das Isolationsmittel etwas über den Frontkontakt ragen, damit dessen sichere Abdeckung gewährleistet ist und keine Hohlräume oder scharfen Kanten für die Leitmittelbrücke entstehen.

Als Maßnahme zur Verhinderung eines Kurzschlusses durch rückseitigen Leitkleber, der unter der Solarzelle an der Kante hervorquillt, sowie gegen ein übermäßiges Verlaufen des Isolationslackes können entsprechende Leiterbahnstrukturen auf der Leiterplatte vorgesehen werden. Zum Erzielen möglichst kleiner Strukturen kann es vorteilhaft sein, wenn gegen ein Benetzen der Frontkontakt-Leiterbahnabschnitte durch den Isolierlack ein vorbereitendendes Dispensen oder Aufdrucken von Leitkleber in Form eines Pads zwischen Solarzelle und dem Leiterbahnabschnitt zur Kontaktierung des Frontkontaktes erfolgt. Dieser Vorgang kann als vorbereitende Maßnahme beispielsweise im Zusammenhang mit dem Dispensen oder Aufdrucken der Leiterbahnabschnitte auf dem Trägerkörper erfolgen. Als abschließender Herstellungsschritt können vorteilhaft die offenen Frontkontakte der kontaktierten Solarzellen mit einer elektrisch isolierenden Masse beschichtet und damit abgedeckt werden. Dies kann ebenfalls besonders vorteilhaft durch Dispensen erfolgen. Da die Solarzellen nahezu plan auf dem Trägerkörper aufliegen, kann das Solarmodul abschließend auf der gesamten Vorderseite mit einer elektrisch isolierenden Masse noch problemlos vergossen oder laminiert werden. Dazu ist es günstig, wenn zuvor mittels vorbereitendem Dispensen von Isoliermasse ein geschlossen umlaufender Damm auf den Trägerkörper an seinem Randbereich aufgebracht worden ist. Neben einer Umrandung des gesamten Solarmoduls zum einfacheren, materialsparenden Vergießen oder Laminieren werden damit vorteilhafterweise auch die gesamten Kontaktbereiche von den Solarzellen-Busbars bis zu den damit verbundenen Leiterbahnabschnitten überdeckt. Eine Umrandung der einzelnen Solarzellen mit deren anschließendem Vergießen ist ebenfalls möglich, wodurch Vergussmaterial eingespart wird. Neben dem Schutz gegen mechanische Belastung und Feuchtigkeit wird beispielsweise mit einer dunklen Isoliermasse auch eine höhere optische Qualität erzielt. Das Solarmodul kann aber aufgrund seiner hohen mechanischen Stabilität auch ohne Verguss, beispielsweise lediglich mit einem isolierenden Schutzlack oder einer Schutzfolie versehen, eingesetzt werden.

Sämtliche genannten Verfahrensschritte können auf Standardmaschinen aus der SMD – Fertigung und der Dispenstechnik mit Standard-Leiterplatten und allen heute üblichen Standard-Solarzellen durchgeführt werden. Die Kontaktoberflächen der Solarzellen müssen dabei weder lötfähig noch drahtbondfähig sein. Dieser Punkt spielt insbesondere bei den heute zunehmend eingesetzten Solarzellen mit rückwärtigem BSF (back surface field) eine Rolle, die dadurch verbesserte Wirkungsgrade besonders auch im Schwachlichtbereich besitzen. Das BSF erfordert eine Al-Metallisierung, die nicht lötfähig ist. Diese Solarzellen besitzen zum rückwärtigen Verlöten lediglich zwei schmale Bereiche mit lötfähiger Oberfläche. Beim Aufbau kleiner Solarmodule werden die Träger in kleine Zellen zerteilt, die zum Teil auch entweder keinen oder nur einen sehr kleinen lötfähigen Bereich aufweisen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der ausschließlichen Verwendung von Leitkleber zu sehen. Dieser weist generell eine bleifreie Zusammensetzung auf, was dem in den nächsten Jahren geplanten Verbot bleihaltiger Lote und Komponenten sehr entgegen kommt. Weiterhin bietet der Einsatz von herkömmlichen Bestückungsautomaten den Vorteil, zusätzliche elektronische Bauelemente zur Erfüllung anderer Funktionen als die der Stromerzeugung mittels Pick-and-Place-Verfahren von einem Träger montieren zu können. Diese Bauelemente können dann ebenfalls durch Kleben kontaktiert werden. Durch diese zusätzliche Ausgestaltungsvariante bietet das Herstellungsverfahren nach der Erfindung dem Anwender eine große Flexibilität bei gleichzeitig relativ geringen Fertigungskosten an, sodass eine Vielzahl von Modulvarianten für unterschiedliche Anwendungsgebiete preiswert gefertigt werden kann.

