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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren
für Solarmodule
aus mehreren, auf einem elektrisch isolierenden Trägerkörper angeordneten
einzelnen, kristallinen 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.
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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, Gartenleuchte 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.
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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.
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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.
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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 ).
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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
vorkonfektioniert 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.
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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.
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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.
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Aus
der
DE 41 04 713 C2 ist
ein Verfahren zu Herstellen eines Solarzellenmoduls in Dünnschichttechnik
bekannt, bei dem die einzelnen Zelleneinheiten auf einem gemeinsamen
leitfähigen
Substrat aufgezogen und anschließend mechanisch getrennt worden
sind. Die Sammelelektrode und die Leitungsverbindungen für die elektrische
Reihenschaltung der Zelleneinheiten sind aus einer Leitpaste geformt, wobei
eine Verstärkung
mittels eines guten Leiters möglich
ist. Dabei hat die Leitpaste eine solche Konsistenz, dass Stoppelemente
zum Rückhalten
beim Formen nicht erforderlich sind. Auch aus der
DE 36 04 917 A1 und der
DE 37 27 826 A1 sind
Dünnschicht-Solarmodule
bekannt, bei denen die oberen Kontaktverbindungen mit Hilfe von
Leitkleber, beispielsweise Silberleitpaste, hergestellt werden.
da es sich aber um Dünnschichtaufbauten
mit geringen Höhenversätzen zwischen
der aktiven Halbleiterschicht und der gemeinsamen Rückelektrode
handelt, können
hier flächige
Verfahren, wie das Siebdruckverfahren, angewendet werden. Somit
werden die Verbindungen nicht freigeformt, sondern mit Maskentechnik
direkt auf der Unterlage formiert. Dementsprechend sind wiederum
keine Rückhalteelemente erforderlich,
das Bilden von ungeträgerten
Brücken, die
auch größere Höhenunterschiede überbrücken können, ist
nicht möglich.
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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
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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.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch das Herstellungsverfahren des Hauptanspruchs
und den nebengeordneten Erzeugnisanspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind den nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung
in ihrem gesamten Erscheinungsbild und deren Weiterbildungen werden
nachfolgend im Einzelnen näher
erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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1 in der Perspektive ein
komplettes Solarmodul nach der Erfindung, dessen frontseitige Kontaktierung
durch dispenste, direkt aufgetragene Leitkleberbrücken realisiert
ist, und
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2 Detaildraufsicht des Solarmoduls
gemäß 1 im Bereich der Kontaktierung
einer Solarzelle und
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3 einen Querschnitt durch
die Detaildraufsicht gemäß 2.
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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).
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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 aufgetragen 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.
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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.
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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.
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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
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- 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