Ein bevorzugt mit dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren hergestelltes Solarmodul ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Ausgehend von dem bekannten Solarmodul aus mehreren, auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörper angeordneten Solarzellen mit je einem elektrischen Frontkontakt und einem Rückkontakt, die gegeneinander isoliert und pro Solarmodul zwischen den Solarzellen entsprechend der Solarmodulverschaltung über Leiterbahnabschnitte auf dem Trägerkörper elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der elektrische Kontakt zu den Leiterbahnabschnitten über Verbindungen aus elektrisch hochleitfähigem Leitkleber hergestellt ist, ist das erfindungsgemäße Solarmodul dadurch gekennzeichnet, dass jede Verbindung aus elektrisch hochleitfähigem Leitkleber zwischen dem Frontkontakt der Solarzellen und dem Leiterbahnabschnitt aus zumindest einer direkt aufgetragenen Leitkleberbrücke gebildet ist, die auf einer im Randbereich der Solarzelle angeordneten, wallartig begrenzten und scharte Kanten vermeidenden Isolationsschicht zwischen Front- und Rückkontakt der Solarzelle aufliegt. Zur Erzielung einer zusammenhängenden aktiven Solarzellenfläche mit maximalen Wirkungsgrad ist eine Anordnung der Solarzellen in zwei Reihen mit jeweils außenliegenden Busbars vorteilhaft. Diese können dann in einem angepassten Gehäuse durch die Einfassung abgedeckt sein, so dass nur noch die aktive Fläche sichtbar ist.

Ein solcher Aufbau des beanspruchten Solarmoduls und dessen vorteilhafte Weiterbildungsformen werden zur Vermeidung von Wiederholungen im nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil beispielhaft im Zusammenhang mit den schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 in der Perspektive ein komplettes Solarmodul nach der Erfindung, dessen frontseitige Kontaktierung durch dispenste, direkt aufgetragene Leitkleberbrücken realisiert ist, und
2 Detaildraufsicht des Solarmoduls gemäß 1 im Bereich der Kontaktierung einer Solarzelle und
3 einen Querschnitt durch die Detaildraufsicht gemäß 2.
In der 1 ist ein Solarmodul 1 nach der Erfindung mit maximaler aktiver Solarzellenfläche gezeigt, das aus einer Reihenschaltung von acht, im gewählten Ausführungsbeispiel kristallinen Solarzellen 2 aufgebaut ist. Auf die Darstellung zusätzlicher elektronischer Bauelemente, die nicht der Stromerzeugung dienen, wurde der Übersicht halber verzichtet. Zur Veranschaulichung der Kompaktheit dieses Solarmoduls 1 sei angeführt, dass es eine Breite von ca. 83 mm und eine Höhe von 47 mm bei einer Stärke von nur 2,25 mm aufweist Die acht Solarzellen 2 sind mit einem Abstand von 0,4 mm zueinander angeordnet. Das Solarmodul 1 weist einen mechanisch stabilen, elektrisch isolierenden Trägerkörper 3 auf, auf dem Leiterbahnabschnitte 4a, 4b zur Kontaktierung der Solarzellen 2 angeordnet sind. Im gewählten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Trägerkörper 3 um eine vorgefertigte Leiterplatte mit Leiterbahnabschnitten 4a, 4b Die Leiterbahnabschnitte 4a, 4b sind durch zwei äußere Anschlusskontakte 5 für das Solarmodul 1 weitergeführt. Jede Solarzelle 2 verfügt über einen Rückkontakt 6, im gewählten Ausführungsbeispiel in Form einer flächigen Rückenmetallisierung, und einen Frontkontakt 7, im gewählten Ausführungsbeispiel in Form eines streifenförmigen Busbars. Das Kontaktmaterial, das durch Leitkleber kontaktiert wird, kann nicht nur aus Silber oder Aluminium, sondern auch aus anderen elektrisch gut leitenden, aber nicht unbedingt lötfähigen Materialien, beispielsweise leitfähige Oxidoberflächen, oder aus nicht drahtbondfähigen Materialien, beispielsweise Zinn-Blei-Legierungen oder bestimmten im Siebdruckverfahren hergestellten Kontaktschichten, bestehen. Die Rückkontakte 6 der Solarzellen 2 sind mittels einer gedruckten oder dispensten Leitkleberschicht 8 mit den entsprechenden Leiterbahnabschnitten 4a elektrisch verbunden. Gleichzeitig fixiert und stabilisiert die Leitkleberschicht 8 die Solarzellen 2 auf dem Trägerkörper 3. Dabei ist die Leitkleberschicht 8 jedoch so begrenzt aufgebracht, dass beim Kontaktieren der Solarzellen 2 ein Herausquellen und gegebenenfalls ein unerwünschtes Kurzschließen der Solarzellen 2 sicher vermieden ist. Zwischen dem Rand der Solarzellen 2 und den Leiterbahnabschnitten 4b können im Falle eines sehr engen Aufbaus des Moduls dispenste oder gedruckte Leitkleberpads 9 vorgesehen werden, die ein Benetzen der Leiterbahnabschnitte 4b durch eine Isolationsschicht 11 verhindern. Das gesamte Solarmodul 1 ist in seinem Randbereich von einem geschlossen umlaufenden Damm 10 umgeben. Dieser kann aus einem nichtleitenden Material dispenst werden und dient als Vergussberandung (die elektrisch isolierende Vergussmasse ist in der 1 der besseren Übersicht halber nicht dargestellt).
Im Bereich ihres Frontkontaktes 7 weist jede Solarzelle 2 eine wallartig begrenzte Isolationsschicht 11 zur Isolierung von ihrem Rückkontakt 7 auf. Bei der Isolationsschicht 11 handelt es sich im gewählten Ausführungsbeispiel um einen dispensten und anschließend ausgehärteten Isolationslack. Die elektrische Reihenverbindung zwischen benachbarten Rück- und Frontkontakten 6, 7 bzw. dem entsprechenden Leiterbahnabschnitt 4b erfolgt jeweils durch mindestens eine direkt aufgetragene Leitkleberbrücke 12, die mittels Dispensen als Leitkleberfaden gezogen wird und auf der wallartigen Isolationsschicht 11 zum Aufliegen kommt. Somit werden die Solarzellen 2 bei dem Solarmodul 1 nach der Erfindung durch „Leitkleberbonding" miteinander kontaktiert. Sowohl die Bestückung des Trägerkörpers 3 mit den Solarzellen 2 als auch die verschiedenen Dispensvorgänge sind ohne Weiteres mittels handelsüblicher Maschinen automatisierbar. Somit ist das Solarmodul 1 in großen Stückzahlen äußerst kostengünstig herstellbar.
In der 2 ist zur weiteren Verdeutlichung des Aufbaus des beanspruchten Solarmoduls 1 eine Detaildraufsicht des Solarmoduls 1 gemäß 1 im Bereich der Kontaktierung einer Solarzelle 2 gezeigt. Der Frontkontakt 7 der Solarzelle 2 ist als streifenförmiger Busbar ausgebildet. Die Kontaktierung des Frontkontaktes 7 mit dem zugeordneten Leiterbahnabschnitt 4b bzw. mit dem gegebenenfalls zuvor aufgebrachten Leitkleberpad 9, der eine ungewollte Benetzung des Leiterbahnabschnittes 4b mit der Isolationsschicht 11 vermeidet, erfolgt über zwei gezogene Leitkleberbrücken 12, die auf der Isolationsschicht 11 aufliegen. Dabei erfolgt das gezeigte doppelte Leitkleberbonding aus Sicherheitsgründen. Zur Verdeutlichung der Abmaße sei angegeben, dass der Abstand der Solarzelle 2 zum Rand des Trägerkörpers 3 ungefähr 1,5 mm, die Breite der Isolationsschicht 11 ungefähr 0,5 mm und die Breite der Leitkleberbrücken 12 ungefähr 2 mm beträgt. Der Frontkontakt 7 ist als streifenförmiger Busbar aus Silber mit einer Breite von 0,8 mm und einer Stärke von 30 μm ausgebildet.
In der 3 ist ein Querschnitt der Detaildraufsicht gemäß 2 dargestellt. Auf dem Trägerkörper 3 (Höhe ca. 1 mm) ist über eine gedruckte oder dispenste Leitkleberschicht 8 (Höhe ca. 0,05 mm) die Solarzelle 2 mit ihrem rückwärtigen Rückkontakt 6 mit einem entsprechend geformten Leiterbahnabschnitt 4a (Kupfer 35 μm) auf dem Trägerkörper 3 montiert und kontaktiert. Zwischen dem Rand der Solarzelle 2 (Höhe ca. 0,3 mm) und dem Leiterbahnabschnitt 4b (Kupfer 0,3 mm bzw. Kupfer +Lötstopplack 1,2 mm × 35 μm) ist das Leitkleberpad 9 (Höhe ca. 0,1 mm) zur Vermeidung eines Benetzens des Leiterbahnabschnitts 4b durch die Isolierschicht 11 zu erkennen. Auf dem optisch aktiven Halbeitermaterial der Solarzelle 2 ist der streifenförmige Frontkontakt 7 angeordnet. Frontkontakt 7 und Rückkontakt 6 sind durch die wallartige Isolationsschicht 11 elektrisch gegeneinander isoliert. Elektrisch verbunden ist der Frontkontakt 7 mit dem entsprechenden Leiterbahnabschnitt 4b, der elektrisch mit dem Rückkontakt der nächsten Solarzelle verbunden ist, über die dispenste Leitkleberbrücke 12, die auf der Isolationsschicht 11 aufliegt.
Da neben dem dergestalt ausgeführten Solarmodul mit der vorliegenden Erfindung in erster Linie auch das Herstellungsverfahren unter Schutz gestellt werden soll, wird dieses im Folgenden zur weiteren Verdeutlichung noch einmal im Detail Verfahrensschrittweise aufgeführt. Dabei sind eine Reihe von aufgezeigten Verfahrensschritten optional. Weiterhin wird die Einhaltung verfahrensgünstiger Prozessparameter (Prozessführung, Materialeigenschaften, Temperaturregime), die dem Fachmann aus der Praxis durchaus bekannt sind, vorausgesetzt

– Drucken oder Dispensen von Leitkleber zur Herstellung von Leiterbahnabschnitten bzw. auf vorhandenen Leiterbahnen im Bereich des Rückkontaktes
– Drucken oder Dispensen von Leitkleber zur Herstellung von Leitkleberpads zwischen den Solarzellen und Leiterbahnabschnitten
– Drucken oder Dispensen von Bestücken mit Solarzellen und ggfs. zusätzlichen elektronischen Bauelemente
– Thermisches Aushärten des bestückten Trägerkörpers
– Dispensen von Isolationslack im Bereich des Frontkontaktes jeder Solarzelle
– Aushärten
– Dispensen von Leitkleberbrücken zwischen den Frontkontakten und den zugeordneten Leiterbahnabschnitten zu den Rückkontakten („Leitkleber-Bonding")
– Aushärten
– Dispensen von Isoliermasse zur Herstellung eines umlaufenden Damms im Randbereich der Solarzellen oder des Solarmoduls
– Aushärten
– Vollflächiges Vergießen des fertigkontaktierten Solarmoduls mit Isolationsmasse unter Aussparung der Solarmodul-Anschlusskontakte
– Aushärten

1: Solarmodul
2: Solarzelle
3: Trägerkörper
4a: Leiterbahnabschnitt Rückkontakt
4b: Leiterbahnabschnitt Frontkontakt
5: Anschlusskontakt
6: Rückkontakt
7: Frontkontakt
8: Leitkleberschicht
9: Leitkleberpad
10: Damm
11: Isolationsschicht
12: Leitkleberbrücke
13: Vergussmasse

Claims

Herstellungsverfahren für Solarmodule (1) aus mehreren, auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörper (3) angeordneten Solarzellen (2) mit je einem elektrisch gegeneinander isolierten Front- und einem Rückkontakt (7, 6), die pro Solarzelle (2) zwischen den Solarzellen (2) entsprechend der Solarmodulverschaltung über Leiterbahnabschnitte (4a, 4b) auf dem Trägerkörper (3) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der elektrische Kontakt zu den Leiterbahnabschnitten (4a, 4b) über Verbindungen aus elektrisch hochleitfähigem Leitkleber hergestellt ist, mit den automatisierten Verfahrensschritten – Montage jeder Solarzelle (2) mittels eines herkömmlichen Pick-and-Place-Verfahrens, das auf einen Träger für eine Vielzahl von Solarzellen (2) zugreift, auf den mit Leiterbahnabschnitten (4a, 4b) vorbereiteten Trägerkörper (3) des Solarmoduls (3), – Kontaktierung des Rückkontaktes (6) jeder Solarzelle (2) mit einem zugeordneten Leiterbahnabschnitt (4a) auf dem Trägerkörper (3) über elektrisch hochleitfähigen Leitkleber (8), – Aufbringen und Aushärten einer im Randbereich der Solarzelle (2) angeordneten, wallartig begrenzten Isolationsschicht (11) zwischen Front- und Rückkontakt (7, 6) der Solarzelle (2) und – Dispensen von Leitkleber in Form zumindest einer direkt aufgetragenen Leitkleberbrücke (12) zwischen dem Frontkontakt (7) jeder Solarzelle (2) und einem zugeordneten Leiterbahnabschnitt (4b) im Bereich der Isolationsschicht (11) zum Kontaktieren des Frontkontaktes (7).
Automatisiertes Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 mit Drucken oder Dispensen von Leitkleber zur Herstellung der Leiterbahnabschnitte (4 a, 4b) auf dem Trägerkörper (3) zumindest im Bereich der Rückkontakte (6) der zu kontaktierenden Solarzellen (2).
Automatisiertes Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit Dispensen der Isolationsschicht (11) in Form von Isolationslack.
Automatisiertes Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Dispensen oder Aufdrucken von Leitkleberpads (9) oder neutralen Leiterbahnabschnitten auf den Trägerkörper (3) zwischen dem Rand der Solarzellen (2) und den zu kontaktierenden Leiterbahnabschnitten (4b).
Automatisiertes Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Dispensen oder Aufdrucken einer Isoliermasse in Form eines geschlossen umlaufenden Damms (10) auf den Trägerkörper (3) im Randbereich jeder Solarzelle (2) oder im gesamten Randbereich des Solarmoduls (1 ).
Automatisiertes Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Beschichten des kontaktierten Solarmoduls (1) im Bereich der Frontkontakte (7) mit einer elektrisch isolierenden Masse (13).
Automatisiertes Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Beschichten des kontaktierten Solarmoduls (1) auf der gesamten Vorderseite mit einer elektrisch isolierenden Masse (13).
Automatisiertes Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Anordnung zusätzlicher elektronischer Bauelemente zur Erfüllung anderer Funktionen als die der Stromerzeugung mittels Pick-and-Place-Verfahren von einem Träger auf den mit Leiterbahnabschnitten vorbereiteten Trägerkörper des Solarmoduls und mit einer Kontaktierung der zusätzlichen elektronischen Bauelemente durch Löten oder Kleben.
Solarmodul (1) aus mehreren, auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörper (3) angeordneten Solarzellen (2) mit je einem elektrischen Frontkontakt (7) und einem Rückkontakt (6), die gegeneinander isoliert und pro Solarmodul (1) zwischen den Solarzellen (2) entsprechend der Solarmodulverschaltung über Leiterbahnabschnitte (4a, 4b) auf dem Trägerkörper (3) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der elektrische Kontakt zu den Leiterbahnabschnitten (4a, 4b) über Verbindungen aus elektrisch hochleitfähigem Leitkleber hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei einer automatisierten Herstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 jede Verbindung aus elektrisch hochleitfähigem Leitkleber zwischen dem Frontkontakt (7) der Solarzellen (2) und dem zugeordneten Leiterbahnabschnitt (4b) aus zumindest einer direkt aufgetragenen Leitkleberbrücke (12) gebildet ist, die auf einer im Randbereich der Solarzelle (2) angeordneten, wallartig begrenzten und scharfe Kanten vermeidenden Isolationsschicht (11) zwischen Front- und Rückkontakt (7, 6) der Solarzelle (2) aufliegt.
Solarmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (2) in zwei Reihen mit jeweils außenliegenden Frontkontakten (7) in Form von Busbars und einem minimalen Abstand zueinander angeordnet sind.
Solarmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (3) zwischen dem Rand der Solarzellen (2) und den zugeordneten Leiterbahnabschnitten (4b) gedruckte oder dispenste Leitkleberpads (9) oder neutrale Leiterbahnabschnitte aufweist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (3) im Randbereich jeder Solarzelle (2) oder im Randbereich des Solarmoduls (1) einen geschlossen umlaufenden Damm (10) aus einer elektrisch isolierenden Masse aufweist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (1) im Bereich der Frontkontakte (7) mit einer elektrisch isolierenden Masse beschichtet ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (1) auf der gesamten Vorderseite mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse (13) beschichtet ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wallartig begrenzte Isolationsschicht (11) im Randbereich jeder Solarzelle (2) aus einem Isolationslack gebildet ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Front- und Rückkontakt (7,6) der Solarzellen (2) aus einem beliebigen, insbesondere nicht-lötfähigen, aber elektrisch gut leitenden Material bestehen.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche elektronische Bauelemente zur Erfüllung anderer Funktionen als die der Stromerzeugung angeordnet und kontaktiert sind.